（物理电子学专业论文）LiNbOlt3gt晶体掺MgO优化THz波参量振荡器输出特性研究.pdf

摘要 论文题目：l i n b 0 3 晶体掺m g o 优化t a z 波参量振荡器输出特性研究 学科专业：物理电子学 。 研究生：马成举 指导教师：张显斌副教授 摘要 太赫兹技术在很多基础研究领域和应用研究领域有广泛的应用前景，而太赫兹波源器 件的研发是太赫兹技术发展的关键。在众多的太赫兹波辐射源中，太赫兹波参量振荡器由 于其准连续方式输出、体积小、频率连续可调谐、窄线宽、高空间和时间相干性，且在室 温下工作等特点，受到了科研工作者的极大关注。 实验中，我们分别利用一块长6 5 r a m 掺5 m o l m g o ：l i n b 0 3 晶体加一块长6 5 r a m 无 掺杂的l i 川0 0 3 晶体参量过程产生t h z 波，和两块无掺杂的l i n b 0 3 晶体在相同配置下参 量过程产生t h z 波，前者比后者泵浦阈值降低了约3 0 ，而在泵浦光能量为1 8 m j p u l s e 时，其t h z 波输出的能量增加约1 2 4 。表明，l i n b 0 3 晶体掺入价态比较稳定的抗光折 交杂质离子m 矿，利用它参量过程产生t k 波，能够有效的增强其输出能量而降低其泵浦 阈值。另外，我们对5 m o lm g o ：l i n b 0 3 晶体为非线性光学介质构成的t h z 波参量振 荡器的增益和角度调谐特性进行了计算，做出了其增益和调谐曲线，其增益提高而调谐范 围拓宽。 5 m o n 旷掺入同成分l i n b 0 3 晶体，改善了t h z 波参量辐射源的输出性能，其机理 是：同成分l i n b 0 3 晶体中存在大量的缺陷如：反位铌、锂空位、小极化子、双极化子、 f e 2 + 、f e 3 + 等光折变敏感中心，所以其光折变效应显著。由于泵浦光在l i n b 0 3 晶体中的光 折变效应引起的光感应光散射和类透镜效应，使泵浦光向散射光转移能量，所以利用同成 分l i n b 0 3 晶体参量过程产生t h z 波泵浦阈值高而输出能量低。当给l i n b 0 3 晶体中掺入 价态比较稳定的m 矿+ 后，l i n b 0 3 晶体结构基本没有变化，l i n b 0 3 晶体中较强a l ( t o ) 振动模式，和e ( t o ) 振动模式主要由氧八面体( n b 0 3 ) 特征基团决定，掺镁对此影响不 大。当掺镁量为阈值浓度( 5 m 0 1 ) 时，l i n b 0 3 晶体中的反位铌离子重新回到铌位，而 杂质离子的晶格占位也由锂位变为铌位。所以与锂空位有关的缺陷失去了电荷的受主和施 主能力，有效的抑制了l i n b 0 3 晶体的光折变效应，泵浦光向散射光转移能量降低，而转 化为t h z 波和闲频光的效率提高，所以利用5 m o l m g o ：l i n b 0 3 晶体参量过程产生t h z 波输出性能得到改善。 关键词：t h z 波；t h z 波参量振荡器；m g o ：l i n b 0 3 晶体；光折变 强 名名签签 西安j e _ t - 大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho no u t p u tp e r f o r m a n c eo fo p t i m i z i n g t e r a h e r t zw a v ep a r a m e t r i co s c i l l a t o rw i t hl i n b 0 3 c r y s t a ld o p e dm g o m a j o r - p h y s i c a le l e c t r o n i c s n a m e ：c h e n g j um as i g n a t ur e 至垒型竺坐 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x i a n b i nz h a n gs i g n a t u r a b s t r a c t t e r a h e r t zt e c h n o l o g yh a saw i d er a n g eo fp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a so fb a s i c r e s e a r c ha n da p p l i e dr e s e a r c h s o u r c eo ft e r a h e r t zw a v ei st h ek e yo ft e r a h e r t zt e c h l l o l o g y d e v e l o p m e n t a m o n gm a n y t e r a h e r t zr a d i a t i o ns o u r c e s ，t e r a h e r t zw a v ep a r a m e t r i co s c i l l a t o rh a s c h a r a c t e r i s t i c so fq u a s i - c o n t i n u o u so u t p u tm o d e ，s m a l ls i z e ，c o n t i n u o u sf r e q u e n c yt u n a b l e ， n a r r o wl i n ew i d t h , h i g hs p a t i a la n dt e m p o r a lc o h e r e n c ea n dw o r k i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e i ti s g r e a tc o n c e r n e db ys c i e n t i f i cr e s e a r c h e r s t h en o n l i n e a ro p t i c a l5 m o lm g o ：l i n b 0 3c r y s t a li su s e dt og e n e r a t et h zw a v e 谢t l la p a r a m e t r i cp r o c e s si ne x p e r i m e n t i t st h r e s h o l dv a l v er e d u c e sa b o u t3 0 b yc o m p a r i s o nw i t h l i n b 0 3c r y s t a li nt h es a 1 n ec o n f i g u r a t i o n t h eo u t p u to ft h zw a v ee n e r g yi n c r e a s ea b o u t 12 4 a tt h ep u m p i n ge n e r g yo f18 m j p u l s e i ti n d i c a t e st h a tt h eo u t p u te n e r g yc a nb e e f f e c t i v e l yi n c r e a s e da n dt h ep u m pt h r e s h o l dc a l lb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yd o p i n gv a l e n c e r e l a t i v e l ys t a b l em 9 2 + i nl i n b 0 3c r y s t a lt og e n e r a t e 他w a v ew i t hp a r a m e t r i cp r o c e s s i n a d d i t i o n , t h eg a i na n da n g l et u n i n go f t e r a h e r t zw a v ep a r a m e t r i co s c i l l a t o rw h i c hi sm a d eu po f n o n l i n e a ro p t i c a l5 m o lm g o ：l i n b 0 3c r y s t a li sc a l c u l a t e d c u r v e so fg a i na n da n g l et t m i n g a r es h o w e d t h eg a i ni si m p r o v e da n dr a n g eo fa n g l et u n i n gi sw i d e n e d o u t p u tp e r f o r m a n c eo ft h z w a v ep a r a m e t r i cr a d i a t i o ns o u r c ec a r lb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d b yd o p i n g5 m o l m 9 2 + i nl i 蝴0 0 3c r y s t a l i t sm e c h a n i s mi s ：t h e r ei sal o to fd e f e c ti nl i n b 0 3 c r y s t a ls u c ha sn b u ，v l i ，s m a l l - p o l a r o n , b i - p o l a r o n , f 2 + ，f ，e t ct h a ti ss e n s i t i v ec e n t r eo f p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t s oi th a sas i g n i f i c a n tp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t t h ep u m pl i g h te n e r g y t r a n s f e r st os c a t t e r i n gl i g h tb e c a u s eo fl i g h t - i n d u c e ds c a t t e r i n ga n dt h el e n se f f e c to fp u m pl i g h t i nl i n b 0 3 c r y s t a l s ou s i n gl i n b 0 3c r y s t a lt og e n e r a t e 他w a v eh a sah i g h e rt h r e s h o l dv a l v e a n dl o w e ro u t p u te n e r g y w h e nv a l e n c es t a b i l i t ym 矿十i sd o p e di nl i t h i u mn l o b a t ec r y s t a l ， l i t h i u mn i o b a t ec r y s t a ll a t t i c es 1 撇t u r ei sn o tb a s i c a l l yc h a n g e i nl i n b 0 3c r y s t a ls t r o n ga i ( t o ) i i a b s t r a c t v i b r a t i o nm o d ea n de ( t o ) v i b r a t i o nm o d ea l ed e t e r m i n e db yt h em a i no x y g e no c t a h e d r o n ( n b 0 3 ) c h a r a c t e r i s t i c so fg r o u p m g d o p e dh a sa l i t t l ee f f e c to nt h i s w h e nt h em 矿+ i sd o p e dt o t h ec o n c e n t r a t i o nt h r e s h o l dv a l u e ( 5 m 0 1 ) ，n b l ig o e sb a c kt on i o b i u ms p a c ea n di m p u r i t y i o n sd os a m et h i n g s s ot h ea b i l i t yo fd o n o ra n da c c e p t o rc h a r g e sc o r r e l a t e dw i t l ll i t h i u m v a c a n c i e sh a sl o s t t h ep h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti nl i n b 0 3c r y s t a li sr e s t r a i n e de f f e c t i v e l y i ti s r e d u c e dt h a tp u m p i n ge n e r g yt r a n s f e rt o s c a t t e r i n gl i g h t i ti n c r e a s e st h a tp u m p i n ge n e r g y t r a n s f e r st ot h zw a v ee n e r g ya n di d l ew a v ee n e r g y s oi th a sab e t t e ro u t p u tp e r f o r m a n c et h a t l i n b 0 3c r y s t a lo f5 m o lm 萨d o p e d i su s e dt og e n e r a t et h zw a v ew i t hap a r a m e t r i cp r o c e s s k e yw o r d s ：t e r a b e r t zw a v e ；t h zw a v ep a r a m e t r i co s c i l l a t o r ；m g o ：l i n b 0 3c r y s t a l ；p h o t o r e f r a c t i v e l 前言 】j r l 一 刖百 太赫兹波频率范围处于电子学和光子学的交叉区域，其性质表现出一系列不同于其他 电磁辐射的特殊性，从而使太赫兹辐射成像技术及时域光谱技术在生物医学、安全检查、 工业无损检测、空间物理和天文学、环境检测、化学分析、军事和通讯、网络通信等领域 应用前景巨大。而太赫兹波辐射源是太赫兹技术发展的关键，在众多的太赫兹波辐射源中， 太赫兹波参量振荡器由于其准连续方式输出、体积小、频率连续可调谐，窄线宽、高空间 和时间相干性，且在室温下工作等特点，受到了科研工作者的普遍关注。探究给铌酸锂晶 体中掺杂改善其光学性能，以改良由其构成的t h z 波参量振荡器的输出性能，促进t h z 波参量振荡器这种t h z 波辐射源的实用化发展。当然，这对非线性光学晶体的掺杂改性 的研究也有一定的帮助。 t h z 波参量振荡器的研究，国外日本理化学研究所的i t o 实验室在这方面进行了大量 的理论和实验研究，对掺镁铌酸锂晶体构成t h z 波参量振荡器方面进行了大量的实验和 理论研究。我国首都师范大学、浙江大学、西安理工大学等单位，在周期极化铌酸锂参量 振荡器方面进行了大量的研究，并取得了阶段性的进展。但对掺镁铌酸锂晶体构成的t h z 波参量振荡器的理论研究较少，对铌酸锂晶体掺镁后对其输出性能的改善机理研究的文献 更少。 本文分析研究了，我们在日本理化学研究所进行的关于掺镁铌酸锂晶体参量产生太赫 兹波的相关实验结果，并对铌酸锂晶体掺镁的相关文献资料进行了分析研究。得到了 l i n b 0 3 晶体掺入m g o ，由其参量产生 z 波输出性能得到改善的机理。 本文的内容安排如下： 第一章简介了t h z 波及其应用前景，重点介绍了t h z 波参量振荡器的原理，并介 绍了本论文涉及的主要研究内容； 第二章本章介绍了铌酸锂晶体结构及光学常数，铌酸锂晶体的光折变效应，掺镁铌 酸锂晶体抗光折变机理，并对近化学计量比铌酸锂晶体及制备作了介绍； 第三章分析讨论了掺镁铌酸锂晶体构成的t h z 波参量振荡器的输出性能； 第四章模拟计算了由5 m o l m g o ：l i n b 0 3 晶体构成的t h z 波参量振荡器的增益和 调谐特性： 第五章本论文工作的总结及展望。 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我企 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果：与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名j 匪鍪物年多月f j 目 学位论文使用授权声明 本人盔鸯鲞一在导师的指导下创作完成毕业论文二本人已通过论文的答辩，舞 已经在西安理工大学申请博士硕士学位：。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权；，即：。j 、l ) “已获学位的研究生按学校规定提交 j 。 c 一 + jj 印刷版和电子版学位论文；学校可以采用影印、“缩印或其他复制手段保存研究生上交的 ，、一，i l t + ， 学位论文可以将学位论文的全部或部分内容缩入有关数据库进行检索；，2 ，为教学和 一 ，。 ，一 + ! 。，1 | ， 。 科研目的4 ，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、，；资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读p 浏览o 本人学位论文全部或部分内容的公布i ( 包括刊登) + 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：避：7 导师签名：划密晕多月r 尹日 1 概述 1 概述 1 1t h z 波简介 m i c r o w a v et h z w a v ei n 疔a r e d v i s i b l e 0 1 t h z1 毗l o 弛1 0 0 他 e ，l e c t r o n i ca p p r o a c hu n d e v e l o p e dr e g i o n p h o t o n i ca p p r o a c h 图1 - 1t h z 波段在电磁波谱中的位置示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h z w a v e sb a n di nt h ee l e c t r o m a g n e t i c t h z 波是指频率在o i 一10 t h z 范围内的电磁波，t h z 是英文单词t e r a h e r t z 的缩写 ( 1 t h z = l o 比h z 1 p 妒v 3 0 0 凹睁3 3 c m 1 - 4 1 m e v 一- 4 7 6 k ) ，所以1 h z 波又被称为太赫兹波，也称 为t 射线。其波段如图1 1 所示介于毫米波和远红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域， 所以又称为亚毫米电磁波，t h z 波处在光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区 域。 t h z 波在电磁波谱中特殊的位置，其性质表现出一系列不同于其它电磁辐射的特殊 性质幻： ( 1 ) 瞬态性 t i - i z 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料( 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l o l o ，远远高于 傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。 ( 2 ) 宽带性：t n z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆 盖从g h z 至几十t h z 的范围( 约0 i 一- - 1 0 t h z ) ，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 ( 3 ) 相干性t h z 的相干性源于其产生机制。它是由相干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差频效应产生。t i - i z 技术的相干测量技术能够直 接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折舷率、吸收系数，与利用k r a m e r s k r o n i g 关系的方法相比，大大减少了计算和不确定性。 ( 4 ) 低能性：r r i z 光子的能量只有毫电子伏特( 频率为1 t h z 时，光子能量只有约四 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，适合对生物组织进行 活体检查。 t h z 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很 强的穿透力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查3 1 。大多数极性分子如 水分子、氨分子等对t h z 辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质成分 西安理工大学硕士学位论文 或者进行产品质量控制。同时，许多极性大分子的振动能级间的间距和转动能级间的间距 正好处于t h z 频带范围，使t h z 光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。 t h z 光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的微细变化作出分析和鉴别，而且 t h z 光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理 信息进行快速准确的测量“1 。以上这些特点决定了t h z 技术在很多基础研究领域、工业 应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。 1 2t h z 技术应用概述 目前t h z 技术应用最广泛的是t h z 辐射光谱探测技术和t h z 辐射成像技术两个方 面。 t h z 辐射光谱探测技术及其应用： t h z 电磁辐射的探测主要三种方法“1 ：热辐射探测，时控光导天线和时控电光取样 探测。热辐射探测需要在较低的温度下进行，并且所探测到的信号为t h z 辐射的平均能 量或功率，但经过标定可以做到t h z 辐射功率的绝对测量。在0 1 3 t h z 的频率范围内， 相同的t h z 平均能量和低频调制条件下，对比自由空间电光取样和光导天线对t h z 辐射 的探测发现，频率在3 t h z 以下时，天线探测的信噪比和灵敏度较高。自由空间电光样技 术的优点，是能够实现高达3 7 t h z 的高探测带宽。时控探测相对于热辐射探测，可以压 缩本征热背景噪声，更重要的是，可以探测t h z 电场强度随时间的变化，从而不仅可以 度量t h z 电场的频域光谱，而且还可以获得有关t h z 电场相位变化的信息。 t h z 频谱的应用研究：每种分子都有特定的振动能级和转动能级，对t h z 波产生特定 的吸收。研究生物组织和化学物质的特征谱，能够用来鉴别化学成分。现在已经研究过的 有甲基氯化物和甲基氟化物的t h z 波吸收谱或透射谱、甲烷与空气混合燃烧时火焰的吸 收谱、火焰中的热水蒸汽的吸收谱。虽然目前研究工作进行得不够多，但是己经显示出巨 大的应用潜力，将来可以进行疾病诊断、环境监测、产品质量监控等许多方面的应用5 1 。 t h z 时域谱的应用研究：对相干t h z 波与物质相互作用，通过振幅和相位变化的测量， 可以表征固体、液体和气体材料的电子、晶格振动和化学成分等性质。可以研究材料的吸 收系数、折射率、介电常数、频移等性质。许多对可见光不透明而对x 光完全透明的物 质，可以用t h z 波进行测量。例如t h z 波透过纸张后，振幅和相位均会发生变化，据此 可以计量书本的页数和钞票的张数。把t h z 波的发射和接收在同一器件上制成收发机可 以用来测量距离、传递信息，成为一种通讯工具。利用t h z 波可以透过很多电介质这一 特性，可以应用于安全检查和无损检测玷1 。 t h z 辐射成像技术及其应用： t h z 光谱成像是利用成像系统把成像样品的透射谱或反射谱所记录的信息( 包括振幅 和相位的二维信息) 进行处理和分析，就可以得到样品的t h z 图像。与t h z 时域光谱相比， t h z 成像需要图像处理及扫描控制装置。利用透射扫描或者反射扫描都可以成像，主要 2 1 概述 取决于样品及系统的性质 4 1 0 t h z 波成像技术应用：最初利用t h z 波成像技术研究了塑料封装的集成电路的内部 引线结构和树叶中含水量的分布图像6 1 。随着t h z 技术的发展，t h z 波成像技术受到普 遍重视，现在已经有多种新的成像技术出现和正在进行深入研究6 7 1 。这些成像技术包括： 使用光电导偶极子的t 射线常规成像技术、使用c c d 摄像机的电光t 射线成像技术、使 用单周期脉冲t 射线通过时间反演进行物体重构的成像技术n 1 、利用基尔霍夫( k i r c h h o f f ) 移动的t 射线反射成像技术9 、动态孔径和暗场t 射线成像技术、t 射线计算机断层成 像技术，简称t 射线c t 、t 射线衍射断层成像技术，简称t 射线d t 、t 射线显微镜成 像技术、5 0 m - 2 0 0 m 的t 射线成像技术等等。各种成像技术在扫描方式、信噪比、动态范 围、分辨率、成像所用时间、制造成本、紧凑程度、应用范围和领域各有千秋。其中，t 射线c t 成像技术与x 射线c t 相比，不仅可以获得被测物吸收率的三维分布，而且可以 获得折射率或介电常数的三维分布。有些物体对x 射线完全透明，成像对比度很差，如 对t 射线有一定的透过率，则t 射线成像就可以作为一种有效的补充手段。由于t 射线 光子能量较x 射线光子能量低很多，不会引起光电离和破坏，对生物进行活体检查更安 全。因此，t 射线c t 在医学检查、安全检查、环境监测、食品生产质量监控等许多方面 存在巨大的应用潜力。 其他方面的应用： t h z 技术在生物技术和信息技术领域的应用能够带动高水平的学科交叉研究，无论 在科学问题的解决，还是发展新型应用技术方面，t h z 技术具有广阔的应用前景 1 0 l 。在 生物技术方面，不同生物分子的t h z 光谱表征、脱氧核糖核酸( d n a ) 和蛋白质的无标记 检测、分子反应的测量等方面，己经取得了一些鼓舞人心的进展，吸引了越来越多科研人 员的注意。在信息技术方面t h z 波收发机的原理试验已经开展，人造卫星上搭载的t h z 探测器己成功地绘制了地球上海洋的温度分布图，t h z 技术作为宽带无线通讯的一种手 段也正在研究之中。 1 3t e l z 技术进展 早期人们对t h z 辐射研究的兴趣主要是来源于大气对太赫兹波的强吸收，因此t h z 技术主要是被化学家和天文学家用于研究一些简单分子的转动和振动的光谱性质以及热 发射线。但是在过去的2 0 年中，太赫兹技术己经发生了深刻的变革。随着新的材料技术 提供了新的更高功率的发射源，太赫兹技术己经被证明在更加深入的物理研究以及实际应 用中有着广阔的应用前景。由于和半导体、制药、加工、空间以及国防工业密切相关， t h z 技术成为一个非常有吸引力的研究领域，人们对太赫兹波的研究兴趣与日俱增。现 在世界范围内从事太赫兹科学与技术研究的课题组已超过一百个，其中美国、欧洲、日本 和中国台湾等国家和地区均投入了大量的人力和物力资源。2 0 世纪9 0 年代初，几年内发 表的关于太赫兹波的论文总共只有几十篇，而到2 0 世纪末统计，1 1 年来发表的关于太赫 3 西安理工大学硕士学位论文 兹波的论文超过11 0 0 篇。所研究的问题涉及物理、材料、信息、生物和医学等多个领域。 当然，t h z 技术的发展还面临一些困难。首先，由于大部分生物组织中含有丰富的水 分，而水对t h z 辐射吸收很强n 妇，大大降低了生物样品成像的灵敏度，对含水多的样品不能 成清晰的像，特别是厚的样品不能进行透射成像，这严重限制了t h z 成像在生物医学上的 应用1 。其次，目前大部分采用飞秒激光器所产生的t h z 波的平均能量只有纳瓦数量级， 对于单点探测可以达到1 0 0 0 0 0 或更高的信噪比，但是实时二维成像的信噪比却很低。成像 要获得高的信噪比，需要有更高的能量源。用光导天线辐射的t h z 电磁波能量虽然较强， 但其辐射的t h z 信号带宽太窄。而光整流产生的t h z 辐射带宽较宽，但能量很低。再次， 由于t h z 波的波长较长，限制了t h z 成像系统的空间分辨率，尽管利用“动态孔径”技术大大 提高了空间分辨率，但是要在生物样品( 如生物细胞或生物组织) 上加上一层控制材料是很 困难的。另外，在数据处理方面，提取样品参数的方法还不太成熟，处理过程尽管已经比较 复杂但是仍然有一些问题没有考虑进去( 如散射问题) 。各个实验室处理数据的方法不尽相 同，没有一个成熟的统一的处理方案，处理得到的结果有时存在歧义n 蚰。 近二十年里，太赫兹技术研究在波源器件、太赫兹波探测器和太赫兹波的应用方面， 都取得了一定的进步和发展。目前，世界上许多研究机构相继开展了t h z 技术的深入研 究，并且已取得了很多主要进展，但在国内关于t h z 技术的研究仍处于起步阶段。从现 在t h z 技术的发展面临的困难来看，太赫兹波源器件的研发是太赫兹技术发展的关键。 太赫兹波辐射源技术的发展是推动太赫兹应用技术及相关交叉学科迅速发展的关键所在。 实现一种实用、便捷、成本低的可调谐t h z 波辐射源，将为t h z 技术走向实用化提供条 件。 1 4t h z 波辐射源 由于t h z 波频率范围处于电子学和光子学的交叉区域，因此t h z 波段低端的辐射源 可从微波信号源向更高频率延伸，高端的辐射源可从红外光波向远红外光波扩展。根据 t h z 辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是基于光学方法的t h z 波辐射 源，另一类是基于电子学方法的t h z 波辐射源n 钉。 基于光学方法的t h z 辐射源：( 1 ) t h z 气体激光器，原理是利用一个c 0 2 激光器抽 运一个充有甲烷( c h 4 ) 、氰化氢( h c n ) 或是甲醇( c h 3 0 h ) 等的低气压腔，由于这些气体分子 的转动能级间的跃迁频率处于t h z 波段范围，可以形成t h z 波受激发射。优点是在已知 各种太赫兹辉光放电激励激光器中，t h z 气体激光器激光器具有很高的单一模式输出功 率，这种方法可以获得高达3 0 m w 的输出功率。缺点是这种光源不是连续可调的，通常 需要大的气体腔和上千瓦的能量输入，而且这种激光器需要装有油套冷却系统、体积庞大、 价格昂贵，实际应用受到一定的限制。( 2 ) 利用超短激光脉冲产生t h z 辐射( 光电导激发 机制和光整流效应) 。光电导激发机制，原理是利用超快激光脉冲触发直流偏置下的光电 半导体( 如s i 、g a a s 等半导体) ，因光生载流子在偏置电场作用下加速运动而辐射t h z 电 4 1 概述 磁波。优点是光电导开关作为兼顾脉冲功率和带宽的微波源，在t h z 电磁波的产生方面 以及功率脉冲技术领域具有独特的优势，由于辐射的能量主要来自天线上所加的偏置电场， 可以通过调节外加电场的大小来获得能量较高的太赫兹波。而制作大孔径的光电导天线可 以提高太赫兹波辐射的效率l i e 。缺点是光电导开关t h z 脉冲频谱较宽、时间相干性差， 且不可连续调谐 1 7 , 1 8 3 0 光整流效应，原理是利用非线性光学晶体的非线性光学效应，即利 用激光脉冲( 脉冲宽度在亚皮秒量级) 和非线性介质( 如l i n b 0 3 、l i t a 0 3 、有机晶体d a s t 、 g a a s 和z n r 等) n 9 1 相互作用而产生低频电极化场，此电极化场辐射出t h z 电磁波。优 点是电光晶体中的光学整流过程被认为是产生t h z 辐射的一个直接而又有效的技术。缺 点是光整流发射的太赫兹光束的能量直接来源于激光脉冲的能量，它的转换效率主要依赖 于材料的非线性系数和相位匹配条件，所以能量较低 2 0 1 0 ( 3 ) 耵 z 电磁波参量振荡器， 原理：t h z 电磁波参量振荡器是非线性晶体当中的参量振荡过程，当泵浦激光束入射进 入非线性光学晶体时，非线性晶体受到频率为c o p 的激光泵浦后，即可对频率c o s 的闲频场 和频率为c o t 的信号场提供增益。一旦泵浦激光能量超过其振荡阈值，参量振荡器便有效 地把泵浦激光辐射场能量转变为连续可调谐的闲频光和t h z 波能量输出 2 1 1 0 优点是结构 紧凑、易操作、相干性好、单频宽带可调，并可在室温下运转 2 2 1 0 缺点：由于晶体的转 换效率很低，此辐射源的辐射功率比较低。 基于电子学方法的 z 辐射源：( d t h z 量子级联激光器( q u a n t u mc a s c a d el a s e r s ，q c d ， 原理：q c l 有两个主要特点：首先，它是一种子带间的单极器件，它只利用了电子在不同子 带间的跃迁来辐射出光子，而不考虑空穴的输运；其次，它是一个级联的结构，即有几十甚至 上百多个重复的周期组成，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。q c l 的每个周期可以分为注入区、有源区和弛豫区三部分，注入区把电子从上一个 周期注入到下一个周期，电子在有源区内辐射出光子，同时从高能级跃迁到低能级，最后电 子在弛豫区中被抽取并注入到下一个周期中，重复以上的过程。这样一个电子就可以辐射 出多个光子 2 3 1 。优点：基于半导体的全固态t h z 量子级联激光器由于其能量转换效率高、 体积小、轻便和易集成等优点，成为本领域的研究热点。缺点：q c l 将其波长扩展到太赫 兹波段。在其结构设计以及一些性能优化上将面临很多困难。专家推测，利用 g a a s a 1 g a a s 异质结构半导体材料的太赫兹量子级联激光器可能存在原理上的限制，工 作温度难以达到室温，因此，探讨新的材料和机制非常有必要。( 2 ) 自由电子激光器，原 理：在自由电子激光中，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， 使得电子束振荡并发射光子，反射镜用来把光子限制在电子束内，这里电子束为激光的增 益介质。优点：自由电子激光具有波段可设计性，波长大范围内连续可调，光束质量和波形 结构优良等独特等优点。自由电子激光器和t h z 波气体激光器是目前可以获得太赫兹波 输出功率较高的方法 2 4 1 0 缺点是这种系统的造价昂贵，体积巨大，同时需要精密仪器。 其它t h z 波辐射源：如返波管( b w o ) 、扩展互作用振荡器、绕射辐射器件、固态 直接倍频器、共振隧穿二极管、超晶格电子器件、碰撞雪崩渡越时间二极管、倍频耿氏二 5 西安理工大学硕士学位论文 极管以及肖特基二极管等。 1 5t h z 波参量振荡器 在众多t h z 波辐射源中t h z 波参量振荡器以它独特的优点：准连续方式输出、体积 小、频率连续可调谐，窄线宽( 高单色性) 、高空间和时间相干性，且在室温下工作等特点， 使其走向实用化和商业化成为可能，由于其巨大的发展前景，已经引起研究工作者的极大 兴趣。 1 5 1t h z 波参量振荡器原理 t h z 波参量振荡器辐射t h z 波，利用的是非线性晶体当中的参量振荡过程，这是产 生强相干可调谐红外辐射的重要方法。如图1 2 原理图所示，当泵浦激光束入射进入非线 性光学晶体时，非线性光 学晶体受到频率为国。的 激光泵浦后，即可对频率 彩。的闲频场和频率为坼 的信号场提供增益。如果 将非线性光学晶体放在谐 振腔内，则形成典型的参 量振荡器结构形式。光学 参量振荡器的谐振腔可以 同时对信号场和闲频场共 图1 - 2t h z 波参量振荡器结构示意图 f 远1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h zw a v ep a r a m e t r i co s c i l l a t o rs t r u c t u r e 振，形成双腔振荡器( d i 的) ；也可以对其中一个频率的辐射场共振形成单振荡器( s r o ) 。 在参量放大的增益超过损耗时，器件将达到振荡阈值限，实现对信号场或闲频场的振荡， 而且此时输出的信号场和闲频场具有相干特性。一旦泵浦激光超过阈值，参量振荡器便有 效地把泵浦激光辐射场能量转变为连续可调谐的信号光和闲频光辐射。按照习惯约定，一 般把能量较高的光波称为信号光，另一束光称为闲频光。然而由于在谐振腔当中建立起来 的两个不同频率的光辐射，任何一个光波都可以称为信号光或者闲频光，因此在本文将参 量振荡器辐射的t h z 波作为信号光，而把波长与泵浦光波长接近的1 0 6 5 n m - 1 0 8 0 n m 范 围的光称为闲频光毖1 。 连续可调的t h z 波是泵浦激光与闲频光在非线性光学晶体中进行有效的参量过程产 生，这样的晶体包括l i n b 0 3 ，l i t a 0 3 ，d a s t 和g a p ，它们同时具有红外和拉曼活性。当 泵浦光的激励在非线性光学晶体中足够强时将发生受激极化声子散射，产生闲频光。散射 过程包括二阶和三阶非线性过程，因此，在泵浦光、闲频光和极化声子之间会发生强相互 作用，产生t h z 波。对于l i n b 0 3 晶体，它是能有效产生t h z 波的最合适的一种材料， 6 概连 因为它具有很大的非线性光学系数( d = 2 52p m v ， = l 0 6 4 肿) ，并且在很宽的波长范 围内( 0 4 - 55u m ) 有极好的透明度它还具有4 个红外和拉曼活性的横光学声子模式( 1 u ) ， 这个模式被称为a i 对称模式，而且最低模式( c 0 0 2 5 0c m 2 ) 对于有效调节远红外线的产生 是很有用的因为这种模式既有最大的参量增益又有最小的吸收系数哺1 。 t h z 波参量振荡器产生可调谐n z 波的机理如下：在共振频率区域( 横向极性晶格 振动的声子频率研。附近) 极化声子具有光子特性。在非共振低频区域( 图i - 3 ) 极化声 子具有声子特性，依据能量守恒定律，= 断+ 0 3 。0 ：泵捕光；t ki ：闲频光) ，在这个 区域近红外的泵浦光子( 岫通过参量过程产生了一个t h z 频率的信号光光予( t ) 和近红外 的闲频光光予舢0 。由动量守恒定律k = k + k t ( 可以看出在图1 - 3 中有非线性相位匹配 条件) 可知闲频光和1 h z 波之间有角度色散关系。因此闲频光波在一个光学振荡器中 振荡就能有效地产生连续的t h z 波，并且通过改变泵浦光与闲频光之间的夹角就可完成 t h z 波参量振荡器的连续性和宽带可调性的特点强。 s t i m u l a t e d p o l a r i t o ns c a t t e r i n gf l o w e s t a ，- m o d eo f l i n b 0 3 ) _ _ _ _ j g f 。舻( 一) 哗 碰z l i n e s 荔 缝 国l 一3 极化声子的色散关系，这个基本的激励元是光子与横向光学声于( 0 1 0 ) 相结合产生的。 在低能量区激化声子表现为t h z 波段的光子由于在受激参量过程中满足相位匹配条件和 能量守恒，所以通过控制波失k t 可获得可调的n 妊渡，插图体现了非线性相位匹配条件”。 f i 1 - 3 d i s p e r s i o nr e l a t j o no f t h e p o l a r l t o n , a ne l e m c n t a r je x c i t a t i n n i s g e n e r a t e db y t h ec o m b h 鲥o n o fap h o t o na n da t r a n s v e r s eo p t i c a lp h o n o n 佃) t h ep o a d t o n i n m e l o w - e n e r g yr e g i o nb e h a v e s f i k eap h o t o na tt h zf z * q u = n c y d u et ot h ep h a s e _ m a t c h l q gc o n d i t l o l la sw e l l 越t h ee n e r g y c o n s e r v a t i o n l a w w m c h l l d i n 出es t i m u i n t c dp a r a m c cp r o c e s s , t b e t u n a b l e t h z w a v c i so b t a i n e d b y t h ec o n t r o lo f t h e w a v e v e c t o rk t1 k l t s e ts h o w s m e n o n c 0 1 i n c = p h a s c - m a t c l d n g c o n d i d o n 1 5 本文主要研究内容 西安理工大学硕士学位论文 由于t h z 波在电磁波谱中特殊的位置，其性质表现出一系列不同于其它电磁辐射的 特殊性质。这使t h z 技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及 生物领域中有重要的应用前景，而太赫兹波辐射源技术的发展是推动t h z 应用技术及相 关交叉学科迅速发展的关键所在。在众多t h z 辐射源中t h z 波参量振荡器以它独特的优 点( 准连续方式输出、体积小、频率连续可调谐，窄线宽、高空间和时间相干性，且在室温 下工作等特点) ，使其走向实用化和商业化成为可能，由于其巨大的发展前景，已经引起 研究工作者的极大兴趣。日本理化研究所在t h z 波参量振荡器的研究方面起步