CO2激光共线差频产生太赫兹的理论和实验研究.pdf

分类号学号 D200977665
学校代码 10487 密级




博士学位论文


CO2 激光共线差频产生太赫兹的
理论和实验研究




学位申请人:饶志明
学科专业:物理电子学
指导教师:王新兵教授
答辩日期:
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Phologphy in Engineering





Theoretical and Experimental Research on
Collinear Different Frequency Generation THz
with CO2 Laser


Candidate : Rao Zhiming
Major : Physical Electronics
Supervisor : Prof. Wang Xinbing
Co-Supervisor :



Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, P. R. China
October, 2012
独创性声明

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究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集
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日期: 年月日


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不保密□。
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日期: 年月日日期: 年月日
华中科技大学博士学位论文

摘要
太赫兹科学与技术给成像与感测等应用领域和医药、化学与生命科学等基础研究
领域带来深远的影响,而成为近年来热门的研究课题,而对如何获得太赫兹波辐射源
的研究是其关键问题研究之一。获得在常温下稳定运转、相干和可调谐的太赫兹波辐
射源的最有效的方法之一是利用非线性光学差频的方法,通过差频方法产生太赫兹有
着广阔的应用前景。差频方法产生太赫兹的原理是利用两束波长接近的泵浦光在非线
性光学晶体中满足相位匹配时差频产生波长在太赫兹区域的辐射源。而在共线差频时
两束泵浦光的传播方向相同,这样能够有效地使用在晶体中作用的有效面积和长度来
提高产生太赫兹的效率。
本论文基于共线差频原理,以 CO2 激光在非线性晶体中共线差频为研究对象,从
理论上分析周期结构的非线性晶体通过共线差频如何有效产生太赫兹;相比其它激
光,根据 Manley-Rowe 定理,理论上利用输出波长在 10 µm 左右的 CO2 激光差频能
够更有效地产生太赫兹源。从实验方面利用自行搭建的双波长输出、正交偏振、可调
谐的 CO2 激光装置对 GaSe 晶体和周期反转的 GaAs 晶体片堆中共线差频产生太赫兹
进行研究,并逐一展开论述和讨论。论文主要的内容如下:
(1) 理论上从描述光波与物质相互作用的三波耦合方程出发,推导出共线差频中
准相位匹配时产生太赫兹的功率和转换效率的表达式,理论分析 CO2 激光在周期反转
的非线性晶体 GaAs 中产生太赫兹波源转换效率。提出可以利用 CO2 激光进行准相位
匹配共线差频表面辐射产生太赫兹的方法,推导出表面辐射产生太赫兹波源的转换效
率的表达式,并具体提出竖直、倾斜和二维结构的周期性晶体的方案。理论上研究通
过表面辐射提高太赫兹波源功率的方法,计算了共线准相位匹配周期性晶体的周期、
匹配角和太赫兹波长之间的关系,发现随着周期性晶体的周期长度增加,所产生太赫
兹波辐射源的波长增加。
(2) 为了获得共线差频实验中波长可调谐的 CO2 激光,分析了 CO2 气体激光器分
子能级结构,探讨了光栅调谐技术,以此获得可调谐的 CO