第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
太赫兹(THz)波是指频率为 0.1~10THz 的电磁波，对应波长范围为3000-30μm。THz 波介于红外线与微波之间，因此也被称为远红外波(far-infraredwave)或者亚毫米波(submillimeter wave)[1]。目前，许多国家和地区的研究机构都把 THz 波技术及其应用作为战略方向投入大量研究力量。其中，高功率、窄线宽、宽带可调谐的 THz 源是研究的重要方面。THz 波的频谱范围位于微波和光波的交叉区域，因此 THz 波兼具二者的特点。与传统光波辐射相比，THz 波的光子能量更低，而且其光谱信息能够反映物质的许多物理和化学性质；与微波相比，THz 波的频率更高，具有更高的分辨率和更大的带宽。THz 波主要具有以下几方面的特性：(1) 安全性：THz 波的光子能量仅为 meV 量级，对生物体组织进行 THz波成像或波谱测量时，不会对其产生光化电离和光损伤等损害。(2) 穿透性 ：THz 波在有机大分子材料、布料、木材和陶瓷等很多在红外和可见光波段不透明的物质内具有很高的透过率，可以对它们进行穿透成像。(3) 指纹识别特性：许多大分子和极性分子在 THz 波段内具有特征吸收谱，以利用反射或透射波谱就可鉴别不同分子或物质。(4) 宽带性：相比于微波，THz 波的频率更高，作为信息载体时，THz 波能提供更大的带宽和更高的传输速率。(5) 分辨率高：THz 波波长更短，所以比微波的方向性更好，THz 波成像的空间分辨率更高，对精确的定位和测量更加有利。THz 波技术的应用目前主要集中在 THz 成像技术和 THz 波谱技术两方面，在许多基础和应用研究领域如生物医学[2-8]、无损检测[9-15]、环境监测[16]、安全检查及反恐[17, 18]、无线通信[19-21]等方面都具有重大科研价值和应用前景。目前，THz 波的产生方法分为电子学方法和光学方法。电子学方法主要包括真空电子学，自由电子激光器，量子级联激光器等。真空电子学[22-24]可实1THz 以下的电磁波振荡，由于量子效率的限制，更高的频率难以达到。自由电子激光器虽然可以提供高功率的相干 THz 波，但由于存在体积庞大、能耗高、运转条件极端等缺点，限制了其在实际科研中的应用[25]。量子级联激光器可获得 mW 级的相干 THz 波辐射，单其只能在低温条件下工作[26-30]，给实际应用中带来很大不便。电子学振荡器频率转换和高能加速器等电子学手段也可产生低频 THz 波辐射[31]。
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1.2 THz 波参量源的研究进展
具有红外活性和拉曼活性晶体的横向晶格振动模和电磁波相互耦合，形成一种新的耦合状态，被称为电磁耦子(polariton)。电磁耦子同时具有电磁性和机械性，其振动频率位于 THz 波段。强泵浦光在电磁耦子上会发生受激散射现象，在一定相位匹配条件下，受激电磁耦子散射过程将泵浦光子转化为特定色散的 Stokes 光子，并同时产生相应频率的 THz 波。通过一定的耦合输出手段，即得到频率可调谐的 THz 波辐射, 如图 1-1 所示。光波与电磁偶子相互耦合的基本理论研究从上世纪 50 年代黄昆方程的建立开始，晶格振动与电磁波的相互作用 问题引起了学界的关注 ，R.Loudon[59,60]和沈元壤[61]分别提出了受激拉曼散射理论，A. S. Barker[62, 63]发展了多振动模情况下的黄昆方程，C. H. Henry[64]等人建立了低损耗近似下的 SPS参量增益理论，随后于 1970 年，S. S. Sussman[65]推导了适用于高损耗的参量增益表达式，SPS 理论已建立较为完善。实验方面，C. H. Henry[66]等人于 1965 年首先在 GaP 晶体中观测到了自发电磁耦子散射，并指出利用 SPS 获得高功率、相干可调谐远红外辐射的可能。此后十多年中，人们在一些立方晶体（如 GaP[67], GaAs[68]和 KTaO3[69]）、单轴晶体（如 ZnO[70], LiNbO3[71]）和双轴晶体（如 α-HIO3[72]）中也发现了电磁耦子散射现象。斯坦福大学的 P. E. Puthoff 和 S. S. Sussman 等人于同时期利用调 Q 红宝石激光器激发 LiNbO3晶体实现了 SPS，并利用切角耦合的方式获得了 THz 波调谐输出[73,74]。由于受限于 THz 波耦合的问题，基于晶体 SPS 获得连续可调谐 THz 辐射的研究沉寂了很长一段时间。直到 20 世纪 90 年代，日本的 K. Kawase 和 H. Ito 等人提出了几种高效耦合 THz 波的方式，使该技术焕发出新的生机。到目前为止，仍是备受关注的一个热点方向。
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第2章 受激电磁耦子散射与 TPO 振荡阈值理论研究
2.1 引言
基于 MgO:LiNbO3晶体 SPS 的 Si-TPO 能够产生窄线宽、高功率、连续可谐调的相干 THz 波辐射，并具有室温运转、结构紧凑、调谐方便等特点。但 Si-TPO 也有其自身的缺点，第一，Si-TPO 为非共线相位匹配，且相位匹配角较小，泵浦光和 Stokes 光分离困难，限制了其低频端的调谐范围；第二，MgO:LiNbO3晶体损伤阈值较低，但 Si-TPO 振荡阈值较高，在追求 THz 波高功率输出时很容易引起晶体损伤；第三，晶体对 THz 波的吸收系数很大，需尽量减小 THz 波在晶体内的传输距离。为设计高效运转的 Si-TPO，需对MgO:LiNbO3晶体 SPS 过程中的色散、增益等特性进行理论研究，并分析Si-TPO 的振荡阈值特性。本章根据晶体 TO 振动模与电磁波相互作用的理论，推导了双离子晶体中电磁耦子散射的色散方程和 SPS 参量增益表达式。在此基础上推导了 TPO 的阈值表达式，研究了谐振腔各参数对 TPO 振荡阈值的影响。
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2.2 SPS 理论研究
在双原子晶体中，横波的色散曲线分为光学支和声学支，光学支中两种原子振动的相位完全相反，振动中质心保持不变。假如这两种原子所带的电荷相反，这时的光学支振动能够吸收和辐射频率与振动模频率相同的电磁波，这种现象被称为具有红外活性。晶体振动模和电磁波的相互耦合，会引起晶体振动模的色散分布。图 2-1 可以形象化地描述电磁波和振动模在不考虑损耗时的耦合作用。曲线 1 和 3 具有电磁性，他们的斜率分别由低频和高频段的折射率决定，虚线 2表示晶体中的一个光学振动模。考虑格波与电磁波的耦合，格波产生晶体的极化，极化与电磁波相互作用，两种波相互耦合出来新的耦合波模式。当频率远小于晶格振动模，耦合波呈现电磁性，是低频电磁波。在这个频率区域，格波的振动强度可以忽略不计，大部分能量是电磁能。当频率向振动模频率靠近时，(A、B 点之间)，电磁波和格波之间的耦合增强，出现两种波的混合模式，在这个区域，系统的能量既有电磁能，又有机械能，两种能量大致相等。在 B 点以上的频率范围，耦合模式为声学波，是纯的格波模式，大部分能量都为机械能。这种晶体振动模和电磁波的耦合模式被称为电磁耦子(polariton)。
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第 3 章 Si-TPO 特性实验研究 .....35
3.1 引言...........35
.2 Si-TPO 总体实验结构 ..........35
3.2.1 泵浦源 .........36
3.2.2 泵浦光控制单元 ...........36
3.2.3 THz 波产生单元 ............37
3.2.4 数据测量单元 ......38
3.3 Si-TPO 实验研究 .........39
3.4 本章小结 ............53
第 4 章 Si-TPO 提高 THz 波输出效率研究 ...........55
4.1 引言...........55
4.2 Si-TPO 中 THz 波在晶体中的传输 .......55
4.3 泵浦光对 THz 波输出效率的影响 ........60
4.4 晶体安装对 THz 波输出效率的影响 .............65
4.5 本章小结 ............72
第 5 章 泵浦光在 THz 波输出面全反射的 Si-TPO.........73
5.1 引言...........73
5.2 理论分析 ............73
5.3 泵浦光在 THz 波输出面全反射的 Si-TPO.............76
5.3.1 实验结构 .....76
5.3.2 实验结果与分析 ...........77
5.4 PR-Si-TPO 调谐范围的扩展 .........82
5.5 本章小结 ............86
第6章 反射镜调谐 Si-TPO 研究
6.1 引言
实现 Si-TPO 的自动控制快调谐能够极大地方便其在 THz 波谱测量等方面的应用，是推动 Si-TPO 商品化的必要条件。Si-TPO 的自动控制调谐需要利用光学扫描镜等精密仪器实现角度调谐的自动控制，但其所提供的扭矩较小，不足以快速驱动 Stokes 光谐振腔及固定平台(一般质量为几千克，尺寸为几十厘米)的转动。需要设计特殊结构，通过只改变一个反射镜(质量和体积较小，光学扫描镜可以驱动)的角度就可以达到调节相位匹配关系的功能。非共线相位匹配 TPO 的角度调谐主要采取两种方式来实现：一种是泵浦光方向固定，调节 Stokes 光的方向，继而调节相位匹配关系；二是固定 Stokes光的方向不变，通过改变泵浦光的方向，实现相位匹配关系的调节。本章研究Si-TPO 中通过转动一个反射镜的角度，即可实现 Si-TPO 相位匹配关系及输出THz 波频率调谐的技术。利用反射镜和 1:1 望远镜系统实现 PR-Si-TPO 中泵浦光角度的调节。提出一种基于 Porro 棱镜作为角反射器的谐振腔，通过调整输出镜的角度，实现 Si-TPO 中 Stokes 光方向的调节。由于光学扫描镜还在采购中，反射镜的角度暂时还是通过手动调节，本章只对 TPO 自动控制调谐的关键技术进行研究。
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结论
本论文主要研究了 Si-TPO 中减小 THz 波在晶体内的吸收损耗，提高 THz波输出效率的方法，并涉及 THz 波线宽压缩、调谐范围扩展以及 TPO 反射镜调谐方式等方面的研究，主要取得了以下几个方面的创新性成果：
(1) 构建了泵浦光在 THz 波输出面全反射的 Si-TPO，实现了 THz 波输出能量效率在 1.8-2.3THz 范围内 20-50 倍的提升，THz 波调谐范围的高频限由2.5THz 扩展至 3.66THz。根据全反射衰逝波理论得出，Si-TPO 中晶体和棱镜间 0.8μm 的空气隙能够将入射泵浦光在 THz 波输出面的透射能量降低 10-8，而其引起的 THz 波能量损失小于 5%。泵浦光在 THz 输出面全反射时，在 1.8-2.3THz 范围内，THz波输出能量提高了大约 20-50 倍，振荡阈值降低了 10%-34%，调谐范围的高频限由 2.5THz 扩展到 3.66THz，Stokes 光的线宽压缩 70%，从 0.23nm 压缩至0.07nm。研究表明，其级联过程能够对 THz 波输出产生贡献。在 15mJ 的泵浦能量下，2THz 处获得最高 THz 波输出能量为 2.4μJ，峰值功率为 0.3kW，能量转化效率达到 1.6×10-4。
(2) 提出了采用优化泵浦光斑形状、优化晶体位置以及保持晶体的 THz波输出面在调谐过程平行于泵浦光等方式，实现 Si-TPO 输出 THz 波能量数倍的提升。优化泵浦光斑，利用 1mm 狭缝选取大泵浦光斑的中间部分，将直径为2mm 的圆形光斑优化为 y 方向尺寸为 1mm 的长条形光斑，Si-TPO 调谐范围的低频限从 1.15THz 延伸到 0.58THz，相比于直径为 1mm 的圆形光斑，1.2THz处的输出能量提高了 2.5 倍，在泵浦能量为 38mJ 时获得最高的 THz 波输出能量为 2μJ，峰值功率为 0.24kW，能量转化效率为 5.3×10-5；优化晶体的安装位置，使晶体特定位置位于旋转轴处，实现角度调谐过程中泵浦光的晶体出射位置不发生改变，避免了晶体的损伤或额外 THz 波损耗；在调谐过程中始终保持晶体的 THz 波输出面与泵浦光平行，实现了随 THz 波频率增大而增大的 THz 波输出能量提升，1.6THz 附近的能量提升为大约 3.2 倍。
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参考文献（略）