基于MgO:SLN晶体的环形腔太赫兹参量振荡器

基于摩尔分数为1%的氧化镁掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体,采用环形腔结构的浅表垂直出射方式组成太赫兹波参量振荡器。该振荡器的太赫兹波输出调谐范围为0.99～3.84 THz,频率调谐响应时间为600μs。当抽运能量为150.30 mJ、太赫兹频率为1.59 THz时,太赫兹脉冲的输出能量达到最大值,为16.28μJ,对应的能量转换效率为1.08×10^(-4)。在相同的实验条件下,该环形腔结构太赫兹波参量振荡器输出的最大太赫兹波能量是传统线形腔结构的2.35倍,实现了高能量、快速可调谐的太赫兹波输出。

新型内腔太赫兹波参量振荡器的设计与阈值分析(英文)

设计了一种新型的表面辐射内腔太赫兹波参量振荡器,交叉谐振腔结构允许增益介质放置在泵浦光谐振腔内,使用浅表垂直辐射结构能够从铌酸锂晶体中有效耦合输出太赫兹波。推导了在太赫兹波参量振荡器中非共线相位匹配条件下有效参量增益长度的表达式。大的泵浦光尺寸和长的增益介质长度能增加有效参量增益长度。在有效参量增益长度表达式的基础上推导了太赫兹波参量振荡器的阈值表达式,在不同的参数条件下理论分析了谐振腔阈值表达式。大尺寸泵浦光、低频太赫兹波、短谐振腔腔长、斯托克斯光高反射率输出镜、长增益介质能有效降低太赫兹波参量振荡器阈值。文中的阈值分析对太赫兹参量振荡器的实验研究有参考价值。

非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器级联参量过程的研究（英文）

在铌酸锂晶体非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器中观察到了级联光学参量效应。实验中测量到了一阶、二阶和三阶斯托克斯光。通过分析一阶、二阶和三阶斯托克斯光谱发现相邻阶斯托克斯光频率差相等,表明在太赫兹波的产生过程中发生了级联光学参量效应。在高阶级联光学参量过程中,一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子,表明在太赫兹波产生过程中量子转换效率会有效提高。

环形腔2.05μm单谐振KTP晶体光参量振荡器研究

针对大气CO_2浓度探测差分吸收激光雷达的应用需求,采用稳定环形腔和模式匹配设计,搭建了一套单纵模1 064nm激光泵浦的单谐振KTP晶体光参量振荡器,获得高斜率转换效率、基横模的2.05μm波长纳秒激光脉冲输出.在8字形环形行波稳定腔中,将2块II类相位匹配KTP晶体以走离补偿方式放置,在20Hz重复频率下,当泵浦单脉冲能量达到11mJ时,获得了单脉冲能量为2.4mJ的2.05μm信号光输出,脉宽约24ns,斜率效率达到53%.2.05μm信号光光束质量因子在x、y方向分别为1.3和1.2.

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出(英文)

利用一台多纵模调QNd：YAG激光器泵浦的浅表垂直发射太赫兹波参量振荡器参量产生了高功率可调谐太赫兹波辐射。推导了非共线相位匹配条件下的有效参量增益长度以优化太赫兹波参量振荡器参数。实验测得太赫兹波的调谐范围为0．77～2．83THz。当泵浦功率密度为222．3MW／cm2时，在1．78THz处太赫兹波的最大输出能量为347．8nJ／pulse，对应的能量转化效率为3．91x10-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0．0204rad，在水平方向上为0．0068rad。

GaAs参量振荡产生太赫兹波的腔相位匹配研究

基于腔相位匹配的方法,研究了GaAs微片状晶体构成的光学微腔光参量振荡产生太赫兹波的条件与参数设计。计算了腔相位匹配下GaAs晶体的最优化腔长,通过调节GaAs晶体的温度研究了太赫兹波的输出情况,模拟了不同波长下最低的能量阈值。结果表明,在完全相位匹配很难实现的情况下,采用腔相位匹配能很容易地实现大范围的太赫兹波调谐输出。结果为小型化光学太赫兹源的实验与理论研究提供了参考。

基于中红外光参量振荡器光束质量优化的90°像旋转四镜非平面环形谐振腔型设计与分析

为改善中红外光参量振荡器(OPO)激光输出光束质量,设计了一种90°像旋转四镜非平面环形腔型结构.通过建立单位球等效计算方法,对此种特殊腔型结构存在的像旋转角进行计算,并由此确定了适用于中红外OPO运行的90°像旋转谐振腔结构相关参数.在此基础上进一步建立了非对称轴环形腔中光场模式自再现模型,分析得出随着像旋转角由0°向90°变化,谐振腔内光场模式逐渐均匀化,当旋转角为90°时,基模以及高阶模都表现出非常好的中心对称性.基于此采用中红外ZnGeP2 OPO对所设计的腔型参数进行实验测量,实现了光束质量MX2=1.81和MY2=1.61.由此可以证明所设计的90°像旋转四镜非平面环形腔对中红外OPO激光系统的输出光束质量的优化有显著效果.

一种新型太赫兹波参量振荡器调谐技术的研究

本刊讯 武汉光电国家实验室太赫兹光电子学研究团队孙博博士从理论上提出了一种通过连续改变泵浦光波长来实现TPO调谐输出的技术，称之为泵浦波长调谐技术。该调谐技术基本原理为：当泵浦光与振荡的Stokes光之间的相位匹配角为某一固定值时，由于不同波长的泵浦光在非线性晶体中的折射率大小不同，从而会导致三波互作用的非共线相位匹配条件发生改变，此时三波的相位匹配曲线与晶格振动模的电磁耦子色散曲线的相对关系亦将发生变化。

优化级联光学参量振荡产生高功率太赫兹波的研究(特邀)

提出了一种在光学参量振荡器中基于级联光学差频在周期极化铌酸锂晶体中产生高效太赫兹(THz)波的方法。通过优化谐振腔参数,各阶级联Stokes光子在谐振腔内往返振荡,而各阶anti-Stokes光子只能在谐振腔内穿过一次。结合优化差频技术,各阶Stokes光子在谐振腔内每循环一次,级联光的能量向高阶Stokes光子转移一次,经多次重复转移,绝大部分泵浦光子被转移到高阶Stokes光,达到在增强级联Stokes过程的同时抑制级联anti-Stokes过程的效果。在工作温度为100 K,泵浦光强度为10 MW/cm^(2)、信号光强度为0.01 MW/cm^(2)时,THz波的能量转换效率达到21.2%。该转换效率超过了Manley-Rowe关系限制,为产生高效率的脉冲、准连续、连续THz波提供了优化方案。

走离补偿结构的纳秒脉冲光参量振荡器

采用光参量振荡器(OPO)作为差分吸收(IPDA)雷达发射器实现对大气中CO2浓度的主动探测是目前研究的热点,针对双晶体走离补偿结构的纳秒脉冲KTA光参量振荡器进行了详细的研究。将单频脉冲激光器作为泵浦源,采用环形OPO谐振腔设计,两块临界切割KTA晶体走离补偿放置,实现了脉冲重复频率为100 Hz,脉冲宽度为6.8 ns,单脉冲能量为1.43 mJ的1.57μm激光输出,泵浦光-信号光能量转换效率为13.1%,同时对信号光输出功率、光谱的稳定性进行了测量。为实现双波长OPO运转,提出并测量种子注入接收带宽,为下一步的种子注入实验提供设计依据。实验结果表明:稳定环形腔结构的纳秒OPO能够满足IPDA发射器的需要。

用参量法通过LiNbO_3晶体产生太赫兹的理论设计(英文)

按照参量振荡器的基本原理,从理论上设计了一个太赫兹参量振荡器。根据动量守恒、能量守恒条件以及相位匹配条件,应用铌酸锂(LiNbO3)晶体,给出了理论设计过程。画出了频率在太赫兹波段,波长与折射率的关系曲线,分析了太赫兹参量振荡器的非共线相位匹配条件,确定了晶体形状及其切割角、输出太赫兹波的可调谐范围,并画出了晶体为铌酸锂时相应的曲线,根据有效的输出功率,最后设计出最佳的太参量振荡器的结构。

高功率单共振光学参量振荡器的输出特性研究

研究了在高抽运功率下,单共振光学参量振荡器(SRO)腔型对其输出特性的影响。在理论分析的基础上,实验搭建了基于掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体的两镜驻波腔和四镜环形腔SRO。驻波腔SRO的阈值抽运功率为3.2 W,当抽运光功率为14.2 W时,信号光和闲频光功率分别为5.2 W和2.2 W。当抽运光功率大于15 W时,驻波腔SRO输出功率的实测值随抽运光功率的增大而减小,与理论预测偏差较大。环形腔SRO的阈值抽运功率为7.2 W,当抽运光功率为25 W时,信号光和闲频光功率分别为8.1 W和3.6 W。环形腔SRO输出功率的实测值和理论预测基本一致。驻波腔及环形腔SRO输出的信号光在2 h内的功率波动分别优于±2.76%和±2.53%,驻波腔及环形腔SRO输出的闲频光在2 h内的功率波动分别优于±1.24%和±1.19%。驻波腔及环形腔SRO输出信号光的长期频率漂移分别优于±40 MHz及±28 MHz。

光子晶体环形腔的四波长THz滤波器

提出一种基于光子晶体环形腔的四波长THz滤波器,该滤波器在光子晶体结构中引入两个环形腔,且环形腔内部各增加一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱。应用基于时域有限差分法(FDTD)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明通过对内部正方形介质柱的边长、散射介质柱半径以及耦合介质柱半径等结构参数的调节,可以滤出74.813,76.98,78.168和78.883μm四个太赫兹波长。该滤波器性能优良,透过率高、Q值高、信道隔离度大,对于THz技术应用具有重要意义。

一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器

文章提出一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器,在该滤波器的光子晶体环形腔内部引入一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱,基底材料采用折射率n=3.4的硅,晶格常数A为30μm。应用基于FDTD(时域有限差分法)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明,当介质柱半径为5.157 5μm,内部正方形介质柱边长为92μm且其旋转角为6°,散射介质柱半径为5μm时,94.053μm波长的透射率为0.985 56。

Ar^+激光器泵浦的连续光学参量振荡器的环形腔设计

对Ar+激光器产生的514.5nm连续光泵浦的光学参量振荡器(CW-OPO)做了理论分析,从几个方面对非线性晶体KTP、LBO、BBO做了分析比较.最后选择KTP作为参量振荡晶体,采用Ⅱ类非临界相位匹配,可以减少走离效应,并针对所设计的条件计算了KTP晶体的泵浦阈值.为了进一步提高参量光的输出转换效率,采用环形腔进行腔型优化,并合理设计腔内各个器件的参数,理论上可以输出1029nm左右的参量光.

铌酸锂晶体中参量振荡产生高功率可调谐太赫兹波的实验研究

利用一块大体积MgO：LiNbO3晶体,采用浅表垂直出射方式构成太赫兹（THz）波参量振荡器（TPO）,实现了高功率可调谐的THz波输出,调谐范围为0.8-2.8 THz。当抽运功率密度为197.4 MW/cm^2时,在1.73 THz处每个THz脉冲的最大输出能量为173.9 nJ,对应的能量转换效率为2.2×10^-6。实验过程中观察到了一阶和二阶斯托克斯（Stokes）光,一阶Stokes光相对于抽运光的频移等于产生的THz波的频率。

硅棱镜耦合输出THz波参量振荡器的实验研究

利用一块MgO:LiNbO3晶体,采用Si棱镜耦合出射方式构成太赫兹(THz)波参量振荡器,实现了高效可调谐的THz波输出,调谐范围为0.95～2.10THz。在1.80THz处,当泵浦能量为101mJ时,产生的THz波平均功率为580nW,THz波单脉冲能量为58nJ,THz波能量转换效率为5.74×10-7;同时产生的Stokes能量为2.7mJ。实验中,观察到了一阶和二阶Stokes光,一阶Stokes光与泵浦光的频差等于产生的THz波的频率。

基于单共振光学参量振荡器实现近红外到中红外激光输出的实验研究

利用结构紧凑的四镜环形单共振光学参量振荡器(SRO)实现了从近红外到中红外的瓦级单频激光输出。通过优化谐振腔腔镜的曲率半径以及谐振腔腔长,设计了双腰斑的四镜环形谐振腔,在两个腰斑处分别放置光学参量振荡晶体MgO∶PPLN和倍频晶体PPKTP。当单频1064 nm泵浦激光的注入功率为21 W时,得到了2.1 W的1550 nm信号光、1.1 W的775 nm倍频光以及1.7 W的3393 nm闲频激光输出,总光光转换效率为23.3%,5 h内信号光、倍频光、闲频光的功率稳定性(均方根)分别优于2.5%、1.6%、0.8%。本团队研制的单频连续波激光器可以应用于包括压缩态光场和纠缠态光场等非经典光场制备的实验中。

太赫兹辐射产生技术进展

分别就光学技术和电子学技术产生太赫兹波的方法,介绍其产生原理、研发现状和最新进展,重点介绍了光电导、光整流、参量振荡器和太赫兹量子级联激光器。