基于PPLN晶体和双波长光纤激光器的可调谐THz辐射

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太赫兹波具有很多独特性质,如宽带性、互补性、瞬态性、相干性等。在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,以及国防技术领域都带来了比较深远的影响。因此,THz科学与技术成为最近几年比较热门的研究课题。目前,THz有众多热门且有实际应用价值的研究方向,包括THz辐射源、THz隐身以及THz波导等研究。其中,怎样才能获得可调谐的THz辐射源是THz科学与技术研究的关键性问题。经过许多人的实验研究验证,非线性光学差频获得THz波辐射的方法是一种比较理想的方法,其优点是能够在常温下稳定运转且输出可调谐和相干的THz波。非线性光学差频方法产生THz辐射的原理是由两束波长接近、相干性好的激光通过非线性晶体在满足相位匹配的条件下差频获得THz波。大多数选用的激光器是固体以及气体激光器,采用光纤激光器的方法还比较少,尤其是采用1550nm附近的双波长单纵模掺铒光纤激光器。本文重点研究了基于PPLN晶体和双波长光纤激光器的可调谐THz辐射源,探讨了PPLN晶体的相关特性如何影响THz辐射,并对基于PPLN晶体实现THz波的调谐进行分析。通过分析非线性差频对双波长源的要求以及双波长光纤激光器,得出双波长单纵模掺铒光纤激光器是差频生成系统(DFG)较为理想的双波长源。最终,本文设计出一种基于非线性放大环镜(NALM)的双波长单纵模掺铒光纤激光器。由此,为将来可调谐THz辐射源的光纤化工作打下基础。论文的主要工作有:(1)对非线性差频理论进行研究,建立满足相位匹配时的非线性三波互作用的稳态耦合波方程,从而得出生成THz波辐射的条件,并介绍了相位匹配的方法。在准相位匹配理论分析的基础上,讨论了PPLN晶体的相关特性对准相位匹配的影响,如折射率和相干长度等,从而得到如何优化PPLN晶体结构的方法。(2)对THz波调谐方式进行分析,重点分析了温度调谐,极化周期调谐以及二者结合方式的调谐。并分析THz波谱宽,得到基于PPLN晶体差频生成THz辐射源的THz波普图。以及得到PPLN晶体相位失配时的极化周期允许带宽,最后对THz输出功率进行了分析。(3)对用于差频生成THz辐射的双波长源进行分析,得出双波长掺铒光纤激光器是一种比较理想的双波长源。设计了一种基于非线性放大环镜的双波长单纵模掺铒光纤激光器,从而得到1550nm附近的双波长光纤激光器,经过测量仪的测量分析得到的双波长是否满足DFG系统中双波长源的要求,为以后THz辐射源的光纤化工作打下基础。
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