發(fā)布時(shí)間：2020-09-22 11:47

　　 太赫茲波是指介于0.1 THz到10 THz之間的電磁輻射波,其在電磁波譜中所處的位置十分特殊,位于微波和紅外輻射之間,因而擁有許多獨(dú)特的性質(zhì),在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、安全監(jiān)測(cè)、通信和國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲輻射源是太赫茲技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素,尋找性能更加優(yōu)良的太赫茲輻射源一直是太赫茲科研工作者的追求。其中,太赫茲參量源是重要的太赫茲輻射源之一,具有窄線寬、可連續(xù)調(diào)諧、室溫工作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、峰值功率高、時(shí)間和空間相干性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。太赫茲參量源的物理基礎(chǔ)是受激電磁耦子散射,受激電磁耦子散射過(guò)程的發(fā)生需要有合適的太赫茲參量源晶體。目前,已發(fā)現(xiàn)LiNb03(LN)晶體、KTiOP04(KTP)晶體,KTi0As04(KTA)晶體,RbTiOP04(RTP)晶體可用于太赫茲參量源。遺憾的是,其產(chǎn)生的太赫茲波能量十分有限。斯托克斯參量振蕩器和斯托克斯參量放大器結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案是解決該問(wèn)題的重要手段之一。斯托克斯參量振蕩器的作用是產(chǎn)生待放大的斯托克斯光脈沖,斯托克斯參量放大器的作用是在放大入射的斯托克斯光脈沖能量的同時(shí),通過(guò)受激電磁耦子散射得到太赫茲脈沖。在該方式中,在保證泵浦光能量密度小于非線性晶體損傷閾值的情況下,泵浦光束的光斑尺寸不受限制因而泵浦脈沖能量不受限制,通過(guò)對(duì)待放大斯托克斯脈沖進(jìn)行擴(kuò)束,可以實(shí)現(xiàn)很好的泵浦光束和斯托克斯光束空間重合性;泵浦光路上的延時(shí)裝置可以保證泵浦光脈沖與待放大斯托克斯光脈沖有很好的時(shí)間重合性。太赫茲參量源的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程可用耦合波方程組來(lái)描述。耦合波方程組理論描述了相互作用的每個(gè)光波在傳輸方向上的變化規(guī)律。然而,在以往的理論處理中,存在著一些不合理的假設(shè)。其一,將泵浦光強(qiáng)視為常數(shù);其二,將泵浦光,斯托克斯光和太赫茲波的傳播方向視為共線。在電磁耦子散射過(guò)程中,泵浦光被劇烈消耗,且泵浦光和太赫茲波的非共線相位匹配角度也非常大(可達(dá)60°左右)。因此,泵浦光的劇烈損耗和大的相位匹配角是理論處理中必須要考慮的因素。此外,表面垂直發(fā)射結(jié)構(gòu)對(duì)晶體內(nèi)太赫茲波的傳輸有巨大的影響;泵浦光和待放大斯托克斯光的脈沖形狀、光斑形狀及其強(qiáng)度分布對(duì)晶體內(nèi)光場(chǎng)分布的影響更是不容忽視。KTP晶體作為新型太赫茲參量源晶體之一,具有生長(zhǎng)技術(shù)成熟、晶體光學(xué)質(zhì)量好、損傷閾值高的優(yōu)良特性,產(chǎn)生的太赫茲波段(主要為3.3～6.5 THz)也與MgO:LiNbCO3晶體產(chǎn)生的太赫茲波段(主要為0.9～3.1 THz)不同。因此探究KTP晶體在獲得大能量太赫茲脈沖方面的潛力是極有必要的一項(xiàng)工作。本文使用斯托克斯參量振蕩器和表面垂直發(fā)射的斯托克斯參量放大器結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案,分別研究了基于KTP晶體的斯托克斯參量振蕩器和斯托克斯參量放大器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性,獲得了大能量的太赫茲波輸出;同時(shí)就斯托克斯參量放大器而言,給出了耦合波方程的數(shù)值解法,模擬了其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。其理論結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí),有助于太赫茲參量源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:1.基于斯托克斯參量振蕩器產(chǎn)生高能量斯托克斯脈沖輸出的實(shí)驗(yàn)研究。斯托克斯參量振蕩器的主要目的為產(chǎn)生一個(gè)較高的斯托克斯光脈沖,以待斯托克斯參量放大器進(jìn)行后續(xù)放大。因此主要研究了基于KTiOPO4晶體的斯托克斯參量振蕩器的斯托克斯光輸出特性,分別考慮了角度調(diào)諧曲線、偏振方向和輸出鏡透過(guò)率等因素的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)泵浦光和斯托克斯光夾角為4.4°,泵浦光偏振方向平行于晶體z軸,輸出鏡透過(guò)率為60%時(shí),可以得到最大的斯托克斯光脈沖輸出。2.基于斯托克斯參量振蕩器和斯托克斯參量放大器相結(jié)合的方案,產(chǎn)生高能量太赫茲波輸出的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)斯托克斯參量振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,選取4.4°作為該實(shí)驗(yàn)中的非共線匹配角度。在泵浦光和待放大斯托克斯光能量最大時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦光和待放大斯托克斯光脈沖之間的延時(shí),使太赫茲波輸出能量得到了優(yōu)化。當(dāng)泵浦光脈沖能量為580.0 mJ,待放大斯托克斯光脈沖能量為36.6 mJ,延時(shí)為1.7 ns時(shí),獲得放大后斯托克斯光脈沖能量為192.1 mJ,太赫茲波脈沖能量最大為17.0μJ。此外,通過(guò)研究不同延時(shí)下泵浦損耗特性,進(jìn)一步證實(shí)了延時(shí)的調(diào)整對(duì)產(chǎn)生高能量太赫茲波脈沖具有重要意義。3.斯托克斯參量放大器的理論仿真研究�？紤]到大角度非共線相位匹配、泵浦光束消耗大、太赫茲波表面垂直發(fā)射結(jié)構(gòu)、高斯脈沖分布等實(shí)際因素,我們利用耦合波方程組對(duì)斯托克斯參量放大器工作過(guò)程進(jìn)行了理論模擬,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好;對(duì)于理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異,我們也給出了合理的分析。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O737;O441
【部分圖文】：

邐山東大學(xué)碩士學(xué)位論文邐逡逑第一章緒言逡逑太赫茲波是指頻率介于０．１邋ＴＨｚ到１０邋ＴＨｚ之間的電磁輻射波，其在電磁波逡逑譜中所處的位置十分特殊，位于微波和紅外輻射之間，因而擁有許多獨(dú)特的性質(zhì)逡逑［１－３］。長(zhǎng)期以來(lái)，電子學(xué)技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟使得電磁波譜上大逡逑多數(shù)區(qū)域得到了較為充分的研究，而太赫茲波段由于缺少高效的太赫茲輻射源和逡逑靈敏的探測(cè)裝置，并未得到充分的研宄。因此，該波段被稱為“太赫茲空隙”。逡逑ｊ太Ｍ茲凌

爆炸物和武器等禁運(yùn)品［１０－１２］。更重要的是，太赫茲波的監(jiān)測(cè)為不接觸的無(wú)損檢逡逑測(cè)。因此，我們可以通過(guò)構(gòu)建違禁物品的太赫茲波圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，與太赫茲安檢儀逡逑監(jiān)測(cè)到的物質(zhì)進(jìn)行比對(duì)，這無(wú)疑是更為理想的安全檢測(cè)手段。圖１－２顯示的是利逡逑用太赫茲波對(duì)藏在報(bào)紙里的刀具的成像結(jié)果。目前，美國(guó)一家公司已經(jīng)研發(fā)出了逡逑Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ系列的太赫茲波掃描儀，并在歐美多個(gè)機(jī)場(chǎng)投入使用。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)太赫逡逑茲科研機(jī)構(gòu)同樣也在大力研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲波安檢儀。相信這種新逡逑的監(jiān)測(cè)手段必能進(jìn)一步防范恐怖襲擊。逡逑電逡逑ｌｉｌｌｐ逡逑圖１－２利用太赫茲波對(duì)藏在報(bào)紙里的刀具的成像逡逑通信技術(shù)：太赫茲波在星際通信、中短距離大氣通信、短距離無(wú)線局域網(wǎng)等逡逑領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。太赫茲波的頻帶約為當(dāng)前手機(jī)通信頻帶的１０００倍，逡逑這意味著超高速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將是可能的。目前，國(guó)際通訊聯(lián)盟己經(jīng)指定逡逑０．１２邋ＴＨｚ為下一代地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)頻段。太赫茲通信技術(shù)將成為６Ｇ通訊的基逡逑礎(chǔ)。逡逑生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：太赫茲波輻射可用于癌細(xì)胞表皮成像、疾病診斷以及藥物研逡逑３逡逑

圖卜３光電導(dǎo)天線逡逑光整流方法則是基于超短脈沖激光與非線性介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的低頻電極逡逑化場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生太赫茲波輻射，如圖１－４所示。這種方法與光電導(dǎo)天線相比，輸出的逡逑頻譜帶寬更寬，但泵浦光和太赫茲波在晶體中傳播速度不同導(dǎo)致的相位失配會(huì)嚴(yán)逡逑重影響其效率�？諝獾入x子體的方法是將超短脈沖激光在空氣中聚焦，使空氣發(fā)逡逑生電離形成等離子體，使離子電荷和電子電荷之間形成較大的密度差，繼而導(dǎo)致逡逑強(qiáng)有力的電磁瞬變的發(fā)生，發(fā)射出太赫茲波。其主要機(jī)制在于空氣等離子體中混逡逑合的基頻光和二次諧波發(fā)生的四波混頻過(guò)程，當(dāng)基頻光、二次諧波和太赫茲波偏逡逑振態(tài)相同時(shí)，該方法效率最高。逡逑Ｅ（（｝－Ａ｛ｔ）ｃｏｓ0）ｔ邐Ｅ邋Ｕ）逡逑斯線性P蓸&逡逑圖１－４光整流方法逡逑太赫茲氣體激光器是比較成熟的一種太赫茲輻射源，即利用一個(gè)Ｃ０２激光逡逑器的遠(yuǎn)紅外輸出光栗浦一個(gè)充有甲烷、氨氣、甲醇等物質(zhì)的低氣壓腔

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