本文關(guān)鍵詞：基于GaSe晶體和金屬薄膜的太赫茲輻射源

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【摘要】：太赫茲輻射因其特殊的性質(zhì),在材料光譜、生物醫(yī)學(xué)、空間通信、國際反恐等基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用方面有廣闊的前景,而太赫茲輻射源的發(fā)展是推動(dòng)太赫茲應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。本文基于Ga Se晶體這一實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射最有前景的非線性晶體,對差頻輸出窄帶太赫茲輻射的相位匹配類型進(jìn)行了理論上的模擬計(jì)算和分析比較,通過超快脈沖的光整流獲得寬帶太赫茲輸出并研究了太赫茲輻射對泵浦光強(qiáng)的依賴關(guān)系。著眼于新型材料和結(jié)構(gòu),本文在金屬薄膜中同樣獲得寬帶太赫茲輸出,并對其太赫茲輻射機(jī)理進(jìn)行了研究與分析。該工作為實(shí)現(xiàn)高功率輸出和多樣化的太赫茲輻射源提供了理論基礎(chǔ)和初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文主要研究內(nèi)容如下:1.利用小型調(diào)Q可調(diào)諧CO_2激光器,基于Ga Se晶體,實(shí)現(xiàn)了基頻9.2-10.7μm的可調(diào)諧倍頻輸出。根據(jù)相位匹配角與基頻波長的關(guān)系,在眾多已報(bào)道的色散方程組中,確定了Ga Se晶體在紅外波段的最佳色散方程組;2.基于非線性差頻原理,以可調(diào)諧CO_2激光器泵浦Ga Se晶體產(chǎn)生窄帶太赫茲輻射為例,在三波共線情況下,對oe-e、oe-o和新型oo-e三種相位匹配方式的角度調(diào)諧特性、太赫茲輸出光強(qiáng)以及相位匹配的允許參量進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,在對Ga Se晶體進(jìn)行適當(dāng)切割后,oo-e相位匹配方式可以實(shí)現(xiàn)太赫茲輸出,而且在角度調(diào)諧、泵浦光的允許參量和實(shí)驗(yàn)操作方面具有明顯優(yōu)勢。3.基于超快脈沖的光整流,在Ga Se晶體中實(shí)現(xiàn)0-3THz的寬帶太赫茲輻射。隨著泵浦光強(qiáng)的增加,太赫茲輸出電場強(qiáng)度受到泵浦光雙光子吸收的影響,與泵浦光強(qiáng)呈亞線性關(guān)系。雙光子吸收不僅增加了泵浦光的損耗,抑制了太赫茲輻射的輸出,同時(shí)也激發(fā)了自由載流子,導(dǎo)致晶體對太赫茲輻射吸收的增加。利用Drude-Lorentz模型,以及Ga Se晶體自由載流子的平均弛豫時(shí)間τ=0.38fs,對太赫茲輸出和泵浦光強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合。測量了摻雜Er和In元素Ga Se晶體的雙光子吸收系數(shù),提出采用元素?fù)诫s的方法來降低雙光子吸收,以提高太赫茲轉(zhuǎn)換效率。4.在超快脈沖的激發(fā)下,利用光滑的金薄膜及其納米孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0-3THz的寬帶太赫茲輻射。對太赫茲輸出與入射角、泵浦波長和光強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究,并分析了太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明,在激光脈沖的激發(fā)下,電子從金屬表面逸出,電子的運(yùn)動(dòng)形成瞬態(tài)電流,從而向外輻射太赫茲電場。在該過程中,表面等離子激元對太赫茲輸出強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。隨著泵浦光強(qiáng)的增加,電子的逸出機(jī)制表現(xiàn)出從多光子電離到隧穿電離的過渡,最終導(dǎo)致太赫茲輸出與泵浦光強(qiáng)之間的非線性關(guān)系。當(dāng)泵浦光的波長發(fā)生改變時(shí),表面等離子體激元的壽命隨之改變,太赫茲輸出頻譜寬度受到影響。因此,通過表面等離子體激元可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲輸出強(qiáng)度和頻譜寬度的主動(dòng)調(diào)制。
【關(guān)鍵詞】：GaSe晶體 差頻 光整流 金屬薄膜 太赫茲輻射源
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O441.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太赫茲輻射的主要特征與應(yīng)用13-16
• 1.3 太赫茲輻射源及其研究現(xiàn)狀16-26
• 1.3.1 窄帶太赫茲輻射源17-22
• 1.3.2 寬帶太赫茲輻射源22-26
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容26-28
• 第2章 基于非線性光學(xué)的太赫茲輻射理論28-42
• 2.1 非線性頻率轉(zhuǎn)換基本原理28-30
• 2.2 差頻產(chǎn)生窄帶太赫茲輻射理論30-37
• 2.2.1 差頻過程的動(dòng)力學(xué)30-34
• 2.2.2 差頻晶體的選擇34-37
• 2.3 光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射理論37-40
• 2.4 本章小結(jié)40-42
• 第3章 GaSe晶體差頻產(chǎn)生窄帶太赫茲輻射理論研究42-60
• 3.1 GaSe晶體的色散性質(zhì)與倍頻實(shí)驗(yàn)研究42-48
• 3.1.1 GaSe晶體的色散方程42-44
• 3.1.2 倍頻實(shí)驗(yàn)確定色散方程及方位角44-48
• 3.2 GaSe晶體差頻產(chǎn)生太赫茲輻射的相位匹配研究48-58
• 3.2.1 相位匹配角50-51
• 3.2.2 太赫茲輸出光強(qiáng)51-53
• 3.2.3 相位匹配的允許參量53-58
• 3.3 差頻產(chǎn)生窄帶太赫茲輻射系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)58-59
• 3.4 本章小結(jié)59-60
• 第4章 GaSe晶體光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射研究60-84
• 4.1 GaSe晶體光整流的相位匹配分析60-62
• 4.2 GaSe晶體光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射實(shí)驗(yàn)62-65
• 4.3 GaSe晶體的雙光子吸收系數(shù)65-68
• 4.4 GaSe晶體在太赫茲波段的光學(xué)性質(zhì)68-78
• 4.4.1 透射型太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)68-69
• 4.4.2 塊狀樣品光學(xué)參數(shù)的提取69-71
• 4.4.3 材料光學(xué)參數(shù)的擬合71-73
• 4.4.4 GaSe晶體的光學(xué)參數(shù)測量與擬合73-78
• 4.5 GaSe晶體的雙光子吸收對太赫茲輸出的影響78-83
• 4.6 本章小結(jié)83-84
• 第5章 金屬薄膜產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射研究84-106
• 5.1 金屬薄膜產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射實(shí)驗(yàn)研究85-95
• 5.1.1 樣品描述85-86
• 5.1.2 太赫茲輸出電場性質(zhì)86-88
• 5.1.3 太赫茲輸出與入射角的關(guān)系88-92
• 5.1.4 太赫茲輸出與泵浦光強(qiáng)的關(guān)系92
• 5.1.5 不同泵浦波長下的太赫茲輸出比較92-95
• 5.2 強(qiáng)場中的電子電離機(jī)制95-97
• 5.2.1 多光子電離95-96
• 5.2.2 隧道電離96-97
• 5.3 表面等離子體激元對太赫茲輸出的影響97-100
• 5.3.1 表面等離子體激元概述97-99
• 5.3.2 表面等離子體激元影響太赫茲輸出99-100
• 5.4 金屬薄膜產(chǎn)生太赫茲輻射的機(jī)理分析與總結(jié)100-104
• 5.5 本章小結(jié)104-106
• 第6章 總結(jié)與展望106-110
• 6.1 總結(jié)106-108
• 6.2 展望108-110
• 參考文獻(xiàn)110-126
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況126-128
• 指導(dǎo)教師及作者簡介128-130
• 致謝130-131

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