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基于Cherenkov相位匹配差频的可调谐单频THz辐射源研究

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摘要

第一章 引言

1.1 THz辐射源技术

1.1.1 基于真空电子学方法的THz辐射源

1.1.2 THz量子级联激光器

1.1.3 基于光学方法的THz辐射源

1.2 基于非线性光学方法的单频THz辐射源研究现状

1.2.1 基于光学参量方法的THz辐射源研究现状

1.2.2 基于光学差频方法的THz辐射源研究现状

1.3 基于Cherenkov相位匹配的THz辐射源研究现状

1.4 基于有机非线性晶体的THz辐射源研究现状

1.5 本文的工作

1.5.1 本文的选题背景

1.5.2 本文的组织结构

第二章 基于Oherenkov相位匹配THz产生的基本原理

2.1 Cherenkov相位匹配光学整流的作用机理

2.2 描述Cherenkov相位匹配光学整流的三种理论方法

2.2.1 Green函数法

2.2.2 Fourier变换法

2.2.3 辐射天线方法

2.3 基于Fourier变换方法的Cherenkov光学整流的模型求解

2.4 本章小结

第三章 Cherenkov相位匹配光学整流特性研究

3.1 实际因素影响下的Cherenkov型THz电场分布

3.1.1 介质属性对THz电场空间分布的影响

3.1.2 泵浦光属性对THz电场空间分布的影响

3.2 Cherenkov相位匹配光学整流的定性实验研究

3.3 P偏振Cherenkov相位匹配的理论研究

3.4 本章小结

第四章 基于块状晶体Cherenkov相位匹配差频的理论模型

4.1 Cherenkov相位匹配差频的产生机理

4.2 Cherenkov相位匹配差频的理论模型

4.2.1 方程的求解

4.2.2 输出特性的数值计算

4.2.3 泵浦光束的最优聚焦

4.3 实验方案分析

4.4 本章小结

第五章 基于块状晶体Cherenkov相位匹配差频的实验研究

5.1 走离补偿OPO泵浦的THz差频产生

5.1.1 双波长泵浦源的输出特性研究

5.1.2 Cherenkov相位匹配差频的特性研究

5.2 单谐振OPO泵浦的THz差频产生

5.3 本章小结

第六章 基于平板波导Cherenkov相位匹配差频的理论模型

6.1 Cherenkov相位匹配差频的平板波导理论

6.1.1 模型的解析推导

6.1.2 THz输出特性的数值计算

6.1.3 最优参数设计

6.2 Cherenkov相位匹配差频的耦合模理论

6.2.1 非级联差频的耦合模方程推导

6.2.2 级联差频的能量转换特性分析

6.3 本章小结

第七章 基于有机非线性晶体的超宽调谐THz差频产生

7.1 三种常用有机非线性晶体的性质比较

7.2 反射式双通OPO泵浦DSTMS晶体的THz差频产生

7.2.1 反射式双通OPO泵浦源的特性研究

7.2.2 DSTMS晶体的THz差频特性研究

7.3 本章小结

总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

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摘要

宽调谐单频相干太赫兹(THz)辐射源在高分辨波谱分析等领域具有重要的应用价值。非线性光学差频方法具有低成本、结构简单、室温运转、输出频率范围宽、相干性好等优点,是实现宽调谐单频THz产生的有效途径。一种类似于冲击波的Cherenkov形式,由于自动满足相位匹配,成为THz差频的一种新型匹配方式。目前,国际上对该方法的研究还不够深入。本文从理论和实验两方面对Cherenkov相位匹配的差频THz产生进行了全面探索。近年来,随着有机非线性晶体的发现,基于有机材料的THz辐射源开始受到关注。本文利用国产的有机非线性晶体对超宽调谐THz差频进行了实验研究。
  本文的主要工作和创新点如下:
  1.建立了块状晶体中Cherenkov相位匹配差频的理论模型。利用空间Fourier展开方法求解波动方程,获得了辐射场的解析表达式,解释了Cherenkov差频的作用机理和THz输出特性,并为辐射源性能的改进提供了理论指导。
  2.建立了基于平板波导结构的Cherenkov相位匹配差频理论模型。针对一般的非对称波导结构,求解有源波动方程,分析了几种典型结构的THz输出特性,优化了结构参数,理论上将差频转换效率提高一个数量级。发展了包含泄漏模的波导耦合模理论,进一步提出了在波导中通过Cherenkov相位匹配实现级联差频高效THz产生的新途径,比较分析了级联效应对THz差频的增强效果,为从根本上打破THz差频转换效率的量子极限提供了理论依据。
  3.利用铌酸锂晶体进行了Cherenkov相位匹配差频的实验研究。改进了双波长泵浦源的性能,将Cherenkov差频的输出能量提高至nJ量级;通过对其输入输出特性、输出波束的能量分布和偏振态等方面的测量,并结合所得的理论模型,实现了对该现象更全面的认识。
  4.利用国产有机非线性晶体进行了THz差频的实验研究。比较了DAST、OH1和DSTMS三种晶体的差频特性,利用DSTMS晶体实现了0.88-19.27THz范围的超宽调谐,在2.47mJ泵浦能量下,获得最高脉冲能量85.3nJ(3.8THz),对应峰值功率17.9W。

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