本文主要研究内容
作者臧婕（2019）在《太赫兹参量源空间强度分布与KTA晶体Stokes参量振荡器的研究》一文中研究指出：近些年来,太赫兹波被广泛应用到反恐安检、食品和药品检验、医学成像等领域,太赫兹辐射源的研究也引起了人们的重点关注,对太赫兹波辐射源的研究也变得越发的重要。基于非线性晶体频率转化的太赫兹波参量源,具有可调谐范围广、峰值功率高、可以在室温下工作、时间和空间相干性好、操作简单、结构紧凑等特点,因而得到了广泛的研究。太赫兹波参量源的原理是受激电磁耦子散射,当具有一定强度的激光入射到同时具有红外活性和拉曼活性的横向光学(transverse optical,TO)声子模的非线性晶体中,激光与该横向光学声子模相互耦合,产生斯托克斯(Stokes)光子和电磁耦子(Polariton),电磁耦子在小波矢处可以产生太赫兹波辐射。因为太赫兹波的折射率和色散较大,所以太赫兹波参量源采用非共线相位匹配,改变非共线相位匹配角度可以获得不同波长的Stokes激光和不同频率的太赫兹波输出,因此,太赫兹波参量源可以用于产生可调谐的太赫兹辐射波和可调谐的近红外Stokes光。能够产生受激电磁耦子散射的晶体必须同时具有红外活性和拉曼活性,目前已知的可发生受激电磁耦子散射的晶体种类较少,最为常用的太赫兹波参量源介质是铌酸锂(LiNbO3)晶体,对基于LiNb03晶体的太赫兹波参量源的太赫兹波输出能量和频率特性研究有很多。近年来,其它新型太赫兹参量源晶体也开始进入人们的视野,例如:磷酸钛氧钾晶体(KTiPO4,KTP)和砷酸钛氧钾晶体(KTiOAsO4,KTA)。但是已报道的新型晶体太赫兹波参量源的研究数量有限,对新型晶体可调谐Stokes激光特性的研究尚不完善,对KTA晶体中参与受激电磁耦子散射的TO声子模的红外强度和介电常数的研究更是缺乏。本文对基于KTA晶体的Stokes参量振荡器的Stokes激光的调谐特性进行了实验研究,并对KTA晶体的介电常数进行了计算。耦合波方程是定量分析受激电磁耦子散射特性的常用工具,散射过程中三波通过非线性极化相互耦合,实现三波混频,同时,非线性极化强度又受到TO声子模的影响,因此,研究受激电磁耦子散射的非线性极化强度对于求解耦合波方程、阐述光波与TO声子模之间的作用机制具有重要的意义。此前对受激电磁耦子散射的耦合波理论研究都是建立在忽略非共线导致的太赫兹波的走离、忽略泵浦消耗的小信号近似下,对太赫兹波和Stokes光的小信号增益特性进行了描述。随着高峰值功率激光技术、新型晶体材料和太赫兹探测器件的快速发展,太赫兹参量源取得了巨大的进步,转化效率也得到了大幅提升,已有小信号增益不再适合描述高转化效率的太赫兹波参量源。而且已有理论没有考虑非共线相位匹配条件下的太赫兹波的走离,所以没有研究过非共线相位匹配对太赫兹参量源的空间强度分布的影响。本文对高转化效率下的种子注入式太赫兹参量产生器(injection seed terahertz parametric generation,is-TPG)的空间强度分布进行了数值计算和实验探究,并利用数值仿真结果对is-TPG的参数进行了优化。具体研究内容如下:1.对基于KTA晶体的可调谐Stokes激光进行了研究。首先,利用基于KTA晶体的Stokes参量振荡器实现了可调谐Stokes激光的输出,对Stokes光的波长调谐特性、能量调谐特性进行了实验探究。当泵浦光与Stokes光的夹角从1.875°变化到6.500°时,获得了 1077.9 nm到1088.4 nm的可调谐近红外Stokes激光,最大输出能量33.9 mJ,波长1078.6 nm。同时发现了 Stokes光调谐过程中出现了 1079.0 nm-1080.1 nm、1080.8 nm-1082.8 nm、1083.6 nm-1085.5 nm、1085.8 nm-1086.8 nm的四个波长间断空隙。然后,利用LiB305(LBO)晶体对Stokes光进行腔内倍频,获得了可调谐的539.0 nm到544.2 nm的绿光输出,最大输出能量的绿光波长为543.8 nm,最大输出能量为15.7 mJ。2.利用实验测得的Stokes光的调谐特性对KTA晶体的介电常数进行了研究,通过曲线拟合,首次获得到了 KTA晶体的横向光学声子模的红外强度、高频介电常数与电磁耦子的色散关系,并且利用KTA的电磁耦子色散关系对Stokes激光波长调谐过程中的空隙进行了解释。3.对is-TPG的空间强度分布进行了理论研究。从麦克斯韦方程组和能量密度矩阵方程出发,推导出了受激电磁耦子散射的非线性极化强度表达式和光强形式的耦合波方程理论模型。利用四阶龙格-库塔法对耦合波方程进行数值求解,首次得到了高转化效率的is-TPG中三波的空间强度分布。分别对矩形泵浦脉冲和高斯型泵浦脉冲两种情况进行了仿真计算,对不同泵浦能量、不同Stokes种子光功率、不同通光长度下的三波的空间强度进行了分析,得到了非共线相位匹配下,泵浦光和Stokes光的横向(y轴方向)空间强度分布的特征,以及太赫兹波强度在泵浦光通光方向(x轴方向)的空间分布特征。4.对基于MgO:LiNb03晶体的is-TPG的空间强度分布进行了实验研究。对is-TPG的泵浦光、Stokes光和太赫兹波的空间强度分布进行了研究,实验所用is-TPG系统由波长1064.2 nm的调Q脉冲激光、波长1070.0 nm的连续波种子光和MgO:LiNbO3晶体组成。采用了两块MgO:LiNb03晶体分别对三波的空间分布进行了测量,其中,采用直条状晶体测量了剩余泵浦光和输出Stokes光的强度分布,采用垂直晶体表面发射的梯形晶体对输出太赫兹波的空间强度分布进行了逐点探测。在不同泵浦能量、不同Stokes种子光功率、不同通光长度下,得到了泵浦光和Stokes光的横向空间强度分布的特征,以及太赫兹波强度在泵浦通光方向的空间分布特征。实验测得的空间强度分布与耦合波方程数值计算结果相吻合,证明了耦合波方程数值仿真计算方法的正确性和可靠性。5.利用数值仿真方法对is-TPG的参数进行了优化。利用耦合波方程的数值求解,分别对高损耗低增益、高增益低损耗、高增益高损耗情况下的is-TPG中三波的空间强度分布和输出强度分布的状况进行数值仿真,从中归纳出高损耗下的晶体横向尺寸、高增益下的太赫兹波输出位置的优化建议。对不同Stokes种子光功率密度、不同作用距离的情况,给出了实现泵浦光最高利用效率的优化方法。本论文的主要创新点如下:1.对KTA晶体受激电磁耦子散射产生的Stokes光的调谐特性进行了详细的实验研究。通过改变Stokes参量振荡器中泵浦光与Stokes谐振腔之间的夹角,改变Stokes光的输出波长,获得了 1077.9 nm-1088.4 nm的可调谐Stokes光的输出,最大输出能量33.9 mJ,对应波长 1078.6 nm。2.首次利用倍频晶体LBO晶体对基于受激电磁耦子散射的KTA可调谐Stokes激光进行了腔内倍频,获得了 539.0 nm-544.2 nm的可调谐的绿光输出,最大输出能量15.7 mJ,绿光输出波长为543.8 nm。3.首次得到了 KTA晶体中TO声子振动模的红外强度Sj和电磁耦子的色散关系。利用KTA晶体的介电常数表达式对可调谐Stokes激光的色散关系进行拟合,从而推出KTA晶体的红外强度系数和高频介电常量,为更清晰更深入地了解KTA电磁耦子散射特性提供了理论辅助。首次对KTA的Stokes激光在波长调谐过程中出现的四个波长间隙进行了解释。4.首次在考虑泵浦光消耗的情况下,计算求得了受激电磁耦子散射耦合波方程的数值解。利用四阶龙格-库塔法对耦合波方程进行了数值计算,对时间和空间离散单元进行迭代计算,获得了 is-TPG的空间强度分布、输出能量密度分布和脉冲时间分布。5.首次对基于LiNbO3晶体的is-TPG的空间强度分布进行了实验探究。在垂直表面发射的梯形LiNbO3晶体的底边逐点测量太赫兹波的输出强度,以此获得了太赫兹波沿x轴的空间强度分布。实验所测三波的空间强度分布证明了耦合波方程数值解算法的正确性与合理性。6.利用受激电磁散射的耦合波方程对高损耗低增益、高增益低损耗、高增益高损耗这三种情况下三波的空间强度分布进行数值仿真,从中总结出is-TPG中三波在不同增益和损耗情况下的空间强度分布规律,并对高损耗下的晶体横向尺寸、高增益下的太赫兹波输出位置提供优化指导。
Abstract
jin xie nian lai ,tai he ci bo bei an fan ying yong dao fan kong an jian 、shi pin he yao pin jian yan 、yi xue cheng xiang deng ling yu ,tai he ci fu she yuan de yan jiu ye yin qi le ren men de chong dian guan zhu ,dui tai he ci bo fu she yuan de yan jiu ye bian de yue fa de chong yao 。ji yu fei xian xing jing ti pin lv zhuai hua de tai he ci bo can liang yuan ,ju you ke diao xie fan wei an 、feng zhi gong lv gao 、ke yi zai shi wen xia gong zuo 、shi jian he kong jian xiang gan xing hao 、cao zuo jian chan 、jie gou jin cou deng te dian ,yin er de dao le an fan de yan jiu 。tai he ci bo can liang yuan de yuan li shi shou ji dian ci ou zi san she ,dang ju you yi ding jiang du de ji guang ru she dao tong shi ju you gong wai huo xing he la man huo xing de heng xiang guang xue (transverse optical,TO)sheng zi mo de fei xian xing jing ti zhong ,ji guang yu gai heng xiang guang xue sheng zi mo xiang hu ou ge ,chan sheng si tuo ke si (Stokes)guang zi he dian ci ou zi (Polariton),dian ci ou zi zai xiao bo shi chu ke yi chan sheng tai he ci bo fu she 。yin wei tai he ci bo de she she lv he se san jiao da ,suo yi tai he ci bo can liang yuan cai yong fei gong xian xiang wei pi pei ,gai bian fei gong xian xiang wei pi pei jiao du ke yi huo de bu tong bo chang de Stokesji guang he bu tong pin lv de tai he ci bo shu chu ,yin ci ,tai he ci bo can liang yuan ke yi yong yu chan sheng ke diao xie de tai he ci fu she bo he ke diao xie de jin gong wai Stokesguang 。neng gou chan sheng shou ji dian ci ou zi san she de jing ti bi xu tong shi ju you gong wai huo xing he la man huo xing ,mu qian yi zhi de ke fa sheng shou ji dian ci ou zi san she de jing ti chong lei jiao shao ,zui wei chang yong de tai he ci bo can liang yuan jie zhi shi ni suan li (LiNbO3)jing ti ,dui ji yu LiNb03jing ti de tai he ci bo can liang yuan de tai he ci bo shu chu neng liang he pin lv te xing yan jiu you hen duo 。jin nian lai ,ji ta xin xing tai he ci can liang yuan jing ti ye kai shi jin ru ren men de shi ye ,li ru :lin suan tai yang jia jing ti (KTiPO4,KTP)he shen suan tai yang jia jing ti (KTiOAsO4,KTA)。dan shi yi bao dao de xin xing jing ti tai he ci bo can liang yuan de yan jiu shu liang you xian ,dui xin xing jing ti ke diao xie Stokesji guang te xing de yan jiu shang bu wan shan ,dui KTAjing ti zhong can yu shou ji dian ci ou zi san she de TOsheng zi mo de gong wai jiang du he jie dian chang shu de yan jiu geng shi que fa 。ben wen dui ji yu KTAjing ti de Stokescan liang zhen dang qi de Stokesji guang de diao xie te xing jin hang le shi yan yan jiu ,bing dui KTAjing ti de jie dian chang shu jin hang le ji suan 。ou ge bo fang cheng shi ding liang fen xi shou ji dian ci ou zi san she te xing de chang yong gong ju ,san she guo cheng zhong san bo tong guo fei xian xing ji hua xiang hu ou ge ,shi xian san bo hun pin ,tong shi ,fei xian xing ji hua jiang du you shou dao TOsheng zi mo de ying xiang ,yin ci ,yan jiu shou ji dian ci ou zi san she de fei xian xing ji hua jiang du dui yu qiu jie ou ge bo fang cheng 、chan shu guang bo yu TOsheng zi mo zhi jian de zuo yong ji zhi ju you chong yao de yi yi 。ci qian dui shou ji dian ci ou zi san she de ou ge bo li lun yan jiu dou shi jian li zai hu lve fei gong xian dao zhi de tai he ci bo de zou li 、hu lve beng pu xiao hao de xiao xin hao jin shi xia ,dui tai he ci bo he Stokesguang de xiao xin hao zeng yi te xing jin hang le miao shu 。sui zhao gao feng zhi gong lv ji guang ji shu 、xin xing jing ti cai liao he tai he ci tan ce qi jian de kuai su fa zhan ,tai he ci can liang yuan qu de le ju da de jin bu ,zhuai hua xiao lv ye de dao le da fu di sheng ,yi you xiao xin hao zeng yi bu zai kuo ge miao shu gao zhuai hua xiao lv de tai he ci bo can liang yuan 。er ju yi you li lun mei you kao lv fei gong xian xiang wei pi pei tiao jian xia de tai he ci bo de zou li ,suo yi mei you yan jiu guo fei gong xian xiang wei pi pei dui tai he ci can liang yuan de kong jian jiang du fen bu de ying xiang 。ben wen dui gao zhuai hua xiao lv xia de chong zi zhu ru shi tai he ci can liang chan sheng qi (injection seed terahertz parametric generation,is-TPG)de kong jian jiang du fen bu jin hang le shu zhi ji suan he shi yan tan jiu ,bing li yong shu zhi fang zhen jie guo dui is-TPGde can shu jin hang le you hua 。ju ti yan jiu nei rong ru xia :1.dui ji yu KTAjing ti de ke diao xie Stokesji guang jin hang le yan jiu 。shou xian ,li yong ji yu KTAjing ti de Stokescan liang zhen dang qi shi xian le ke diao xie Stokesji guang de shu chu ,dui Stokesguang de bo chang diao xie te xing 、neng liang diao xie te xing jin hang le shi yan tan jiu 。dang beng pu guang yu Stokesguang de ga jiao cong 1.875°bian hua dao 6.500°shi ,huo de le 1077.9 nmdao 1088.4 nmde ke diao xie jin gong wai Stokesji guang ,zui da shu chu neng liang 33.9 mJ,bo chang 1078.6 nm。tong shi fa xian le Stokesguang diao xie guo cheng zhong chu xian le 1079.0 nm-1080.1 nm、1080.8 nm-1082.8 nm、1083.6 nm-1085.5 nm、1085.8 nm-1086.8 nmde si ge bo chang jian duan kong xi 。ran hou ,li yong LiB305(LBO)jing ti dui Stokesguang jin hang qiang nei bei pin ,huo de le ke diao xie de 539.0 nmdao 544.2 nmde lu guang shu chu ,zui da shu chu neng liang de lu guang bo chang wei 543.8 nm,zui da shu chu neng liang wei 15.7 mJ。2.li yong shi yan ce de de Stokesguang de diao xie te xing dui KTAjing ti de jie dian chang shu jin hang le yan jiu ,tong guo qu xian ni ge ,shou ci huo de dao le KTAjing ti de heng xiang guang xue sheng zi mo de gong wai jiang du 、gao pin jie dian chang shu yu dian ci ou zi de se san guan ji ,bing ju li yong KTAde dian ci ou zi se san guan ji dui Stokesji guang bo chang diao xie guo cheng zhong de kong xi jin hang le jie shi 。3.dui is-TPGde kong jian jiang du fen bu jin hang le li lun yan jiu 。cong mai ke si wei fang cheng zu he neng liang mi du ju zhen fang cheng chu fa ,tui dao chu le shou ji dian ci ou zi san she de fei xian xing ji hua jiang du biao da shi he guang jiang xing shi de ou ge bo fang cheng li lun mo xing 。li yong si jie long ge -ku da fa dui ou ge bo fang cheng jin hang shu zhi qiu jie ,shou ci de dao le gao zhuai hua xiao lv de is-TPGzhong san bo de kong jian jiang du fen bu 。fen bie dui ju xing beng pu mai chong he gao si xing beng pu mai chong liang chong qing kuang jin hang le fang zhen ji suan ,dui bu tong beng pu neng liang 、bu tong Stokeschong zi guang gong lv 、bu tong tong guang chang du xia de san bo de kong jian jiang du jin hang le fen xi ,de dao le fei gong xian xiang wei pi pei xia ,beng pu guang he Stokesguang de heng xiang (yzhou fang xiang )kong jian jiang du fen bu de te zheng ,yi ji tai he ci bo jiang du zai beng pu guang tong guang fang xiang (xzhou fang xiang )de kong jian fen bu te zheng 。4.dui ji yu MgO:LiNb03jing ti de is-TPGde kong jian jiang du fen bu jin hang le shi yan yan jiu 。dui is-TPGde beng pu guang 、Stokesguang he tai he ci bo de kong jian jiang du fen bu jin hang le yan jiu ,shi yan suo yong is-TPGji tong you bo chang 1064.2 nmde diao Qmai chong ji guang 、bo chang 1070.0 nmde lian xu bo chong zi guang he MgO:LiNbO3jing ti zu cheng 。cai yong le liang kuai MgO:LiNb03jing ti fen bie dui san bo de kong jian fen bu jin hang le ce liang ,ji zhong ,cai yong zhi tiao zhuang jing ti ce liang le sheng yu beng pu guang he shu chu Stokesguang de jiang du fen bu ,cai yong chui zhi jing ti biao mian fa she de ti xing jing ti dui shu chu tai he ci bo de kong jian jiang du fen bu jin hang le zhu dian tan ce 。zai bu tong beng pu neng liang 、bu tong Stokeschong zi guang gong lv 、bu tong tong guang chang du xia ,de dao le beng pu guang he Stokesguang de heng xiang kong jian jiang du fen bu de te zheng ,yi ji tai he ci bo jiang du zai beng pu tong guang fang xiang de kong jian fen bu te zheng 。shi yan ce de de kong jian jiang du fen bu yu ou ge bo fang cheng shu zhi ji suan jie guo xiang wen ge ,zheng ming le ou ge bo fang cheng shu zhi fang zhen ji suan fang fa de zheng que xing he ke kao xing 。5.li yong shu zhi fang zhen fang fa dui is-TPGde can shu jin hang le you hua 。li yong ou ge bo fang cheng de shu zhi qiu jie ,fen bie dui gao sun hao di zeng yi 、gao zeng yi di sun hao 、gao zeng yi gao sun hao qing kuang xia de is-TPGzhong san bo de kong jian jiang du fen bu he shu chu jiang du fen bu de zhuang kuang jin hang shu zhi fang zhen ,cong zhong gui na chu gao sun hao xia de jing ti heng xiang che cun 、gao zeng yi xia de tai he ci bo shu chu wei zhi de you hua jian yi 。dui bu tong Stokeschong zi guang gong lv mi du 、bu tong zuo yong ju li de qing kuang ,gei chu le shi xian beng pu guang zui gao li yong xiao lv de you hua fang fa 。ben lun wen de zhu yao chuang xin dian ru xia :1.dui KTAjing ti shou ji dian ci ou zi san she chan sheng de Stokesguang de diao xie te xing jin hang le xiang xi de shi yan yan jiu 。tong guo gai bian Stokescan liang zhen dang qi zhong beng pu guang yu Stokesxie zhen qiang zhi jian de ga jiao ,gai bian Stokesguang de shu chu bo chang ,huo de le 1077.9 nm-1088.4 nmde ke diao xie Stokesguang de shu chu ,zui da shu chu neng liang 33.9 mJ,dui ying bo chang 1078.6 nm。2.shou ci li yong bei pin jing ti LBOjing ti dui ji yu shou ji dian ci ou zi san she de KTAke diao xie Stokesji guang jin hang le qiang nei bei pin ,huo de le 539.0 nm-544.2 nmde ke diao xie de lu guang shu chu ,zui da shu chu neng liang 15.7 mJ,lu guang shu chu bo chang wei 543.8 nm。3.shou ci de dao le KTAjing ti zhong TOsheng zi zhen dong mo de gong wai jiang du Sjhe dian ci ou zi de se san guan ji 。li yong KTAjing ti de jie dian chang shu biao da shi dui ke diao xie Stokesji guang de se san guan ji jin hang ni ge ,cong er tui chu KTAjing ti de gong wai jiang du ji shu he gao pin jie dian chang liang ,wei geng qing xi geng shen ru de le jie KTAdian ci ou zi san she te xing di gong le li lun fu zhu 。shou ci dui KTAde Stokesji guang zai bo chang diao xie guo cheng zhong chu xian de si ge bo chang jian xi jin hang le jie shi 。4.shou ci zai kao lv beng pu guang xiao hao de qing kuang xia ,ji suan qiu de le shou ji dian ci ou zi san she ou ge bo fang cheng de shu zhi jie 。li yong si jie long ge -ku da fa dui ou ge bo fang cheng jin hang le shu zhi ji suan ,dui shi jian he kong jian li san chan yuan jin hang die dai ji suan ,huo de le is-TPGde kong jian jiang du fen bu 、shu chu neng liang mi du fen bu he mai chong shi jian fen bu 。5.shou ci dui ji yu LiNbO3jing ti de is-TPGde kong jian jiang du fen bu jin hang le shi yan tan jiu 。zai chui zhi biao mian fa she de ti xing LiNbO3jing ti de de bian zhu dian ce liang tai he ci bo de shu chu jiang du ,yi ci huo de le tai he ci bo yan xzhou de kong jian jiang du fen bu 。shi yan suo ce san bo de kong jian jiang du fen bu zheng ming le ou ge bo fang cheng shu zhi jie suan fa de zheng que xing yu ge li xing 。6.li yong shou ji dian ci san she de ou ge bo fang cheng dui gao sun hao di zeng yi 、gao zeng yi di sun hao 、gao zeng yi gao sun hao zhe san chong qing kuang xia san bo de kong jian jiang du fen bu jin hang shu zhi fang zhen ,cong zhong zong jie chu is-TPGzhong san bo zai bu tong zeng yi he sun hao qing kuang xia de kong jian jiang du fen bu gui lv ,bing dui gao sun hao xia de jing ti heng xiang che cun 、gao zeng yi xia de tai he ci bo shu chu wei zhi di gong you hua zhi dao 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的臧婕，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于太赫兹参量振荡器论文,受激电磁耦子散射论文,空间强度分布论文,非共线相位匹配论文,可调谐斯托克斯光论文,耦合波方程论文,晶体论文,晶体论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：太赫兹参量振荡器论文; 受激电磁耦子散射论文; 空间强度分布论文; 非共线相位匹配论文; 可调谐斯托克斯光论文; 耦合波方程论文; 晶体论文; 山东大学2019-07-16论文;