（光学工程专业论文）基于非线性光学方法产生thz辐射的理论研究.pdf

摘要 摘要 t h z 波在电磁波谱中处于微波和红外波之间，作为电磁波谱的最后一个研 究波段，其研究包括t h z 辐射源研究，t h z 波探测技术研究，t h z 传输及应用 研究( n z 光谱、t h z 成像、t h z 无损探伤、t h z 通信等) ，已成为世界各国公 认的重要研究领域。欧美等发达国家正投入巨大人力物力致力于这方面的研究 工作。经过近二十年的努力，在这一领域已经取得部分重要成果。国内的一些 科研院所通过和国外科研单位合作，在t i - i z 应用研究方面和国外保持在同一水 平，但是在t h z 辐射源研究方面我国还处于起步阶段，因此t h z 源的研究是重 中之重，对我国具有重要的战略意义。 从t h z 波处在电磁波谱中的位置，我们很自然的可以发现t h z 辐射可以利 用电子学技术和光学技术两种方式产生。本文研究利用光子学技术产生t h z 波 辐射，主要采用二阶非线性光学效应，包括光学参量振荡、光学整流等。通过 查阅大量的相关文献资料，本文作者从理论上分析了t h z 参量振荡和t h z 光整 流两种产生t h z 波的方法。这些分析为今后在实验上研制常温下运转，结构紧 凑的小功率t h z 辐射源提供了重要的理论依据。本文所做的主要工作有： i 总结了t h z 参量振荡器的基本原理，以周期性极化l i n b 0 3 晶体为非线 性材料设计了一种内腔式t h z 参量振荡器结构。从理论上分析此t h z 参量振荡器的调谐特性，增益特性和t h z 频谱带宽特性等。 i i 系统分析了t h z 光整流的机理。比较了g a a s 、l i n b 0 3 、z n t e 三种晶 体的色散特性和相干长度，为我们选择泵浦源和光学整流材料提供了理 论指导。从理论上分析了相位失配，泵浦光的脉冲宽度和t h z 整流晶 体的长度对t h z 波产生效率的影响；最后以z n t e 晶体为例模拟了产生 的t h z 波的频谱结构。 关键词：非线性光学，t h z 波，频率下转换，相位匹配，数值计算和分析 a b s t r a c t ab s t r a c t t h et e r a h e r t zr e g i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u ms p a n st h ef r e q u e n c yr a n g e b e t w e e nt h em i d i n f r a r e da n dt h em i l l i m e t e r m i c r o w a v e t h i sr e g i o nh a sn o tb e e n e x p l o i t e df u l l yt od a t eo w i n gt ot h el i m i t e dn u m b e ro fs u i t a b l er a d i a t i o ns o u r c e sa n d d e t e c t o r s t h er e s e a r c h e si n c l u d i n gt h zr a d i a t i o ns o u r c e ，t i - i zd e t e c t o r , t h z t r a n s m i s s i o na n da p p l i c a t i o nh a v eb e e nr e c o g n i z e dh o tr e s e a r c hf i e l da l lo v e rt h e w o r l d t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sa r ed e v o t i n gp l e n t yo fh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t ot h et h zr e s e a r c ha n dh a v ea c q u i r e dm a n yr e s e a r c hr e s u l t s s o m ei n l a n di n s t i t u t e s a n du n i v e r s i t i e sc o o p e r a t ew i t hi n s t i t u t e sa b r o a d w ea r ei nt h es a n l cl e v e lw i t ht h e m i nt h za p p l i c a t i o na r e a b u ti nt h et h zs o u r c ea r e a , w ea r ea tt h eb e g i n n i n gs t a g e t h er e s e a r c ho ft h zs o u r c eh a si m p o r t a n ts t r a t e g i cm e a n i n gf o ro u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h et h zr a n g ei ne l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m , i tc a l lb eg e n e r a t e db y b o t he l e c t r o n i ca n dp h o t o n i cm e t h o d s w eu s en o n l i n e a ro p t i c a lm e t h o dt oo b t a i n t h zw a v ew h i c hb e l o n g st op h o t o n i c si n c l u d i n go p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t i o na n d o p t i c a lr e c t i f i c a t i o n b o t ho ft h e ma r eb a s e do nn o n l i n e a rs e c o n do r d e rp r o c e s s e s t h em a i np a r t so ft h i st h e s i si s ： i n t r o d u c et h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h zp a r a m e t r i co s c i l l a t i o n ；i n t r o d u c ea n e ws t r u c t u r eo fp p l nt h zp a r a m e t r i co s c i l l a t o rb a s e do ni n t e r s e c t i n gc a v i t y ； t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h et e n a b i l i t y , t h zw a v eg a i na n dt h z w a v es p e c t r u mo ft h e s t r u c t u r e i n t r o d u c et h et h e o r yo ft h zw a v er e c t i f i c a t i o n ；c o m p a r et h ec o h e r e n c el e n g t h so f g a a s ，z n t ea n dl i n b 0 3p u m p e db y d i f f e r e n tl i g h t ；t h e o r e t i c a l l y a n a l y z et h e i n f l u e n c eo ft h ep h a s em i s m a t c h ，t h ep u m pp u l s ed u r a t i o nt i m e ，t h ep u m pp u l s e w a v e l e n g t h ，t h ea b s o r p t i o no fn o n l i n e a rc r y s t a l sa n dt h el e n g t ho fn o n l i n e a rc r y s t a l s o nt h eo p t i c a lt ot h zc o n v e r s a t i o n , w h i c hc a nh e l pu st of i n dt h eo p t i m a lc r y s t a l l e n g t ha n dp u m pp u l s e s k e yw o r d s ：n o n l i n e a ro p t i c s ，t e r a h e r t zw a v e ，f r e q u e n c yd o w n - c o n v e r s i o n , p h a s e m a t c h i n g ，n u m e r i c a la p p r o x i m a t i o na n da n a l y s i s i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：良名诬 2 硼年r 月2 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 题名诞 2 0 0 辟厂月2 刁日 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 t h z 渡是指频率在ol 1 0 t h z ，对应波长为3 0 3 0 0 0 u m 范围内的电磁波， 光子能量0 4 - 4 0 m e v ，其在电磁波谱中的位置处于微波和红外光波之间。t h z 波 义被称为远红外波或旺毫米波。 。mi ：r o w a v e 8 温墨懿e _ in f r a r e d 1 口5 h ：m h21t h 2t ：1 t h 1 0c m 1c m1m m 1g o l 堋1 0 u m1 岬 口1c m 1c r r r 1 口亡m 11 0 0c m 。1 0 1 3 m 1t 3 1 3 0 0c r r r e 0 1 f l l e v 1m e v 1 0 m e vl i f t m “1w 图i1t h z 波在电磁波谱中的位置 从1 9 9 5 年以来t h z 波的叫法才逐渐流行起来，到2 0 0 6 年超过8 0 的文献 采用这种叫法，而远红外渡的叫法逐渐减少，亚毫米波主要在天文学和天体物 理学领域使用。由于缺乏有效的t h z 源和探测技术，t h z 波段至今尚未完全开 发。近二十年来，随着t h z 光源技术和探测技术的不断发展，t h z 的研究逐渐 引起广泛关注，成为科学研究的热点，取得了许多重要的研究成果。图12 1 1 1 列出了从1 9 7 0 年至今在这一领域发表论文的情况：从图中我们可以看出从1 9 9 5 年开始，发表论文数量有个巨大的增加，尤其从2 0 0 1 年起，s c i e n c e ，n a m m ， p h y sr e v ，p r l a p l 等杂志刊登t h z 领域的文章有上千篇。这种爆发式增加 与锁模钛蓝宝石脉冲激光器的发明有关，因为它为t h z 光源提供了非常好的泵 浦源，最近几年光纤飞秒激光器技术取得重要发展，使为t h z 源提供更紧凑的 第一章绪论 泵浦源成为可能。1 9 9 5 年t h z 成像技术的出现使人们认识到了它的广阔应用前 景。 南 要 - & 舌 写 皇 号 乱 y e a r 图1 2 近5 0 年t h z 领域发表论文的情况 第二节t h z 波的重要性质、应用、研究现状及产生方法 1 2 1t h z 波的独特性质 目前，国际上对t h z 辐射已经达成如下共识：即t h z 是一种新的、有很多 独特优点的辐射源；t h z 技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、 国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以有能够引起人 们的广泛关注、有如此之多的应用是因为与传统光源相比t h z 光源有很多独特 的性质【2 】： a 瞬态性：t h z 脉冲的典型脉宽在p s 量级，不但可以对各种材料( 包括 液体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过 取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。目前，辐射强度 测量的信噪比可以大于1 0 4 ，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且 2 第章绪论 稳定性更好。 b 宽带性：t h z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲频带 可以覆盖从g h z 到至几十t h z 的范围，便于在很宽的光谱范围内分析 物质性质。 c 相干性：t h z 的相干性源于其产生机制。它是由相干的电流驱动的偶极 子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学效益产生。t h z 相干测量技术能够直接测量出电场的振幅和相位，可以方便地测定样品 的折射率、吸收系数，与利用k r a m e r s k r o n i n g 关系来测定材料光学常 数的方法相比，大大简化了运算过程，提高了可靠性和精度。 d 低能性：t h z 光子的能量只有毫电子伏特，与x 射线相比，不会因为 电离而破坏被检测的物质。因而t h z 波在无损检测中有着非常重要的 应用。 1 2 2t h z 的重要学术价值和应用前景 a 在物理学、化学、材料科学等基础研究中的应用。t h z 波可作为一种特 殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，提供关于物质的物理、化 学及生物成分、波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息。固体材 料的各种元激发以及低维半导体的大多数特征能量，如带宽、带隙、费 米能级、等离子体振荡频率、光学声子频率以及子带间距等都处于t h z 范围，因而低维半导体与t h z 电磁波能够直接耦合，显示出许多崭新 的物理现象。利用t h z 很高的时域分辨率还可以研究c d s e 光导量子过 渡现象，调控原子分子的无辐射量子跃迁。此外，t h z 量子光学和量 子计算机，以及强磁场下半导体的t h z 辐射等都具有十分重要的研究 价值。 b 在医学成像方面的应用。t h z 电磁波可以实现透视和计算机断层扫描成 像( c t ) 。由于t h z 光子的能量很低，不会像x 射线一样对生物组织 构成伤害。而且很多的生物大分子的振动和转动频率处于t h z 波段， 其t h z 光谱包含有丰富的物理和化学信息特征指纹谱，因此t h z 辐射 可用于生物分子的探测和疾病诊断，是分子生物学新的重要研究手段。 t h z 时域谱成像也是极有前途的技术，采用反射型成像系统，还可以形 成t h z 断层扫描成像( 见图1 3 ) 。t h z 脉冲成像的非破坏性和非接触 性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值。 3 第章绪论 t - r c ! vz 。t a p p l i c a t i o n s e l e c t r o m a g n e t i ci l l u m i n a t i o n 图l3 t h z 电磁波成像 c 在空间探测中的应用。t h z 波段占有宇宙空间近，半的光子能量，与红 外可见光波段相比，可以观测更冷暗、更遥远的天体以及天体内部活 动；与微波及更低频段相比，则有更高空间分辨率。利用在南极建立的 t h z 望远镜已经观察到很多重要的新星体，该波段宇宙观测的一系列重 要发现已经冲击了恒星形成、星系形成和演化、宇宙学、行星系统等天 体物理各个层次的研究。特别是在我国未来的太空研究和探月计划中， t h z 波可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。 第章绪论 国l4 欧美b 合作建设全球最大射电天文亚毫米波干涉阵a 1 。m a 想象囤 d 在通信方面的应用。与微波技术相比，t h z 波可匕上探钡4 更小的目标和实 现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性。而与红外和激光 技术相比，t h z 波具有穿透沙尘烟雾的能力，因而可用于局部战场的通 信。t h z 电磁波与微波相比具有更宽的带宽，特别适合于卫星问、局域 网的宽带移动通讯以及短距离通信。t h z 在雷达和太空通信等方面的应 用也有很大的潜力，是下一代通信技术关注的重点。国际通讯联盟已指 定o2 2 t h z 为下一代卫星间通讯的频段。目前美国已经建立了0 2 2 t h z 的雷达系统，而日本也已经开发出01 t h z ，】5 k m 的无线通信系统。 e 在国家安全方面的应用。2 0 0 6 年1 月份，美国五角大楼将t h z 科学列 为军事重点科学，将开发和完善0 02 2 t h z 的军事雷达，开发空间星 一星之间，机一星之间的t h z 通信。特别重要的是美国橡树岭国家实 验室( o r n l ) 和田纳西大学合作开展“穿墙计划( t h r o u g hw a l l p r o g r a m ) ”，利用t h z 成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙 技术在国家安全方面有很重要的价值。欧洲咀色列将t h z 波列为特 种保密军事通信中的重点开发的频段，研究在局部战争中通信时如何利 用t h z 渡实现2 - - 5 k r n 的保密通信，以避开敌方的微波、光通信干扰。 俄罗斯科学院与欧洲几个国家联台研究卫星t h z 波通信计划，该计划 涉及到t h z 源、接收与检测以及真空中的传输，以期实现星际间的通 第一章绪论 信，因此，t h z 有望在军事装备和国家安全方面发挥巨大作用。 1 2 3t h z 波研究现状 由于t h z 电磁波的重要的学术价值和重大应用前景，世界各国对t h z 波的 研究给予了广泛的关注。在美国，政府各部门如国家基金会洲s f ) 、国家航天局 ( n a s a ) 、国防部( d a r p a ) 、能源部( d o e ) 和国家卫生学会( n i h ) 从9 0 年代 中期开始，对t h z 的研究持续进行了较大规模的资金支持。2 0 0 4 年美国t e c h r e v 将“t - r a y 列为未来改变世界的十大技术之一。l l n l l o sa l a m o s ，s a n d i a n l ，o a k r i d g e n l ，j n la n di b m 等研究机构都在开展t h z 方面的研究工作。在 欧洲，欧盟组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目，如t e r a v i s i o n ( 发 展小型化器件、t h z 辐射成象在生物医学和其他领域的应用) ，t h z b r i d g e ( t h z 辐射与生物系统的相互作用研究) ，n a n o t e r a 、w a n t e d 等多项t h z 研究计划 等。欧洲太空总署( e s a ) 的s t a r t i g e r 计划涉及t h z 成像、t h z 空间天文学，、 t h z 遥感、t h z 光子带隙材料以及t h z 微机械探测器等多个研究领域。在亚 洲，日本2 0 0 5 年将t h z 技术列为未来十项重大关键技术首位。日本联合欧美 等发达国家组织了一个庞大的t h z 天文探测计划( a l m a ) ，预计将于2 0 1 2 年 建设全球最大射电天文亚毫米波干涉阵。另外，韩国、新加坡、我国台湾等也 在t h z 研究领域投入了每年数百万美元的经费，开展相关的光电子材料( 如优质 z n t e 晶体的生长) 、t h z 激光器、t h z 波段的光谱学和生物医学成像等研究。 到目前为止，世界上约有1 3 0 多个研究机构，陆续开展了本领域的科学研究工 作或把研究重心转到t h z 领域。可见，目前已经在全世界范围内形成了一个 t h z 技术研究高潮。 国内多所科研院、校、所在进行t h z 源、探测、成像以及传输等关键领域 的理论和实验方面的研究，总体来说还处于起步阶段，已经取得了部分阶段性 成果。比如： 电子科技大学创建了回旋中心坐标系的电子回旋脉塞理论体系，在国内首 先实现t h z 电子回旋脉塞的电磁辐射。在s m i t h p u r c e l l 效应绕射辐射的理论和 实验上取得重要成果，在o 1 1t h z 输出功率已达2 5 0 m w 。 天津大学在t h z 光学参量器及光子晶体t h z 传输特性等方面已取得阶段性 成果。采用激光源和人工晶体差频作用实现1 0 0 m w 级的t h z 源。目前进行利 6 第一章绪论 用准相位匹配差频获得o 7 1 6 t h z 辐射源的研究；电子科技大学在磁光子晶体 和有机复合波导的研究上也取得了一定的进展。 在半导体t h z 辐射源研究上，中科院半导体研究所刘俊岐等人2 0 0 4 年9 月率先研制成功9 1 微米的g a a s a 1 g a a sq c l ，为当时世界上第七个研制成功 g a a s 基q c l 的课题组，也是亚洲第一个研制成功g a a s 基q c l 的课题组，随 后课题组又将波长拓宽至t h z 波段。在t h z q c l 有源区和波导结构设计方面 开展了大量理论研究，并初步探索了千层外延技术并生长出t h z q c l 材料，同 时开展了器件工艺和测试技术研究。 中科院紫金山天文台和南京大学是我国开展超导探测技术研究的两个主要 单位。我国唯一的1 3 7 米毫米波望远镜和p o s t 亚毫米波望远镜在安装超导 s i s 接收机后，观测灵敏度提高了一个量级。中科院紫金山天文台已经部分参 与s m a 和a l m a 天线阵的国际合作研究。中科院紫金山天文台和南京大学正 在开展t h z 频段的高灵敏度超导探测技术研究，并致力于在天体物理和大气物 理领域的应用研究。 中科院上海微系统所和上海交通大学自1 9 9 6 年开展了t h z 物理与器件方 面的研究工作。目前正在对t h zq c l 的基本科学问题进行深入细致的研究，并 致力于研制出性能良好的t h zq c l 。中科院物理所于上世纪9 0 年代在超强t h z 脉冲的产生、t h z 脉冲的传播和t h z 波在瞬态光谱中的应用等方面开展了数值 模拟和理论分析研究工作。首都师范大学t h z 波谱和成像实验室在吗啡类毒品 和黑索金等爆炸物的波谱测量和分析方面，开展了一定的前期研究工作。此外， 中科院西安光机在基于光学技术的大功率t h z 源研究方面也取得了初步的研究 结果。我国的这些科研活动已经在国际上产生一定的影响，为t h z 技术的研究 和发展打下了扎实的基础。 1 2 4t h z 辐射产生的方法 由于t h z 波处于电磁波谱中的特殊位置，它可以有光波段和毫米波段的电 磁场来激发产生。总体来说，t h z 波的产生方法可以分为电子学方法和光子学 方法两类。 电子学方法包括返波振荡器( b w o ) 3 1 ，电子回旋管 4 1 ，自由电子激光器 ( f e l ) 【5 1 ，量子级联激光器 6 - 9 等。 7 第一章绪论 返波振荡器是一种利用电子注与慢波线中的返波相互作用产生振荡的微波 电子管。在周期性慢波系统中，周期性变化的场可以分解成无数空间谐波，其 中群速度与相速度同向传播的波称为前向波；反之则称为返波。当电子注速度 与前向波相速度同步时，由于注波间的相互作用将会使前向行进波得到放大； 而当电子注速度与返波相速同步时，则注波间的相互作用又会使返波得到增强。 由于返波管中群速度与相速度方向相反，并且电子注速度与波的相速同步，因 此电子注的速度方向与波的相速度方向相同，而与群速( 或能速) 的传输方向 相反。这样，在管内就自然地存在着一种能量的反馈通道，一方面载有交变信 号能量的电子注向前运动，并与慢波线上的返波相互作用，将部分能量交给线 路上的高频场，另一方面线路上的高频能量又逆电子注方向传输形成反馈回路。 当每一个反馈回路的总相移都是2 万的整数倍时，具有正反馈的性质。因为这 种反馈是通过电子注把交变信号能量由输出端带回输入端的，所以是一种电子 反馈。利用这种反馈可以得到再生放大，由此可以形成返波放大管。如果反馈 量足够大就可产生自激振荡做成返波振荡管。返波振荡管的优点是在很宽的频 率范围内能够实现连续的快速电调，在0 1 t h z 以上具有宽带调谐和大功率输出 的能力。但当输出功率超过1 t h z 时，输出功率和工作效率急剧下降，而且使 用寿命短。 利用回旋管产生大功率毫米波、亚毫米波源理论产于上个世纪6 0 年代，发 现于7 0 年代，成熟于8 0 9 0 年代。2 0 0 0 年以后，t h z 波段的回旋管已引起极 大的重视，研制出一系列的t h z 电子回旋脉塞( e c r m ) ，最高频率可达 o 8 8 9 t h z ，输出功率可达数千瓦。俄国国家科学院应用物理研究所和日本f u k u i 大学正在研究1 t h z 的回旋管，脉冲磁场4 0 t ，脉宽l o o u s ，电压3 0 k v ，电流 5 a ，输出功率1 0 k w 。研制1 t h ze c r m 的最大困难是强磁场和谐振腔的精密 加工。1 9 9 8 美国d a r t m o u t h 大学的ju r a t a 等人利用扫描电镜产生低能散度、 低发射度的电子注驱动周期性光栅结构，从理论上预测出s m i t h - - p u r c e l l 效应 可能在1 o t h z ，并从实验证实其可达0 3 3 t h z 一1 0 t h z ，利用s m i t h - - p u r c e l l 效应可实现一种结构简单，易于实现小型化的t h z 辐射源。近期俄国国家科学 院应用物理研究所和日本f u k u i 大学正在研究1 t h z 的回旋管，理论设计和预测 脉冲磁场达4 0 t 、脉宽l o o u s 、电压3 0 k v 、电流5 a 、输出功率1 0 k w ，但在硬 件实现方面存在比较大的困难。电子束脉冲与宇宙体波作用并通过横向磁场转 换从理论上可实现宇宙体波尾场c h e r e n k o v 辐射，也成为真空电子t h z 源的可 8 第一章绪论 实现途径。但是利用电子学的方法只能产生频率低于1 t h z 的辐射，限制了频 率的扩展，而且设备体积庞大，需要制冷，成本昂贵。 自由电子激光器：利用的是自由电子的动能跃迁，根据能量的交换形式， 自由电子激光器可以分为两类：利用自由电子横向动能型和利用自由电子纵向 动能型。在自由电子激光器中，一束高速自由电子在真空中传输并通过具有空 间变化的强磁场，在这个磁场和纵向引导磁场的作用下使得电子束振荡并往外 发射光子。反射镜用来把光子限制在电子束内，这里的电子束是作为激光的增 益介质。自由电子激光器可以产生连续或脉冲式的t h z 辐射，而且能量大，理 论上可以产生从远红外到硬x 射线全波段的相干辐射，具有频谱范围广、峰值 功率和平均功率高、可连续调谐以及相干性好等优点，但它体积过于巨大、能 耗高、运行和维护费用较为昂贵，因此难以广泛普及。 量子级联激光器：t h z 量子级联激光器和红外量子级联激光器工作原来一 致，它主要有两个特征：首先，它是一种子带间的单极器件，它只利用电子在 不同子带间的跃迁来辐射光子，而不考虑空穴的运输；其次，它是一个级联的 结构，即有几十个甚至上百个重复周期组成，电子在每个周期内重复释放光子， 这样就提高了器件的输出功率。t h z 量子级联激光器可以通过适当增加有源区 的串联级数来获得较大的光功率输出( 已经达到毫瓦量级) ，并且工作温度相对 较高( 已经达到液氮温区) 。但其自身结构和生长技术都较为复杂，工作阈值电 流密度较大，而且由于t h z 波辐射的波长较长，导致大的光学模式，结果使小 的增益介质和光场之间的耦合作用很弱；并且由于材料中自由电子的作用，存 在较大的光学损耗。 光子学的方法包括光电导天线( p a ) 1 0 - 1 2 】，光学差频( d f g ) 1 3 - 1 5 】，光学 参量振荡( o p o ) 1 6 - 1 9 ，光学整流( o r ) 2 0 - 2 2 1 等。 光电导天线就是使用高速光电导材料作为瞬态电流源，从而向外辐射t h z 波。其基本原理：在光电导半导体材料表面淀积金属制成偶极天线电极结构， 用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光照射半导体材料( h v e g ) ，使 半导体材料中产生电子空穴对，在外加偏置电场中产生的载流子的瞬态输运， 这种随时间变化的瞬态光电流的变化，便会发射t h z 电磁辐射。这种方法可以 产生相对较大的辐射功率，但是其频率比较低，一般在1 t h z 左右。 光学差频方法：基本思想起源于上世纪6 0 年代中期，8 0 年代到9 0 年代k hy a n g 和日本科学家tt a n a b e 等人基于上述思想在理论上使非线性差频t h z 9 第一章绪论 效率进一步提高，利用非线性差频过程可以产生功率较高的相干宽带可调谐的 单频t h z 波，其理论在上世纪9 0 代中期后不断深入，特别是二级，三级非线 性效应理论用得较多，同时与非线性差频相关的晶体材料中波的理论机理和产 生机制研究被提到重要位置。利用非线性差频过程获得t h z 波的最大优点是没 有阈值，且系统容易搭建。依据所需要的输出波长，通过选择合适的差频晶体 可以得到大的调谐范围，但是该方法需要频率相近的两束光，这就需要两个同 步激光器或者双波长运转激光器，实现相对比较复杂。 光学参量振荡方法：1 9 6 9 年实现t h z 波输出，上世纪9 0 年代以来k o d o k a w a s e 等人在t h z 参量振荡器( t p o ) 方面做出了突出性贡献，采用s i 棱镜 阵列耦合器，大大提高了t h z 的输出效率。t h z 参量源是利用品格或分子本身 的共振频率来实现t h z 的参量振荡或者放大的，是一种与极化声子相关的光学 参量技术，参量振荡是一种实现小型化、高可靠性、常温下运转的t h z 辐射源 的有效方法，可以实现窄带，大范围内可调谐的t h z 输出。 光学整流法：超短激光脉冲( 一般小于2 0 0 居) 照射到非线性晶体材料上， 超短脉冲的不同频率成分之间差频产生t h z 辐射。根据傅立叶变换理论可知， 一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介 质中发生混频。其中，有差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。 这个电极化场就会辐射出t h z 波来。光学整流可以产生较高频率和宽带的t h z 辐射，可以制成全固态小型化设备。 第三节本论文的主要工作 本论文对利用二阶非线性光学方法产生t h z 辐射进行了理论分析。t h z 参 量振荡和t h z 光整流是产生t h z 辐射的两种重要的方法，本文对这两种方法进 行了系统分析： 从理论上分析了t h z 参量振荡器的角度调谐特性和非线性材料的极化周期 调谐特性，分析了非共线参量振荡器的t h z 波增益和频谱特性，给出了一种基 于周期性极化l i n b 0 3 晶体的内腔式t h z 参量振荡器结构。 系统分析了t h z 光整流的机理；比较了g a a s 、l i n b 0 3 、z n t e 三种晶体的 色散特性和相干长度；从理论上分析了相位失配，泵浦脉冲的带宽和和强度， t h z 整流晶体的吸收系数和长度对产生t h z 辐射的影响；计算了在考虑相位失 1 0 第一章绪论 配、损耗等各种因素时的量子转换效率和能量转换效率，并且模拟了产生的t h z 波的时域谱和频域谱。 第二章基丁二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 光学方法是实现中小功率、室温运转、可调谐t h z 源的主要方法之一，因 此这一方法的研究受到人们广泛的重视，其中光学参量振荡、光学整流效应是 二种主要的方法，这二种方法都是利用二阶非线性效应获得t h z 波的输出。在 本章中我们介绍这些光学效应的基本原理，特别介绍对转换效率影响很大的相 位匹配的概念。 第一节耦合波方程1 2 1 1 耦合波方程 光波在介质中传播满足麦克斯韦方程组 v d = p 乳b = 0 ， v x 雷：一一o b a t v 疗书詈 对于理想的非磁( = 1 ) 电介质，相关物质方程为 d = e o e + p ， b = p a h ， p = 0 ， 1 2 ( 2 1 a ) ( 2 1 b ) ( 2 1 e ) ( 2 1 d ) ( 2 2 a ) ( 2 2 b ) ( 2 2 e ) 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 j = t r e( 2 2 d ) 岛，分别为真空中的介电常数和磁导率，盯为介质的电导率，户介质的电极化 强度矢量，只考虑二阶的情况下，介质的电极化强度矢量可以表示为 户= 6 0 ( x 1 雷+ z 2 ：髓)( 2 3 ) 有上述方程我们可以得到 v 概雷懈雾一雾 ( 2 4 ) 利用矢量运算v xv x 雷= v ( v 雷) 一v 2 后，近似的认为v 雷= 0 ，可以得到 v 2 豆一署一心气警= 风雾 亿5 ， 把介质极化强度户分为线性和非线性两个部分 户= 1 + 严 ( 2 6 ) 引入介质的介电常数s 1 = i + z ，方程可以写为 v 2 豆w 鲁一鳓c o c m - 伊u 雷- = 等 ( 2 7 ) 这就是非线性波动方程，方程右边是介质的非线性效应驱动源。 方程中的豆= 豆( 尹，t ) ，是介质中的总光电场，在非线性效应中它是许多单色场的 叠加， 雷( 尹，f ) = 丘( 尹，f ) ， ( 2 8 ) 严( 纠= 铲( 尹，f ) ( 2 9 ) 假设光电场是沿z 轴传播的平面波 己( 纠) = 三( 己( 咖忪忆c ) 。) 1 3 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 铲( 纠) = 圭( 铲( 咖州p 刚托c ) 式中吒是频率为的光电场的波矢，联是极化波的波矢 频率为的光电场满足 鲁己+ 2 以昙e k 。2 - ：+ 讹呱豆一鳓o c 0 e 0 ) 晟= 一鳓露户舰p f 娩 其中从= 残一吒 我们知道，c = ( 岛) 一1 胆，甩= ( 占1 ) 啦，所以 砰= 芋2 2 = 砰 有慢变包络近似巨露l 怯最l ，耦合方程可以化简为 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 鲁己+ 詈e = 儿趾 ( 2 1 4 ) 其中口= a o c r c n ，是介质的吸收系数。 2 1 2 三波混频耦合波方程 光学差频，参量震荡和光学整流都是三波混频，是二阶非线性光学效应。 下面给出三波混频的耦合波方程的一般形式。 我们考虑频率为劬，织的三束沿z 轴传播的平面波，电场强度分别为 丘，豆，丘，并有鸭= q + 哆，垂直入射于非线性介质，忽略二阶以上的高阶非 线性效应。 非线性极化强度可以表示为 2 ( q ) = 2 e o 乏 但( - c o , ；c 0 3 ，一哆) ：露霞， p 2 ( 吐) = 2 岛牙佗( - o s 2 ；c 0 3 ，一q ) ：恳茸， 1 4 ( 2 1 5 a ) ( 2 1 5 b ) 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 户2 ( 鸭) = 2 牙2 ( 一c 0 3 ；c o l ，) ：丘扇 ( 2 1 5 c ) 我们认为简并因子d = 2 极化强度写成标量的形式，耦合波方程可以写为 粤+ 粤巨= 堕z ( 2 弓e p 址， ( 2 1 6 a ) 韶z c 巩 警呼耻c i 彩吃2x ( 2 ) 婚拙， ( 2 1 6 b ) 譬+ 了a 3 弓= t o n 3z ( 2 ) e l e 2 e 一曲 ( 2 1 6 c ) 韶_ zc 撬 其中a k = 岛一向一砭，称为相位失配，它对于能量转换效率有重要的影响。后可 以表示为 从：孚伤一孚也一孚啊 ( 2 1 7 ) 以如以 其中吩o = 1 ，2 ，3 ) 为相应波在非线晶体材料中的折射率。 坼辱叭倍频黝= 矧 肌= 辱争 塑：一堕4+fr44e肚，dz 2 12 华：一竺4 + 泌4 4 p 肚，2出 1 警= 一警4 嘶4 缈肚 1 5 ( 2 1 8 a ) ( 2 1 8 b ) ( 2 1 8 c ) 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 第二节相位匹配技术 相位匹配是非线性光学中一个十分重要的概念。由于相位匹配技术的采用， 可使许多非线性效应的转换效率大幅度的提高，本节将系统介绍二阶非线性效 应的相位匹配原理和方法。 当相位失配因子从= o 称为完全相位匹配，这时转换效率达到极大值，如 果触0 能够限制光的转换效率，一般情况下触0 。相位匹配技术主要有利 用晶体的双折射和准相位匹配两种。1 9 6 2 年初，g i o r d m a i n e 和m a k e r 等人指出 利用单轴晶体或者双轴晶体的自然双折射效应来补偿相互作用光波间的相位失 配，可以实现高效变频，这就是双折射相位匹配技术( b p m ) 2 4 2 5 】。稍后， a r m s t r o n g 提出一种新的相位匹配思路，即当光束在晶体内传播一个相干长度的 距离时，通过改变相互作用的三波间的相位关系，也可以实现三波间的相位匹 配，从而在整个非线性介质上获得转换光波的持续增强。而在每一个相干长度 内，三波间的相位差并不为零，所以称为准相位匹配技术( q p m ) 2 6 o 下面介 绍这种匹配技术： 2 2 1双折射匹配技术( b p m ) 双折射相位匹配是利用单轴或双轴非线性晶体的双折射效应和色散特性， 通过选择光波的波矢方向和偏振方向来实现相位匹配。根据光的色散理论，介 质在正常色散范围内，光波的频率越高，其折射率越大，因此在各向同性介质 中无法用简单的方法实现相位匹配。在各向异性介质中，介质除了具有色散性 质外，同时还具有双折射的特性，即对于同一频率的寻常光和非常光除了沿光 轴方向传播有相同的折射率外，在其他任何方向上传播折射率都不同，单轴晶 体和双轴晶体可以实现双折射相位匹配，为了讨论的方便，我们局限于单轴晶 体。单轴晶体有一个光轴，光沿此方向传播不发生双折射。光的偏振方向垂直 于光轴和光的传播方向构成的平面，称为寻常光( d 光) 。光的偏振方向平行于 光轴和传播方向构成的平面，称为非常光( e 光) 。利用双折射的相位匹配技术 分为两种，i 型和兀型。 i 型相位匹配，两束低频光的偏振方向相同，为0 光；n 型相位匹配，两束 基频光偏振方向互相垂直，分别为0 光和e 光。对于正单轴晶体( 甩， n 。) ，高 1 6 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 频光为e 光，而负单轴晶体( 以。 拧。)负单轴晶体( 7 1 e o 光。光+ d 光一e 光 兀型相位匹配 。光+ e 光寸。光e 光+ d 光一e 光 相位匹配的实现主要靠两种方法：角度调节和温度调节，角度相位匹配是 我们主要采用的匹配方式。角度匹配是实现相位匹配的主要技术，在单轴晶体 中。光的折射率为常数，而e 光的折射率随入射光波矢与光轴的夹角秒的变化而 变化。 1 妥：s i n 2g+cos222 ( 2 1 9 ) ( 口)伤 p 角度相位匹配技术就是通过调整晶体光轴的取向和光束的传播方向之间的 夹角，来改变e 光的折射率来实现相位匹配的。 图2 1 负单轴晶体i 型相位匹配示意图 对于负单轴晶体的i 型相位匹配条件 1 七= 二( ( q ，o ) c o l n o ( c 0 2 ) c 0 2 一( 皑) 哆) = 0 有以上两式可以得到 s i n 2p ：( n 2 ( 0 9 1 ) - n 2 ( c o , ) ) ( n o ( f c 0 2 ) c 0 2 + n o ( c 0 3 一) 6 0 3 ) 2 ( 2 2 0 ) q 利用同样的方法可以求出负单轴晶体的n 型相位匹配和正单轴晶体的相位 匹配条件。 1 7 第二章基于二阶非线性效应的t h z 源的理论基础 温度相位匹配： 对于某些晶体( l n ，k d p 等) 它们的n 比以。随温度变化e 快的多。利用这一特性，在0 = 9 0 0 的条件下就可能通过适当调节温度实现相位 匹配。 离散效应：无论采用那一种角度相位匹配方式，在差频过程中总有光束不 沿光轴方向传播。由于双折射效应，o 光和e 光在传播方向上不可避免的要产生 分离，这就是离散效应。离散效应降低了转换效率，因为泵浦光和信号光产生 分离，降低了非线性晶体的有效相互作用距离，从而降低了转换效率。 2 2 2 准相位匹配技术( q p m ) 准相位匹配就是通过对晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿基于二阶 非线性效应的三波相互作用过程中由于折射率色散所造成的各光波间的