THz波在成像、材料检测、环境监测、通信、天文学、生命科学、国防安全等领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。对太赫兹技术的研究和应用首先应立足于太赫兹辐射源的获得。电子学和光学办法可以有效的产生太赫兹辐射,而基于光学非线性频率变换技术的差频方法可以获得室温运转、宽调谐、高功率、低成本和结构紧凑的相干太赫兹源。本文的主要内容和结构如下:1.从三波互作用的非线性耦合波方程出发,对光学参量振荡过程的能量转移、频率调谐特性等进行了理论分析;在理论计算的基础上进行了KTP参量振荡的实验研究,一是利用电光调Q的脉冲Nd:YAG激光器泵浦的单谐振非临界相位匹配的KTP OPO进行了研究,采用环形腔结构,实现了高效率、高单脉冲能量的人眼安全波段激光输出。实验中1572nm激光最高输出能量为37mJ,光光转换效率为20.06%;二是通过II类相位匹配的近简并点KTP OPO实现了1.06μm附近双波长激光输出,双波长的最高能量为12.9mJ,相应的光光转换效率约为29.8%,这为以后差频产生THz辐射奠定了基础,同时进行了KTP OPG的实验研究,根据实验结果比较,KTP OPO较KTP OPG易获得适合差频产生THz辐射的相干窄带双波长泵浦源。2.通过差频过程的微观动力学分析,讨论了吸收损耗和相位失配对THz转换效率的影响,得出晶体的最佳长度随损耗系数的变化。考虑到晶体的特性参数对THz波的影响,对常用于差频产生THz波辐射的各种非线性晶体的物理、化学和非线性光学特性进行了简单介绍和总结。准相位匹配技术(QPM)可以有效的提高非线性过程的有效非线性系数,最后对QPM的基本原理进行了分析。3.以周期反转GaAs晶体为例,在理论上分析了差频及级联差频在THz波产生中的作用。通过对耦合波方程进行求解,得出了周期反转GaAs晶体中级联差频的最佳泵浦条件和GaAs晶体的最佳长度。根据计算结果,得到了当泵浦光波长在2.1μm附近,强度为50MW/mm2,GaAs晶体长度为3.78mm时,THz波辐射强度为0.283 MW/mm2。进而我们选择级联差频的方式,获得2.84MW/mm2的THz输出,THz的强度增加了近9倍。因此,理论上可以得出,利用周期反转晶体级联差频方法可以实现高效率高能量的THz输出。本章最后对其他周期反转闪锌矿晶体中直接差频和级联差频机理下产生THz辐射进行了理论计算。
