级联差频产生太赫兹波的研究

论文摘要

随着太赫兹（THz）波在无线通讯、生物医学、安全检查、光谱成像等领域的广泛应用,太赫兹辐射源的应用需求也大大提高。利用非线性光学差频产生（DFG）太赫兹波具有高功率、宽调谐、窄线宽、结构简单、室温运转等优点,该方法是产生太赫兹辐射源的一种有效方法。但目前光学方法的量子转化转换效率较低,亟需提高。本文将从级联差频方法提高太赫兹波转换效率方面进行理论研究。本文的主要内容如下:（1）分析周期极化KTiOPO4（KTP）晶体中级联差频产生THz波过程,基于耦合波方程计算THz波的增益和量子转换效率。与非级联过程相比,10阶级联过程的THz波强度增加至5.53倍,量子转换效率达到479.4%,超过了Manly-Rowe限制。（2）研究基于无粘合剂粘结周期极化KTP晶体和LiNbO3晶体光学参量效应产生两组双波长的输出特性。并分析双信号光在光学参量振荡器中同一KTP晶体中级联差频产生THz波的输出特性,与非级联过程相比,4阶级联过程中THz波增益提高至5.56倍,量子转换效率达到259%。同理分析双闲频光在光学参量振荡器中同一LiNbO3晶体中级联差频产生THz波的输出特性,与非级联过程相比,3阶级联过程中THz波强度提高至2.57倍,量子转换效率为106%。二者均超过了Manly-Rowe限制,为产生高效率高功率THz波提供一种有效方法。（3）理论分析基于GaP脊型波导级联差频产生THz波过程。通过计算表明,10阶级联差频过程与非级联差频过程相比,THz波强度提高至5.48倍,量子转换效率为177.9%,突破Manly-Rowe限制。（4）利用非线性极化率理论,研究双轴晶体中波矢在主轴坐标系坐标平面内传播时非线性系数和有效倍频极化系数关系。分析简正模方程在波矢沿双轴晶体主轴坐标系坐标平面内传播的特殊情况,并依据菲涅尔方程说明双轴晶体的吸收特性。（5）研究了基于LiNbO3晶体A1和E对称模在光学参量过程中同时产生两束正交THz波。采用周期极化结构为两模式产生两束正交THz波的相位匹配条件提供微扰,在耦合光学参量过程中实现同时产生四束THz波。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 综述
•   1.1 太赫兹波简介
•   1.2 太赫兹波特性及应用
•     1.2.1 太赫兹波特性
•     1.2.2 太赫兹波的应用
•   1.3 光学差频过程产生太赫兹波发展概述
•   1.4 论文主要内容
• 2 非线性光学差频过程基本理论
•   2.1 二阶非线性光学三波共线互作用理论
•   2.2 差频过程理论分析
•     2.2.1 光学差频过程
•     2.2.2 光学参量过程
•     2.2.3 光学差频过程相位匹配分析
•   2.3 级联光学差频过程产生THz波
•   2.4 本章小结
• 4晶体差频产生THz波的理论研究'>3 基于周期极化KTiOPO₄晶体差频产生THz波的理论研究
•   3.1 准相位匹配技术理论分析
•   3.2 基于PPKTP晶体差频产生THz波概述
•     3.2.1 KTP晶体介绍
•     3.2.2 理论模型
•   3.3 基于PPKTP晶体差频产生THz波的输出特性
•   3.4 本章小结
• 4 基于耦合光学参量振荡器级联差频产生THz波的理论研究
•   4.1 耦合光学参量振荡器中相位匹配理论分析
• 3晶体概述'>  4.2 AFB-KTP和 LiNbO₃晶体概述
•     4.2.1 AFB-KTP晶体介绍
• 3 晶体介绍'>    4.2.2 LiNbO₃晶体介绍
•   4.3 基于AFB-KTP晶体耦合OPO中级联差频产生THz波
•     4.3.1 理论模型
•     4.3.2 相位匹配特性
•     4.3.3 级联差频产生THz波的输出特性
•   4.4 基于PPLN晶体耦合OPO中级联差频产生THz波研究
•     4.4.1 理论模型
•     4.4.2 相位匹配特性
•     4.4.3 级联差频产生THz波的输出特性
•   4.5 本章小结
• 5 GaP脊型波导中级联差频产生THz波的理论研究
•   5.1 GaP脊型波导中差频产生THz的相位匹配分析
•     5.1.1 理论模型
•     5.1.2 脊型波导中相位匹配分析
•   5.2 级联差频产生THz波的输出特性
•   5.3 本章小结
• 6 双轴晶体有效非线性系数及吸收特性研究
•   6.1 双轴晶体相位匹配特性
•     6.1.1 简正模方程
•     6.1.2 单色平面波在各向异性晶体中色散特性
•   6.2 双轴晶体中有效倍频极化系数的计算
•     6.2.1 双轴晶体的点群结构
•     6.2.2 双轴晶体中有效倍频极化系数计算
•   6.3 双轴晶体的吸收特性理论分析
•     6.3.1 菲涅尔方程
•     6.3.2 非线性晶体中折射率和吸收系数理论研究
•   6.4 本章小结
• 7 基于受激电磁耦子散射同时产生多束THz波的理论研究
•   7.1 受激电磁耦子散射
•   7.2 耦合光学参量振荡器的相位匹配特性
•   7.3 受激电磁耦子散射过程非线性光学系数
•   7.4 耦合光学参量振荡器中产生THz波的输出特性
•   7.5 本章小结
• 8 总结与展望
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目目录
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王思磊

导师: 李忠洋

关键词: 太赫兹波,差频产生,光学参量振荡器,级联过程,双轴晶体,准相位匹配

来源: 华北水利水电大学

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: 华北水利水电大学

分类号: O441.4

总页数: 99

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