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外腔增强激光非线性频率变换及高效窄线宽太赫兹波的产生

外腔增强激光非线性频率变换及高效窄线宽太赫兹波的产生

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作者：李惟帆天津大学

学位级别：硕士

THz波处于光谱中过渡区域,其不仅在物理、化学生物等基础学科中有着独特的优势,而且在医学、军事通讯等多领域都有着巨大的潜在价值。基于外腔增强技术的THz波差频辐射源能产生高能量,可调谐相干THz波,且能在室温下运转,结构紧凑,有极... 详细信息

THz波处于光谱中过渡区域,其不仅在物理、化学生物等基础学科中有着独特的优势,而且在医学、军事通讯等多领域都有着巨大的潜在价值。基于外腔增强技术的THz波差频辐射源能产生高能量,可调谐相干THz波,且能在室温下运转,结构紧凑,有极大的研究价值。依托国家自然科学基金项目“2μm光纤激光器泵浦的窄线宽m W量级连续THz源”,我们对外腔增强结构差频THz源的各个技术环节分别进行了研究探索,主要分为2μm光纤激光放大系统的搭建,外腔增强环形腔结构的研究,以及THz波导的研究。本论文的主要内容如下:1.介绍了THz波,归纳了THz波的光学和电学产生方法,特点及在多领域的应用,总结了国内外关于外腔增强差频THz源的研究进展,介绍了非线性光学频率变换过程中最重要的相位匹配技术;2.推导描述了非线性频率变换中三波互作用过程。对LBO晶体I类相位匹配倍频进行了理论分析,计算模拟结果为,在θ角为90°,φ角约为11°时,有最大的有效非线性系数约2.64×10-12m/V,基频慢光和倍频快光的走离角分别为0和0.38°,两者能流密度方向互作用角有最小值约为0.27°;3.以LBO晶体I类倍频为基础,对外腔增强环形腔的结构稳定条件进行了探索,推导了模式匹配与阻抗匹配条件,并计算了连续波及脉冲情况下的增强系数,根据环形腔精细度不同,可以得到几十至几百倍的增强;4.对高性能双波长2μm差频THz泵浦源进行搭建并测试,目前第二级预放大后可以获得7.5W的光信号输出,线宽大约在75.1k Hz,相对强度噪声约为-110d B/Hz;5.介绍了一种基于晶体光纤波导结构,周期反转Ga As晶体为纤芯,硫属化合物玻璃为包层的高亮度THz源,并从理论上分析了光波-THz波的能量转换特性,以及产生的THz波聚焦特性。

关键词：非线性频率变换外腔增强光纤放大器太赫兹波导

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太赫兹波段外腔增强激光器及波导光栅的研究

太赫兹波段外腔增强激光器及波导光栅的研究

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作者：王文伯天津大学

学位级别：硕士

太赫兹波在频域上介于微波和远红外之间,处于光谱中的过渡区域。其在军事、通讯、医学等诸多领域存在巨大的潜在价值。本文依托国家自然科学基金项目“2μm光纤激光器泵浦的窄线宽m W量级连续THz源”,对外腔增强结构进行了设计与搭建,并... 详细信息

太赫兹波在频域上介于微波和远红外之间,处于光谱中的过渡区域。其在军事、通讯、医学等诸多领域存在巨大的潜在价值。本文依托国家自然科学基金项目“2μm光纤激光器泵浦的窄线宽m W量级连续THz源”,对外腔增强结构进行了设计与搭建,并以LBO晶体的I类倍频过程为例进行验证,实现了近3.9倍的增强系数,在3W入射光功率的情况下,获得了90m W左右的倍频光输出。同时基于表面等离子体效应,设计出太赫兹波段的波导光栅,并利用时域有限差分法(FDTD)对表面波的传播进行仿真。本论文的主要内容如下:1.介绍了太赫兹波的特性,归纳了太赫兹波在各领域中的应用,阐述了电子学和光子学这两种产生太赫兹波的方法,并总结了关于外腔增强差频太赫兹源的研究进展。2.介绍了增强腔的概念,并对四镜环形腔这种结构展开重点研究,分析了在腔的设计中需要考虑的三个因素,即稳定性条件,阻抗匹配条件以及模式匹配条件。介绍了稳腔的概念,总结了主动稳腔方案中提取误差信号的三种方法,并分别从原理上对其进行了描述。最后,将提取到的误差信号作用到PID自动控制系统得到输出信号,实现对腔长的反馈调节。3.以1064nm激光对LBO晶体的I类倍频过程为例,对四镜环形腔的增强效果进行验证。主要包括入射光偏振态的检测与修正,腔长参数的选择,环形腔结构的具体搭建,以及利用Lase Lock稳腔系统实现腔长的稳定。4.为了克服光子器件存在的衍射极限,实现电磁波在亚波长尺度上的调控,介绍了表面等离子体器件,并利用时域有限差分算法(FDTD)模拟了太赫兹表面波的传播情况。通过改变波导光栅的结构和温度达到了控制表面波传播距离的效果。

关键词：太赫兹非线性频率变换外腔增强表面等离子体

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