高平均功率小型化超快THz辐射源

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超快THz技术有望在未来的基础科学研究、国土安全和生物医疗等众多领域发挥重要作用,而紧凑、稳定的高功率超快THz辐射源则是实现这些应用的关键。本论文致力于实现一种体积紧凑、结构简单、成本低廉、运转稳定的高平均功率超快THz辐射源。围绕光学整流方法产生超快THz波过程中诸多影响转换效率的因素,优化了实验系统,依托光子晶体光纤飞秒激光技术,实现了紧凑的高平均功率超快THz辐射源;同时研究了在高功率运转条件下与THz波产生伴生的各种非线性过程,设计了新型的THz发射器。论文主要工作如下:1、详细分析了飞秒激光脉冲通过光学整流在非线性晶体中产生超快THz波过程中各种影响转换效率的因素,使用高功率的全光子晶体光纤飞秒激光系统作为THz波的激发源,采用单级放大结构,充分利用放大级增益光纤的色散效应省掉CPA的脉冲展宽器,缩小了系统的体积,利用SPM效应展宽光谱,获得很窄的脉冲,系统运转稳定。2、系统研究了本征GaP晶体的非线性特性。运用Z-scan方法测量了GaP晶体的非线性折射率系数;首次判定了其在1040 nm飞秒激光泵浦条件下非线性吸收的类型为三光子吸收,测量了其非线性吸收系数;测量了晶体表面飞秒激光损伤阈值;研究了GaP晶体的二次谐波和三次谐波特性。3、搭建紧凑的THz波源,选用3 mm厚的GaP晶体作为发射器,首先使用THz-TDS优化晶体发射角、泵光脉宽、泵浦光斑面积等参数,再使用Golay-cell探测器在室温下测量功率指标,优化后的系统辐射出163μW高平均功率高重复频率的超快THz波,为使用普通光纤飞秒放大器作为泵源结果的25倍。4、利用等效折射率渐变原理设计了具有棱锥型微结构增透层的块状THz发射器,通过实验证明这种发射器对产生的THz波耦合输出效率更高,且微结构面能有效散射剩余泵浦光,利于系统的运转。5、通过调节泵浦光脉冲宽度实现了THz频谱调谐,输出的THz脉冲频谱陡峭,调谐手段非常方便;设计了矩形波导结构的发射器阵列,以实现输出大范围连续可调的超快THz脉冲;以GaP为材质,理论分析和设计了具有光子晶体结构的波导型THz发射器,优化了相位匹配条件,增加了相干长度,并可通过结构的设计实现对THz发射频带的调谐。
摘要第1-4页
ABSTRACT第4-8页
第1章 绪论第8-25页
   ·国内外THz 科学技术发展现状第8-17页
     ·THz 波简介第8-11页
     ·THz 波的应用第11-15页
     ·THz 波应用的技术瓶颈第15-17页
   ·THz 波产生技术第17-18页
   ·高功率THz 波产生技术的研究进展第18-21页
   ·本论文选题意义、研究内容及结构第21-23页
   ·本论文创新点第23-25页
第2章 飞秒激光脉冲光学整流产生超快THz 波第25-42页
   ·光学整流原理第25-26页
   ·光学整流产生超快THz 脉冲的波方程第26-31页
   ·光学整流的相位匹配条件第31-32页
   ·光学整流过程产生THz 波转换效率分析第32-36页
   ·GaP 晶体发射器分析第36-41页
   ·本章小结第41-42页
第3章 飞秒激光脉冲与GaP 晶体发射器作用的非线性研究第42-66页
   ·非线性克尔效应的研究第42-51页
     ·使用Z-scan 方法测量非线性折射率系数原理第43-46页
     ·偏振分辨的非线性折射率参数第46-47页
     ·实验研究第47-51页
   ·多光子吸收特性的研究第51-57页
     ·GaP 在1040 nm 波长条件下的吸收分析第51-53页
     ·实验验证GaP 晶体的非线性吸收性质第53-57页
   ·GaP 晶体表面飞秒激光损伤阈值的实验研究第57-63页
   ·与THz 波产生并存的谐波产生过程第63-65页
   ·本章小结第65-66页
第4章 基于PCF 飞秒激光放大系统的高平均功率超快THz 源第66-91页
   ·飞秒激光技术概述第66-68页
   ·光子晶体光纤飞秒激光技术第68-73页
     ·光子晶体光纤第69-71页
     ·光子晶体光纤飞秒激光第71-72页
     ·呼吸孤子锁模的光子晶体光纤激光器第72-73页
   ·光子晶体光纤飞秒激光放大器第73-76页
   ·光子晶体光纤飞秒激光放大器泵浦的高平均功率THz 源第76-88页
     ·THz 时域频谱系统第76-78页
     ·THz 功率探测技术第78-80页
     ·光子晶体光纤飞秒激光放大器泵浦的高平均功率THz 波源第80-88页
   ·本章小结第88-91页
第5章 具有微棱锥增透层的THz 发射器第91-102页
   ·微棱锥增透层的设计第91-95页
     ·折射率渐变层宽带增透原理第91-92页
     ·微棱锥增透层的设计第92-95页
   ·微棱锥增透层的加工第95-97页
     ·超精密微机械加工技术第95-96页
     ·飞刀法加工微四棱锥第96-97页
   ·具有微棱锥增透层THz 发射器的实验第97-100页
     ·实验装置第97-98页
     ·实验结果分析第98-100页
   ·本章小结第100-102页
第6章 波导型THz 发射器第102-120页
   ·高功率可调谐THz 波导发射器的设计第102-111页
     ·用以提高发射功率的晶体波导发射器第102-108页
     ·频率可调谐的超快THz 发射器第108-111页
   ·波导型GaP 晶体发射器频率调谐实验第111-113页
     ·实验装置第111-112页
     ·实验结果第112-113页
   ·二维光子晶体型波导THz 发射器的设计第113-118页
   ·本章小结第118-120页
第7章 总结与展望第120-125页
   ·总结第120-122页
   ·展望第122-125页
参考文献第125-154页
发表论文和科研情况说明第154-158页
致谢第158页
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