基于超快激光技术的THz波产生和探测

主要介绍利用超快激光技术产生和探测THz波辐射。THz波探测方法包括电光取样和空气探测。电光取样利用光学电光效应,采用探测激光偏振态的改变得到THz电场时域波形,广泛应用在TDS系统中。空气探测方法利用激光在空气中的三阶非线性效应,可以测得THz时域波形,并且该方法没有晶体的限制,因此可以探测频谱较宽的THz脉冲。产生THz的方法主要包括光电导天线、光学Dember效应、光整流和激光等离子体。其中前三者受到材料本征声子的影响,产生的THz谱宽有一定限制。倾斜激光脉冲波前入射非线性晶体光整流可以产生很强的THz波。双色飞秒激光脉冲与空气等离子体作用,可以产生较强的宽谱THz辐射,并且其谱宽与激光脉冲宽度密切相关。     

飞秒激光作用ZnSe晶体产生和探测THz辐射的实验

实验研究了ZnSe单晶的光学整流THz产生,借助电光取样技术得到THz脉冲的时域波形和FFT频谱分布,观察到约113fs的THz辐射场分布,及相应约5.8THz的频谱分布,辐射峰位于3THz左右.对比研究了不同表面的ZnSe晶体的THz辐射峰值强度随激发光功率的变化,通过轻微烧蚀模型定性解释了高激发功率下THz信号的饱和机制.     

飞秒激光作用ZnSe晶体产生和探测THz辐射的实验

实验研究了ZnSe单晶的光学整流THz产生,借助电光取样技术得到THz脉冲的时域波形和FFT频谱分布,观察到约113fs的THz辐射场分布,及相应约5.8THz的频谱分布,辐射峰位于3THz左右.对比研究了不同表面的ZnSe晶体的THz辐射峰值强度随激发光功率的变化,通过轻微烧蚀模型定性解释了高激发功率下THz信号的饱和机制.     

THz辐射脉冲波形的电光取样测量

Terahertz（THz）电磁辐射是国际上近年来发展的一种新型相干辐射光源，通常可由超短脉冲激光在半导体材料中激发的解态载流子传输过程，非线性光学晶体中的光学整流过程，以及量子阱中的Bloch振荡等过程来产生．THz电磁辐射具有以下非常独特的性质：（1）这是一种频率介于远红外和微波之间的相干电磁辐射，典型的中心频率为1012Hz，即一个THz．（2）单个THz辐射脉冲具有非常大的辐射带宽。其频率带宽与中心频率之比的典型值为△v/v0≈1，甚至大于1；（3）THz辐射的时间波形可用光学手段进行相干测量。如作为探测光源就可以一次得到样…     

用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波的研究

报道了用半绝缘GaAs材料研制的光电导偶极天线在飞秒激光脉冲触发下辐射THz电磁波的实验结果.GaAs光电导偶极芯片的两个欧姆接触电极间隙为3mm,采用Si3N4薄膜绝缘保护,在540V直流偏置下被波长800nm,脉宽14fs,重复频率75MHz,平均功率130mW的飞秒激光脉冲触发时产生THz电磁波.用电光取样测量得到了THz电磁脉冲的时域波形和频谱分布.THz电磁波的辐射峰值位于0.5THz左右,频谱宽度大于2THz,脉冲宽度约为1ps.     

用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波的研究

报道了用半绝缘GaAs材料研制的光电导偶极天线在飞秒激光脉冲触发下辐射THz电磁波的实验结果.GaAs光电导偶极芯片的两个欧姆接触电极间隙为3mm,采用Si3N4薄膜绝缘保护,在540V直流偏置下被波长800nm,脉宽14fs,重复频率75MHz,平均功率130mW的飞秒激光脉冲触发时产生THz电磁波.用电光取样测量得到了THz电磁脉冲的时域波形和频谱分布.THz电磁波的辐射峰值位于0.5THz左右,频谱宽度大于2THz,脉冲宽度约为1ps.     

THz波的实验研究

相干THz(terahertz)波是频率从0.1到几十THz的相干电磁辐射(对应的波长从3 mm～10μm).现代科学技术的发展对THz波的迫切需要,唤起了人们对THz波研究的极大兴趣.近年来,飞秒(10-15s)激光技术的发展和成熟为THz波的研究提供了有效的手段.依据光学整流原理,以飞秒(fs)激光为抽运源,激发非线性电光晶体产生脉宽为亚皮秒量级的宽带相干THz波脉冲是目前实验室较普遍采用的方法.THz时域光谱技术是相干光学选通门技术,它能探测THz波与物质相互作用的时域电场信息,即同时测得电磁波的振幅和相位,因此,可精确测量物质的色散和吸收特性.这种独到的技术特点,使得相干THz辐射脉冲在物理、化学、电子科学、材料科学、层析成像和环境监测等领域有着广泛的应用前景[1].     

通频带宽对脉冲激光波形测量的影响

在理论上分析了电光调QCO2激光脉冲经过不同通频带宽的测量系统时产生的波形失真情况,并且得出了通频带宽对测量波形影响的规律,同时在实验上研究了电光调Q射频激励波导CO2激光脉冲经过一定通频带宽的测量系统时,激光脉冲波形的失真情况,实验结果与理论分析一致。     

紫外激光脉冲的光纤传输特性研究

为了满足大型激光系统对紫外激光脉冲时间波形测量要求,采用紫外单模光纤进行传输取样的方法,理论分析了紫外脉冲在光纤中的线性传输特性,对影响脉冲波形测量的因素进行系统评价;并测试了紫外激光脉冲经过单模纯石英光纤传输后的脉冲波形。结果表明,对于纳秒、亚纳秒量级的紫外激光脉冲,单模紫外光纤是一种较好的传输介质;考虑到光纤损耗及探测器灵敏度限制,紫外光纤不宜作长距离传输。研究结果对高功率激光装置紫外光脉冲时间波形测量提供了理论和实验依据。     

基于LiNbO3晶体电光调Q的Cr,Tm,Ho:YAG激光器输出特性分析

搭建了以布儒斯特角切割LiNbO3晶体作为电光调Q元件的Cr,Tm,Ho:YAG激光器,测量了静态时腔内LiNbO3晶体的放置角度对激光器输出能量以及偏振特性的影响。研究发现,当LiNbO3晶体以布儒斯特角放置时,Cr,Tm,Ho:YAG激光器效率最高,输出激光的p分量最大,线偏振特性最好,这对电光调Q是有利的。电光调Q时,测量了不同抽运电压下的输出能量、脉冲宽度及脉冲波形,当重复频率为2Hz时、脉冲能量为25mJ,最小脉宽达265ns,脉冲峰值功率达94.3kW,脉冲波形呈光滑的近高斯分布。     

电光调Q脉冲激光外差研究

采用高斯函数模拟电光调Q射频激励波导CO2 激光器输出脉冲激光的波形 ,在理论上研究了脉冲激光外差的波形及其傅里叶变换频谱成分 ,并在实验上测量了脉冲激光外差的波形及其傅里叶变换频谱 ,理论分析与实验结果一致。     

太赫兹成像技术的实验研究

建立了一套透射式逐点扫描太赫兹(THz)辐射成像装置,它采用<100>-InAs晶体作为高功率、宽频谱的THz辐射源和高灵敏度、低噪声的电光取样差分探测方法,具有对隐蔽在非透明电介质材料内物体成像的能力.并且,系统能够获得成像物体上每一点的光谱数据,可以对物体进行光谱成像.利用多种基于傅立叶变换的数据处理方法给出了葵花籽样品的透射图像,并对其中的几种进行分析和对比.全面介绍透射式逐点扫描THz成像的关键技术,包括成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面,对有效利用THz成像技术和开展THz成像领域的相关研究具有指导意义.     

相干宽可调THz和毫米波辐射

由基于光导和光检波的亚皮秒激光脉冲产生的宽带宽THz脉冲在成像技术、光谱学和介电测量等方面已得到应用。对于化学鉴别、生物医学诊断和高分辨率光谱学来说，可调的相干和单色THz辐射源是重要的工具。但除了价格昂贵的自由电子激光器之外，现在还没有研     

太赫兹脉冲的正交平衡单次电光测量

提出了一种基于波长编码的超短太赫兹(THz)脉冲单次探测方法。该方法将新型正交平衡电光取样技术和波长编码技术结合起来,同时拥有这两种方法的优点:能对超快太赫兹脉冲实现高调制度和高信噪比的单次实时测量。为了实现单次测量,采用线性啁啾激光脉冲作为探测光,将太赫兹电场对探测脉冲的时域调制映射到频域,并用光谱仪对频域信息进行单次采集。在电光取样技术方面,采用正交平衡探测取代传统波长编码单次测量,通过设置两臂静态偏置相位,使它们大小相等、符号相反,实现对称推挽式调制,从而有效提高近0°偏置点附近的探测线性度和调制深度,并有效抑制动态噪声。     

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...     

探测光波长对太赫兹波电光取样探测技术的影响

由于太赫兹波电光取样探测技术中电光晶体存在的色散关系, 探测光的波长会直接影响到电光取样的探测带宽和效率.由于该色散关系的存在, 不同的电光晶体在电光取样中响应函数不同.本文研究了两种典型的电光晶体-碲化锌和磷化镓晶体的响应函数, 发现在选取的四种探测激光波长内(600 nm、800 nm、1200 nm、1600 nm), 800 nm的探测激光更合适碲化锌晶体, 1200 nm的激光更合适磷化镓晶体.对于不同厚度的晶体, 存在一个最优化的探测激光波长, 使得该晶体的电光响应函数有最宽的带宽.     

探测光波长对太赫兹波电光取样探测技术的影响（英文）

由于太赫兹波电光取样探测技术中电光晶体存在的色散关系,探测光的波长会直接影响到电光取样的探测带宽和效率.由于该色散关系的存在,不同的电光晶体在电光取样中响应函数不同.本文研究了两种典型的电光晶体-碲化锌和磷化镓晶体的响应函数,发现在选取的四种探测激光波长内(600 nm、800 nm、1200 nm、1600 nm),800 nm的探测激光更合适碲化锌晶体,1200 nm的激光更合适磷化镓晶体.对于不同厚度的晶体,存在一个最优化的探测激光波长,使得该晶体的电光响应函数有最宽的带宽.     

神光-Ⅲ原型装置多路激光近红外时间波形测量系统

为了解决大型高功率激光装置激光脉冲宽度窄、光束口径大、路束多,以及输出光束远场漂移量大等特点导致的激光脉冲时间波形难以准确测量的难题,研制了多路激光近红外时间波形测量系统。该系统使用光束匀滑进行光纤耦合取样的方法,采用时分复用的光纤传输技术,实现了神光-Ⅲ原型装置8路纳秒激光脉冲时间波形的测试。结果表明,通过对2008年度原型装置时间波形的测量数据分析,该测量系统的测量相对扩展不确定度小于2.5%,提高了系统的抗干扰能力和可靠性,同时也降低了激光装置参量诊断系统的建造成本。     

神光-Ⅲ原型装置多路激光近红外时间波形测量系统

为了解决大型高功率激光装置激光脉冲宽度窄、光束口径大、路束多,以及输出光束远场漂移量大等特点导致的激光脉冲时间波形难以准确测量的难题,研制了多路激光近红外时间波形测量系统.该系统使用光束匀滑进行光纤耦合取样的方法,采用时分复用的光纤传输技术,实现了神光-Ⅲ原型装置8路纳秒激光脉冲时间波形的测试.结果表明,通过对2008年度原型装置时间波形的测量数据分析,该测量系统的测量相对扩展不确定度小于2.5%,提高了系统的抗干扰能力和可靠性,同时也降低了激光装置参量诊断系统的建造成本.     

半导体THz辐射的Monte Carlo模拟

本文介绍了作者开发的基于面向对象语言C++和统一建模语言UML的半导体输运及THz辐射的蒙特卡罗模拟软件,并用该软件模拟了在强超短脉冲激光(光生载流子密度10¹⁹cm^-3)及强电场 (100kV/cm) 作用下GaAs的THz时域波形和相应的半导体表面局域场.通过分析THz时域波形,我们发现强外加电场下的载流子速度过冲、载流子屏蔽(或器件反应过冲)是形成THz时域波形双极结构的原因.功率谱的分析表明增加外加电场有益于提高THz的低频成份的辐射,但对高频部分(＞6THz)影响不大.