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。     

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。     

基于光丝阵列的太赫兹辐射增强方法

基于飞秒激光光丝阵列,从实验上实现了太赫兹(THz)辐射的增强。结果表明,使用阶跃型相位板产生光丝阵列,在相同飞秒脉冲能量下,相比于单光丝情况,光丝阵列辐射THz信号强度被增强,且THz信号强度与光丝数目成正比。当入射能量为5.8 mJ时,8根光丝时辐射的THz能量为31.73 nJ,辐射效率为5.47×10~(-6)。所提方法有望解决飞秒激光辐射THz过程中的能量饱和问题。     

飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射及应用

飞秒激光脉冲在传输过程中, 克尔自聚焦和等离子体散焦相互作用形成了长距离的自导光通道, 该过程称为飞秒激光成丝。飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射为燃烧诊断提供了新的可能性, 为理解燃烧过程、提高燃烧效率和减少污染物的产生提供了有用的信息。针对飞秒激光成丝诱导的荧光辐射在燃烧诊断中的应用, 介绍了飞秒激光在火焰中的传输特性以及成丝动力学过程, 陈述了飞秒激光成丝诱导非线性光谱的机理及其在高温燃烧场诊断应用中的研究现状和进展, 探讨了当前飞秒激光成丝在该领域所面临的挑战和应用前景。     

白光激光雷达的发展与应用

飞秒激光脉冲在空气中传输时产生独特的成丝现象,伴随着波长从紫外到中红外的超连续光谱辐射。高强度的光丝能继续与物质发生强烈的非线性相互作用,诱导多光子荧光和等离子体光谱等非线性光谱辐射。白光激光雷达以飞秒激光脉冲大气传输特性为基础,能提供多种遥感探测方法。文章阐述了飞秒激光脉冲成丝机理与白光激光雷达系统结构特点,介绍了国内外主要白光激光雷达的性能特点、白光激光雷达的主要探测方法与应用情况,最后分析了白光激光雷达的发展趋势。     

面向遥感应用的飞秒激光脉冲超长距离传输的研究进展

强飞秒激光在空气中传输时,其传输距离会远远超越衍射极限,产生高强度光丝和低密度等离子体,并伴随超连续白光的辐射,这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用,概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展,包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输,并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。     

飞秒激光脉冲在大气中的光丝现象及其应用

分析了飞秒激光脉冲在大气中传输时光丝的形成机理。克尔效应引起的光束自聚焦与多光子电离产生的等离子体散焦作用共同导致光丝的形成和长距离传输。讨论了光丝长距离传输特性在超宽带激光雷达和激光引导闪电等方面的潜在应用。     

飞秒激光脉冲在混合气体介质中传输特性研究

围绕飞秒激光脉冲在混合气体介质中的成丝特性展开理论研究。通过数值求解非线性薛定谔传输方程,对比了不同气体介质中所形成光丝特征。研究结果表明,通过在氮气介质中掺入少量的惰性气体,可以实现对光丝内部光强、等离子体密度以及光强的时域演化特征进行调控。这一方法相比于传统方案,即通过调控入射激光脉冲参数或聚焦条件从而调控光丝特性,克服了对泵浦脉冲性能指标参数以及实验光路的依赖。该方法有望在飞秒激光诱导的非线性光谱研究领域得到更为广泛地应用。     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

基于飞秒激光成丝的超连续光谱产生与调控研究进展

超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应,激光脉冲光谱会被极大展宽,覆盖从微波到紫外的超宽范围,被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势,在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用,近年来被广泛关注,并取得一系列研究成果。基于此,围绕飞秒光丝辐射超连续光谱,从物理机制到调控方法,系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。     

超快激光成丝产生太赫兹波的研究

研究了超快激光脉冲成丝辐射太赫兹(Terahertz, THz)波.考虑到THz 波在安全检查和国防建设等方面具有十分重要的意义, 文中总结了超快激光成丝产生太赫兹波的物理机制和控制技术, 并对各种相关理论和技术进行了分析.文章从理论模型、偏振特性和远场角分布情况等方面来介绍物理机制, 并探讨为满足应用需求的控制技术, 主要包括强度、偏振和波形控制.研究表明, 超快激光成丝辐射太赫兹波的产生方式、理论模型和控制形式均有多种, 其中理论模型主要包括四波混频模型和光电流模型, 强度控制技术主要包括双色场泵浦和在光丝通道两侧施加偏压.     

Improving Spatial Resolution of Real-Time Terahertz Near-Field Microscope

Terahertz (THz) wave imaging for biomaterial samples such as cells requires real-time acquisition and high spatial resolution beyond the diffraction limit. The existing THz near-field microscopes are based on raster-scanning techniques, and are therefore not able to image and trace morphological changes in a large area. With the recent advances in high-power THz sources, we demonstrated how to achieve high spatial resolution over a large size using a conventional charge-coupled-device (CCD) camera with the electro?Coptic (EO) sampling technique. In this paper, we determine a limiting factor that restricts spatial resolution in our near-field microscope. By calculating the imaging performance of the probe beam together with THz wave diffraction, we show that the most relevant factor is the diffraction inside the EO crystal. Near-field imaging of metal patterns using EO crystals with different thicknesses supports this calculation. A thin EO crystal is essential for achieving THz images with high spatial resolution.     

Enhanced Continuous-Wave Terahertz Imaging with a Horn Antenna for Food Inspection

Continuous-wave (CW) terahertz (THz) imaging with a horn antenna is proposed to enhance the spatial resolution of a THz imaging system. The attached waveguide that is smaller than the wavelength can easily increase the spatial resolution, and the optimized horn flare can significantly increase the transmission power. Consequentially, transmission THz images of a phantom obtained by the amplitude signal using a 0.2 THz wave reveal that the spatial resolution is achieved up to 500 μm. Also, the transmitted power is increased up to 6 times higher compared to the pinhole aperture. The feasibility of CW THz imaging with a horn antenna is demonstrated by the inspection of the organic samples inside food resulting in a relatively high sensitivity for soft organic samples compared with the sensitivity of X-ray imaging to this kind of samples.     

太赫兹光子晶体光纤与天线设计

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为基质,设计了一种空芯多孔包层结构的太赫兹光纤,中心的大孔缺陷用于传输太赫兹波,周围四层小孔可以将太赫兹波的传播限制在缺陷内部。利用COMSOL软件对光纤的损耗特性进行仿真分析发现,光纤在0.6 THz的泄露损耗低于0.1 dB/m,具有良好的传输特性。和金属波导口可以当作天线辐射电磁波的原理相似,光纤的端面也可以作为天线将内部传输的太赫兹波向外辐射,通过仿真分析,天线在0.59~0.61 THz的回波损耗低于-25 dB,方向性系数大于20 dB,半功率波束宽度约为13。     

双色场相位平缓对远场前向太赫兹的增强

太赫兹辐射极性和幅度依赖于双色场相位。由于等离子体光丝中色散和Gouy相移，导致双色场的相对相位随着激光的传播发生改变。当相位的改变量大于时，丝中的太赫兹电场极性发生反转，使得远场太赫兹辐射在离轴相位匹配角方向相干增强，而光轴前向相消减弱。通过对基频和倍频聚焦条件的调整和传输非线性色散的作用对双色场相对相位进行了调制，提出了可以使相对相位平缓的方法。模型计算证明了等离子体形成和Gouy相移调制是使双色场相移变平缓的原因。随后利用相位变平缓的条件得到了太赫兹发生极性反转的失相长度延长，最大长度近三倍于空气介质中的失相长度。在满足相位变平的条件下，远场太赫兹辐射在光轴前向的分布得到增强。     

A kind of graphene film metamaterial for terahertz absorbers

A kind of functional graphene thin film metamaterial on a metal-plane separated by a thick dielectric layer is designed for terahertz (THz) absorbers. We investigate the properties of the graphene metamaterial with different interlayers in the 0–3 THz range. The simulation results show that the absorption rate reaches up to 99.9% at the frequency of 1.917 THz. Changing the period to 80 μm×18 μm can get a narrow-band high quality factor (Q) absorber. We present a novel theoretical interpretation based on the standing wave field theory, which shows that the coherent superposition of incident and reflection rays produces standing waves, and the field energy is localized inside the thick spacers and dissipates through the metal-planes.     

太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要.对太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究.分析了太赫兹平面波在湍流大气中传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化.以高斯波束为例,研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距离等物理量的演化规律.研究结果表明,在太赫兹波段,频率越高,闪烁指数越大,饱和距离就越小.总体上看,太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波之间;对于太赫兹大气通信和成像等短程应用,太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于弱起伏状态;但对于太赫兹雷达和遥感等应用,由于传输距离较远,可能会出现强起伏.     

太赫兹波传播过程中横模分布的成像

研究了焦点位置附近太赫兹波的横模分布,目的在于了解系统中太赫兹波的横向分布情况,为进行太赫兹光谱和成像实验提供依据。通过太赫兹波逐点扫描成像,对经常被用来放置测试样品位置附近的太赫兹波横模分布情况进行了定性的分析。利用“狭缝法"测量了太赫兹光束的束宽。结果表明,太赫兹波在焦点附近不同位置的横向分布有较大差异,在焦点处对应于最长波长1.5 mm的最小光斑直径约为1.0 mm,这说明太赫兹波的聚焦有一定的限度。实验确定了系统中放置样品的最佳位置,对开展太赫兹光谱和成像研究有参考价值。     

THz时域光谱诊断激光等离子体密度和碰撞频率

从电子在THz波电场中的运动方程出发,讨论了THz波在等离子体中的传播规律.从而可以得到由等离子体电子密度和碰撞频率决定的THz波的复折射率.该复折射率决定了THz波在等离子体中的传播,即THz脉冲相位和振幅变化.THz时域光谱系统可以测量THz波传播的相位和振幅,因此可以利用THz时域光谱来诊断等离子体密度和碰撞频率.由于受到等离子体色散关系的限制,该方法测量的等离子体密度有一定范围.在等离子体电子密度位于10~(12)~10~(16)/cm~3之间内,该方法可以得到较好的应用.