基于三波耦合特性级联差频产生太赫兹波的研究

论文摘要

太赫兹波源在高速无线通信、无损检测和医疗诊断等方面具有重要的应用价值,三波耦合过程通过频率下转换实现差频。级联差频方法具有一个泵浦光光子耗尽产生多个太赫兹光子的特性。它包含一个高强度高频泵浦光与低频信号光,是实现高能量太赫兹辐射源的有效途径。准相位匹配已被证明是差频的有效方法。由于自动满足相位匹配,一种契伦科夫相位匹配形式被提出。本论文研究基于三波耦合特性级联差频产生太赫兹波做出以下几项工作:1.研究级联差频的基本原理。分析GaAs晶体的性质。根据三波耦合方程,分析周期结构砷化镓晶体(GaAs)准相位匹配级联差频产生太赫兹波。结果显示,有效非线性系数与二阶非线性系数比从0至1变化,最大趋于1。泵浦光波长10?m附近产生1 THz太赫兹频率反转周期的变化范围小。随着有效非线性系数、反转周期的增大,太赫兹功率(强度)、效率随之显著增大。GaAs晶体中吸收是太赫兹波源的主要影响因素之一。2.研究周期结构磷化镓(GaP)、GaAs和铌酸锂晶体(PPLN)准相位匹配级联差频产生太赫兹波。分析比较三种晶体的调谐性。高频泵浦光频率540 THz时产生的太赫兹功率,GaP略大于GaAs晶体。GaAs晶体的反转周期最小。PPLN晶体的波矢失配和反转周期的变化范围最小,而输出功率和转换效率最高。研究周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)准相位匹配的宽调谐模型。分析级联差频产生的峰值功率和输出效率,15阶峰值功率3.72 MW,泵浦光总能量到太赫兹辐射能量的转换效率3.72%,相较于非级联差频,输出功率增大至9.5倍。级联过程有助于太赫兹波的产生。吸收是太赫兹波源的重大影响因素之一。3.提出将契伦科夫型准相位匹配级联差频用以产生太赫兹波。利用周期结构PPLN晶体,准相位匹配与契伦科夫相位匹配结合继续减小波矢失配。推导耦合模模型,级联差频增大光子转换效率,14阶级联斯托克斯过程的最大光子转换效率1154.2%。注入的泵浦光功率50 MW,相较于无契伦科夫相位匹配,光子转换效率增大1.9倍。研究结果为获得高能量太赫兹波源的实验方法提供较好的方案。4.设计一种基于Nd:YAG激光器共线差频产生太赫兹波的方案。分析多周期结构PPLN晶体差频,实现高能量可调谐太赫兹波源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 基于光学差频方法的太赫兹波源
•   1.2 基于相位匹配技术的太赫兹波源研究
•     1.2.1 基于准相位匹配方法的太赫兹波源
•     1.2.2 基于契伦科夫相位匹配方法的太赫兹波源
•   1.3 基于级联差频方法的太赫兹波源
•     1.3.1 基于级联差频方法的太赫兹波源基本理论
•     1.3.2 基于级联差频方法的太赫兹波源研究现状
•   1.4 本文的工作内容
• 第二章 级联差频产生太赫兹波的研究
•   2.1 级联差频的基本过程
•   2.2 周期反转Ga As晶体的性质分析
•   2.3 级联差频Ga As晶体产生太赫兹波的分析
•     2.3.1 级联差频的功率转换特性
•     2.3.2 晶体吸收对太赫兹波源的影响
•   2.4 本章小结
• 第三章 三种常用晶体级联差频产生太赫兹波的对比分析
•   3.1 太赫兹波的调谐特性
•     3.1.1 晶体波矢失配的影响
•     3.1.2 晶体的反转周期
•     3.1.3 差频产生太赫兹功率的分析
•   3.2 MgO:PPLN晶体中太赫兹波源的影响因素
•     3.2.1 输出功率的近似计算
•     3.2.2 MgO:PPLN晶体吸收因子的影响
•     3.2.3 太赫兹波输出特性的分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于契伦科夫型准相位匹配PPLN级联差频的研究
•   4.1 契伦科夫型准相位匹配级联差频的基本原理
•   4.2 契伦科夫型准相位匹配级联差频的耦合模理论
•     4.2.1 非级联差频的耦合模方程推导
•     4.2.2 级联差频光子转换效率的动态分析
•   4.3 契伦科夫型准相位匹配级联差频的耦合模模型
•   4.4 级联差频耦合模理论的能量转换特性分析
•     4.4.1 波矢失配的产生机理
•     4.4.2 产生特性的计算
•     4.4.3 三种频率产生特性的比较
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于多周期结构晶体差频获得太赫兹辐射源的方案设计
•   5.1 基于多周期结构晶体差频的理论研究
•     5.1.1 差频的耦合波方程
•     5.1.2 多周期PPLN晶体的光学特性
•     5.1.3 设计方案的分析
•   5.2 基于Nd:YAG激光器多周期结构差频的理论模型
•     5.2.1 基于Nd:YAG激光器系统的装置
•     5.2.2 模型的特性研究
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间公开发表论文（著）及科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄俊滔

导师: 谢芳森,饶志明

关键词: 级联差频,准相位匹配,契伦科夫相位匹配,周期极化晶体,三波耦合过程

来源: 江西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 江西师范大学

分类号: O441.4

DOI: 10.27178/d.cnki.gjxsu.2019.000482

总页数: 54

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