太赫兹波光学参量效应放大特性的理论研究

针对太赫兹波光学参量效应中增益介质对太赫兹波强烈吸收的特点,提出光学参量效应中泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线相互作用可以有效放大太赫兹波。以周期极化铌酸锂晶体为例,通过解耦合波方程,在不同的近似条件下分析了前向和后向太赫兹波的放大特性。计算结果表明,在太赫兹波吸收系数远大于太赫兹波增益系数的条件下,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线作用可以有效提高太赫兹波功率。分析结果对周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡产生太赫兹波的实验研究提供深入和全面的理论基础。     

高能强场太赫兹源与铌酸锂晶体

高能强场太赫兹（THz）源在国土安全、通信雷达、生物医疗等领域有重要的应用价值。然而，一直以来THz源的辐射输出能量小、转化效率低，阻碍了强场THz前沿科学与应用研究的发展。基于铌酸锂倾斜波前技术，飞秒激光抽运铌酸锂晶体有望实现能量更高的极端强场THz输出。从材料角度阐述了铌酸锂强场THz源产出的研究进展，总结了强场THz源对铌酸锂晶体的性能要求：均匀掺镁铌酸锂、低浓度掺镁近化学计量比铌酸锂、大口径铌酸锂晶体。最后，介绍了近年来周期极化铌酸锂和铌酸锂单晶薄膜等微纳结构的调控在THz源领域的应用研究。     

非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器级联参量过程的研究

在铌酸锂晶体非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器中观察到了级联光学参量效应.实验中测量到了一阶、二阶和三阶斯托克斯光.通过分析一阶、二阶和三阶斯托克斯光谱发现相邻阶斯托克斯光频率差相等,表明在太赫兹波的产生过程中发生了级联光学参量效应.在高阶级联光学参量过程中,一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子,表明在太赫兹波产生过程中量子转换效率会有效提高.     

基于LiNbO3光整流效应的高峰值功率太赫兹源

基于光整流效应,通过倾斜泵浦光波前(TPFP)在铌酸锂晶体中实现相位匹配,是一种有效的产生太赫兹辐射的方法。建立了一种更完备的基于波面倾斜的产生太赫兹波的理论模型,用于分析不同泵浦光偏振下产生太赫兹波的转换效率。搭建了基于铌酸锂晶体光整流效应的高峰值功率太赫兹源和太赫兹时域光谱系统,并利用太赫兹面阵探测器对获得的太赫兹辐射进行了分析。结果表明,所获得的太赫兹辐射单脉冲峰值功率达到0.56 MW,频谱宽度为0.1 THz~2 THz,转换效率为0.56‰,与理论模拟结果相符。     

GaP,GaAs和PPLN晶体级联差频产生太赫兹辐射

研究周期极化磷化镓晶体(GaP)、砷化镓晶体(GaAs)和周期极化铌酸锂晶体(PPLN)准相位匹配级联差频产生太赫兹辐射,相较于差频过程,级联过程太赫兹辐射输出功率增大9.5倍。通过分析三波耦合方程,计算并比较晶体的波矢失配量、极化周期和太赫兹功率,结果显示,基于GaP晶体产生的太赫兹功率略大于GaAs晶体输出的功率;GaAs晶体的极化周期最小;PPLN晶体的波矢失配量和极化周期取值范围最小,而输出的太赫兹功率和转换效率最高。建立基于周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)准相位匹配原理的宽调谐激光系统,分析吸收因子对输出太赫兹功率的影响,计算级联差频峰值功率和转换效率。十五阶峰值功率3.72 MW,泵浦光总能量到太赫兹辐射能量的转换效率是3.72%。     

飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析

光整流效应是产生太赫兹波的有效途径之一,而产生高功率太赫兹波则需要采用高强度的飞秒激光激励光整流晶体,但激光强度过大会造成晶体损伤,从而严重影响高功率太赫兹波的输出。因此,对光整流晶体的损伤阈值进行研究具有重要的理论意义与实用价值。通过对飞秒激光与非线性光整流晶体材料相互作用物理过程进行分析,建立了飞秒激光作用下光整流晶体损伤阈值的预估模型,比较分析了铌酸锂、碲化锌和硒化锌三种晶体材料的损伤阈值随飞秒激光脉宽的变化规律。结果表明,当飞秒激光的脉宽相对较小时,光致电离在整个作用过程中占主导地位,随着脉宽的增大,雪崩电离逐渐起主要作用;雪崩电离速率和光致电离速率均与晶体的禁带宽度密切有关,光整流晶体材料禁带宽度越大,晶体材料的损伤阈值越高;铌酸锂晶体的损伤阈值明显高于碲化锌和硒化锌晶体,更适合用于高功率太赫兹波的产生。     

基于PPLN晶体的可调谐太赫兹波辐射特性研究

提出了一种周期极化铌酸锂(PPLN)晶体差频产生太 赫兹(THz)波的新型结构。基于非线性晶体三波互作用理论模型,根据周 期极化掺镁铌酸锂(PPMgLN)晶体的准相位匹配原理和掺铒光纤激光器(EDFL)双波长输出激光 特性,并结合晶体折 射率差公式,理论分析了工作温度及极化反转光栅周期对其输出THz波的影响,给出 一定频率范围内其 输出波长连续可调谐的实现方法。本文系统结构简单、成本低和调谐容易,激光器可室温 运转。     

基于波前倾斜的太赫兹单次测量研究

太赫兹单次测量技术可以对一些超快不可逆过程进行快速测量,在蛋白质变性、核爆模拟分析等领域具有广阔的应用前景。从飞秒激光放大器发出的光脉冲分成两束并分别经过两块光栅产生波前倾斜,一束作为抽运光激发铌酸锂晶体,基于光整流效应产生高功率太赫兹波;另一束作为探测光,采用正交平衡探测法探测。利用该光路产生太赫兹脉冲并对其进行单次测量,系统的时间窗口为16.8 ps,频谱范围覆盖0.1～1.6 THz。     

基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源

回顾了基于倾斜波前技术并利用飞秒激光抽运铌酸锂晶体产生高能强场太赫兹辐射脉冲源的研究背景和发展历程,系统地介绍了倾斜波前装置中各组成部分对太赫兹辐射脉冲的能量转化效率以及发射特性的影响,提出了利用这种技术产生mJ量级的超强太赫兹源的可能途径,展示了强太赫兹源的潜在应用价值。     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

表面修饰的亚波长金属Cu狭缝结构透射特性研究

为了深入研究表面修饰余弦凹槽的亚波长结构对太赫兹波透射特性的调控规律,提出一种表面修饰余弦凹槽的太赫兹亚波长金属Cu狭缝结构,基于时域有限差分法,对亚波长金属Cu狭缝结构的太赫兹波透射光谱特性进行模拟。仿真结果表明,通过改变金属Cu狭缝结构上下表面余弦凹槽的结构排布、数量、周期、深度及狭缝深度、宽度等参量,实现了对太赫兹波透射强度的调控。     

人工表面等离激元波导及天线若干进展

电磁波的传输和调控是电子学领域的一个研究热点,人工表面等离激元是一项通过在金属表面人工设计亚波长周期结构实现有效控制微波与太赫兹波传输的新技术.近年来,人工表面等离激元波导、电路与天线研究方面已取显著成果,为其在微波与太赫兹集成电路与系统中的应用奠定了基础.鉴于人工表面等离激元技术的重要应用前景,文章简要综述了人工表面...     

基于渐变折射率的太赫兹人工表面等离激元片上透镜特性

借助于结构化的金属/介质界面所形成的人工表面等离激元，能够将太赫兹场束缚在亚波长量级，同时利用单元结构对几何参数的色散特性，可以在二维尺度上操纵太赫兹波，为集成化、小型化片上太赫兹功能器件的发展提供了解决途径。利用立体金属柱子结构的色散特性构建二维渐变折射率透镜，在此基础之上设计平面望远镜、波导耦合器、双功能透镜等二维太赫兹人工表面等离激元传输调控器件，并通过电磁仿真分析每种功能器件的工作性能。本工作不仅丰富了太赫兹表面波调控器件家族，并有望进一步发展表面等离激元链路的太赫兹片上系统。     

耦合级联光学差频高效产生太赫兹波的研究

本文提出了一种耦合级联光学差频（CCDFG）高效产生太赫兹波的方法。利用耦合光学参量效应产生的双信号光和双闲频光在同一块非周期极化铌酸锂（APPLN）晶体中分别激励一套级联光学差频（CDFG）并产生太赫兹波。频率、偏振方向、传播方向完全相同的太赫兹波将两套CDFG强烈地耦合在一起。CCDFG可以利用两套CDFG共同产生并放大太赫兹波,而产生的太赫兹波又反过来增强CCDFG,进一步驱动CCDFG向更高阶斯托克斯差频扩展,从而大幅提高了太赫兹波能量转换效率。经计算可知,在100 K和300 K温度下,CCDFG产生太赫兹波的能量转换效率分别为37%和4.6%,比相同条件下双信号光和双闲频光激励的两套CDFG的能量转换效率之和分别提高了40%和60%以上。     

基于非周期极化铌酸锂晶体产生任意频率太赫兹辐射

理论上研究并论证了飞秒激光在非周期性极化畴反转的铌酸锂晶体(LN)中由光整流效应产生任意频率、窄带的太赫兹(THz)波辐射的可行性.为实现对THz波谱的整形,文中利用模拟退火(SA)算法设计出铌酸锂晶体的极化畴反转结构的最佳模型,由此可产生任意预置时间波形的THz辐射场.结果表明,SA算法是一种有效的通过设计晶体极化畴...     

太赫兹波近场成像综述

太赫兹波成像作为可见光和微波成像等的拓展,在半导体材料表征、生物组织诊断、无损检测和安检等领域表现出许多独特的优点,得到了越来越广泛的关注.传统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的限制,分辨率较低.而太赫兹波近场成像是目前突破该限制,获得亚微米甚至是纳米量级高分辨图像的研究热点之一.首先介绍了近场机制与成像的基本原理;其次总结了太赫兹波近场成像的几种常用方法及其对应研究进展和当前存在的问题,包括孔径型、针尖型、亚波长太赫兹源型和微纳结构调控型等;最后探讨了该方向的发展趋势.     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波空间强束缚效应

飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性,其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域,本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输,即“太赫兹波空间强束缚效应”,并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型,为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心,综述了本课题组近年来的一系列研究工作,包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等,并对未来的工作进行了展望。     

太赫兹缝隙衍射的严格求解方法

基于严格电磁场理论和结构拓展思想,提出了太赫兹缝隙结构衍射的严格物理模型,得到了太赫兹缝隙衍射情形下入射、衍射和透射区域内电磁场基本模式的严格表达。数值计算表明太赫兹波在晶体(砷化镓)、非金属(FR-4)等材料缝隙的透射系数与太赫兹波频率的变化趋势大体相似,得出缝隙材料对太赫兹波的透射系数影响不明显;但是,缝隙的个数、材料的种类以及基底材料的厚度对太赫兹缝隙衍射最大透射系数的影响明显。本文方法也可用于研究太赫兹波亚波长区域内、微纳光学元件体内衍射传输等问题。     

强太赫兹脉冲产生及硒化镓晶体非线性效应研究

为探索单周期或亚周期的强场太赫兹脉冲抽运下各种材料的非线性光学响应,基于铌酸锂（LiNbO3）晶体,采用飞秒脉冲倾斜波前技术,获得了单脉冲能量为2.6μJ、峰值场强为632 kV/cm的强太赫兹脉冲输出,并在该辐射源的基础上搭建了太赫兹抽运-光探测系统。利用该系统研究了硒化镓（GaSe）晶体的非线性光学响应,观测到亚周期的太赫兹脉冲诱导的光学双折射,其引起的相位变化与普克尔斯效应和克尔效应相关。研究结果为强场太赫兹抽运下介质的非线性效应分析提供了思路,为材料的电光系数和非线性折射率系数的测定提供了借鉴。     

基于超材料的连续太赫兹波透射特性研究

以基于超材料的太赫兹波透射为目的,设计并制作了四种亚波长开环共振（SRR）超材料。采用连续太赫兹波作为入射激光源,实验测量了它们在1.04 ~4.25 THz波段的功率透射属性,并采用CST Studio进行仿真,结果显示这些超材料存在一个位于2.52 THz的全局透射峰和多个局部透射峰。全局透射峰与SRR阵列的微结构和图形配置等参数有关。为了寻找一个具有较高透射效率的太赫兹感应阵列,比较了四种不同超材料微结构的归一化功率透射性能和感应差别。从这些差别中找到特定图案配置的超材料器件用于太赫兹波感应具有借鉴意义。