铌酸锂晶体中参量振荡产生高功率可调谐太赫兹波的实验研究

利用一块大体积MgO:LiNbO3晶体,采用浅表垂直出射方式构成太赫兹(THz)波参量振荡器(TPO),实现了高功率可调谐的THz波输出,调谐范围为0.8~2.8 THz。当抽运功率密度为197.4 MW/cm2时,在1.73 THz处每个THz脉冲的最大输出能量为173.9 nJ,对应的能量转换效率为2.2×10-6。实验过程中观察到了一阶和二阶斯托克斯(Stokes)光,一阶Stokes光相对于抽运光的频移等于产生的THz波的频率。     

KTP和KTA晶体在3～6THz波段的折射率测量

利用太赫兹(THz)光参量发生器,测量了KTP晶 体和KTA晶体在3~6THz波段的折射率。利用一束 脉冲宽为5ns的Nd:YAG 1064nm激光作为泵浦源,分别泵浦KTP晶体 和KTA晶体,获得了一束宽谱 的Stokes光;测量了泵浦光和产生的Stokes光的非共线相位匹配角度以及对应Stokes光的波 长,通过计算 得出了KTP晶体在3.07~6.12THz波段对应的折射率为2. 81~5.05;KTA晶体在3.71~6.19THz波段对应的折射率为3.26~4.68。     

固体三倍频激光在高压H2中受激拉曼散射的实验研究

利用Nd∶YAG激光器的三倍频输出 (35 5nm)在H2 中的受激拉曼散射 (SRS)获得波长在 2 0 4～ 86 7nm范围内的激光输出。当抽运能量为 70mJ时观察到四阶Stokes光和五阶Anti Stokes光 ,其中第一阶Stokes光 (416nm)输出能量为 2 8 7mJ,第二阶Stokes光 (5 0 3nm)输出能量为 16mJ,一阶Anti Stokes光 (30 9nm)输出能量为 3mJ。研究了H2 压力和各阶Stokes光能量的关系 ,同时观察到环行光斑和脉宽压缩现象。     

高能量、快速可调谐太赫兹参量振荡器

基于受激电磁耦子散射的太赫兹(THz)波参量振荡器是产生高能量、相干THz波的有效手段之一,实验中采用垂直晶体表面出射结构,在1.63 THz处实现了最高单脉冲能量为634 nJ的THz波输出。利用电控振镜快速改变泵浦光入射到MgO:LN晶体中的角度,实现了0.75 THz~2.81 THz范围内的快速调谐,该辐射源可以满足THz波在生物医学、太赫兹通信、环境监测等应用领域的需求。     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出

利用一台多纵模调Q Nd:YAG激光器泵浦的浅表垂直发射太赫兹波参量振荡器参量产生了高功率可调谐太赫兹波辐射。推导了非共线相位匹配条件下的有效参量增益长度以优化太赫兹波参量振荡器参数。实验测得太赫兹波的调谐范围为0.77~2.83 THz。当泵浦功率密度为222.3 MW/cm2时,在1.78 THz处太赫兹波的最大输出能量为347.8 nJ/pulse,对应的能量转化效率为3.9110-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0.020 4 rad,在水平方向上为0.006 8 rad。     

铌酸锂强场太赫兹非线性时域光谱系统

强场太赫兹（THz）时域光谱技术在强场THz科学技术与应用中具有重要作用，材料、物理、化学、生物等领域诸多涉及强场THz与物质强非线性相互作用的研究都离不开强场THz时域光谱技术。然而，受限于高效率、高光束质量、高稳定性、高重复频率强场THz辐射源的性能，强场THz时域非线性光谱技术发展缓慢。针对强场THz非线性光谱技术及其潜在应用中存在的难题与挑战，在商用kHz钛宝石激光器的驱动下，笔者设计并实现了一套基于铌酸锂倾斜波前技术产生强场THz的高度集成化时域光谱系统。在3 mJ激光能量泵浦下，利用该系统在室温下实现了单脉冲能量为6.5μJ、峰值场强约为350 kV/cm的THz强场产生，该系统具备强场THz非线性光谱测试、THz泵浦-THz探测、光泵浦-THz探测、THz发射谱测量等多种超快时间分辨测量功能，是研究强场THz非线性效应的有效实验手段。     

便携式太赫兹辐射器光泵浦源

为在太赫兹波段的遥感生物探测预警雷达系统、光电对抗、成像探测以及高速通信提供小型野外使用的军用全固态紧凑太赫兹辐射器,研制了一种小型便携式太赫兹辐射器的光泵浦源,采用了无热电制冷器(TEC)温度控制的二极管泵浦Nd:YAG固体激光,激光输出能量150 mJ,脉冲宽度最小6 ns,激光重频最大30 Hz,激光束散角最小约1 mrad。用这样的泵浦源进行光泵浦TPO-THz,产生的1.63 THz波的单脉冲能量为2.98 μJ,对应的THz波能量转换效率为1.92×10-5。     

光泵CH3F气体产生THz波的实验研究

太赫兹(THz)波具有很高的研究价值和广阔的应用前景,实现THz技术广泛应用的关键之一是研制高功率、高能量、高效率、室温运行、可调谐、低成本和便携式的THz光源。光泵气体THz激光器具有功率高,能量大,波长范围广,技术可靠等优点,在透视成像和无损检测等领域成为可靠的THz源。本文对利用横向激励高气压(TEA) CO2激光器9P(20)支线泵浦CH3F气体产生的496 μm THz波进行实验研究,并对影响THz波能量输出的主要因素进行分析讨论。实验中获得的最大THz波脉冲能量为57.14 μJ,输出波长为490 μm。     

光泵THz激光器输出特性的影响因素分析

设计稳定可靠的THz激光器, 缩小THz激光器的体积一直是THz领域的研究热点。基于速率方程组, 建立了光泵THz激光器的理论模型。数值模拟和分析了不同工作温度、腔内压强、腔尺寸、泵浦光波动等因素对THz激光输出产生的影响。研究结果表明: 泵浦光功率越高, THz激光输出对工作温度的变化越敏感, 则越有必要建立稳定可靠的温度控制系统;在保持功率输出一定的前提下, 通过适当提高THz激光腔内工作气体压强, 可以缩小THz激光器的体积;泵浦光功率越低, THz激光的输出性能对泵浦光功率波动及频率漂移越敏感, 此时, 需要对泵浦光稳定性进行控制, 更为关键的在于控制泵浦光的频率稳定性。     

Compact Tunable Narrowband Terahertz-Wave Source Based on Difference Frequency Generation Pumped by Dual Fiber Lasers in MgO:LiNbO<Subscript>3</Subscript>

We demonstrate a high-average-power, single longitudinal-mode, and tunable terahertz (THz)-wave source based on difference frequency generation (DFG) in a MgO:LiNbO₃ (MgO:LN) crystal. The waves for DFG are generated using a pair of Yb-doped pulsed fiber lasers with a master oscillator power fiber amplifier configuration. The average power of the THz-wave output reaches 450 μW at 1.07 THz (280 μm) at a linewidth of 7.2 GHz, and the tunability ranges from 0.35 to 1.07 THz under the pulse repetition frequency of 500 kHz. A short burn-in test of the THz wave is also carried out, and the output power stability is within ± 5% of the averaged power without any active stabilizing technique. The combination of MgO:LN-DFG and stable and robust fiber laser sources is highly promising for the development of high-average-power THz-wave sources, particularly in the high transmission sub-THz region. This approach may enable new applications of THz-wave spectroscopy in imaging and remote sensing.     

Kilowatt-peak Terahertz-wave Generation and Sub-femtojoule Terahertz-wave Pulse Detection Based on Nonlinear Optical Wavelength-conversion at Room Temperature

Intense Terahertz (THz)-wave generation and highly sensitive THz-wave detection were obtained by wavelength conversion with nonlinear optical susceptibility χ⁽²⁾ of LiNbO₃ crystals. Maximum peak output of about 50 kW (5 μJ/pulse) was demonstrated in an injection-seeded THz-wave parametric generator pumped by post-amplified emission from a microchip Nd:YAG laser. Using the sub-nanosecond pulse duration of the laser proposed herein provides effective mitigation of stimulated Brillouin scattering in LiNbO₃, producing higher gain for wavelength conversion between near-infrared (near-IR) pump light and THz waves. Monochromatic THz radiation was obtained in the continuous tuning range of 0.7–2.9 THz. Additionally, highly sensitive THz-wave detection was demonstrated based on up-conversion from THz waves to near-IR light as well as efficient THz-wave generation. The signal generated with non-collinear phase-matching condition showed spectroscopic detection on the screen apart from the LiNbO₃ crystal. Highly sensitive detection with minimum energy of about 80 aJ/pulse (0.8 μW at peak) and a large dynamic range of more than 100 dB were achieved in this experiment.     

Widely Frequency-Tunable Terahertz Wave Generation and Spectroscopic Application

The THz-wave generator based on the resonance of phonon-polaritons in GaP enabled THz spectral measurements of organic molecules like DNA/RNA-related molecules in wide frequency range (0.6–5.8 THz). High spectral purity of the generated THz-wave enables even the detection of defect structures of organic compounds, and will give a new tool for molecular sciences. We demonstrated THz imaging of a liver cancer. The THz-wave generator can be made small-size, light-weight system.     

电光调Q 1064nm/532nm脉冲激光器

报道了一种用于产生THz波的电光调Q脉冲激光器,重复频率为1Hz、10Hz,输出1064nm、532nm可方便转换.当腔长310mm,输入能量为16J时,输出的1064nm调Q脉冲能量210mJ,电光转换效率1.3%,平均脉宽13ns,532nm脉冲能量110mJ,倍频效率50%,脉宽9~12ns.并对实验结果进行了分析和讨论.     

Analysis of Linewidth Tunable Terahertz Wave Generation in Periodically Poled Lithium Niobate

A new scheme of optical rectification of femtosecond laser pulses in a periodically poled lithium niobate crystal, which generates high energy and linewidth tunable multicycle terahertz (THz) pulses, is analyzed. The developed simple theoretical model allows investigating the generated THz spectrum and its dependence on spot size of the pump beam. It is shown that the transformation of THz radiation from narrowband to broadband is possible by simply reducing the pump beam size. The temporal waveform and energy of the multicycle THz pulses were calculated as well. It is shown that THz energy is inversely proportional to the pump beam size r _y , whereas energy spectral density is independent of r _y . The efficiency of optical-to-THz energy conversion for pump pulse energy of 1?mJ is estimated to be 0.8?×?10^?4. The possibility of tuning the generation frequency by changing the direction of the pump beam propagation is analyzed.     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

周期极化GaAs晶体中差频产生太赫兹辐射的研究

传统的光学差频产生的太赫兹辐射转换效率低,不能获得高功率太赫兹辐射。本文对周期极化GaAs晶体中差频产生太赫兹辐射进行了理论计算,通过温度调谐实现了周期极化GaAs晶体中差频获得可调谐太赫兹波的输出。为了提高差频过程的增益和量子效率,在准相位匹配基础上引进了级联差频机理,并对最佳晶体长度和最佳泵浦频率进行了计算。结果表明,利用周期极化的GaAs晶体可以获得更高能量更高效率的太赫兹波辐射。     

太赫兹宽谱源的研究进展

太赫兹宽谱源是指能够产生较宽频谱覆盖范围的太赫兹辐射源,近年来其相关研究受到越来越多的关注。太赫兹宽谱具有能量低,穿透性强和频谱覆盖范围宽等优点,在生物和医学成像、安全检查、化学成分分析等领域具有很大的潜在应用价值,因此研究太赫兹宽谱源对于推动上述领域的进步具有重要的科学意义。本文基于光学辐射源、电子学辐射源、热辐射源这3种太赫兹宽谱源,从产生机理、研究进展以及未来发展趋势对这3种方法进行分析和总结,对比了各自的优、缺点和应用范围。