基于超快激光技术的THz波产生和探测

主要介绍利用超快激光技术产生和探测THz波辐射。THz波探测方法包括电光取样和空气探测。电光取样利用光学电光效应,采用探测激光偏振态的改变得到THz电场时域波形,广泛应用在TDS系统中。空气探测方法利用激光在空气中的三阶非线性效应,可以测得THz时域波形,并且该方法没有晶体的限制,因此可以探测频谱较宽的THz脉冲。产生THz的方法主要包括光电导天线、光学Dember效应、光整流和激光等离子体。其中前三者受到材料本征声子的影响,产生的THz谱宽有一定限制。倾斜激光脉冲波前入射非线性晶体光整流可以产生很强的THz波。双色飞秒激光脉冲与空气等离子体作用,可以产生较强的宽谱THz辐射,并且其谱宽与激光脉冲宽度密切相关。     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

低温生长砷化镓光电导天线产生太赫兹波的辐射特性

研究了低温生长砷化镓光电导天线(LT-GaAs PCA)产生太赫兹(THz)波的辐射特性。利用太赫兹时域光谱(TDS)技术测量了光电导发射极在飞秒激光作用下辐射的太赫兹脉冲,得到了时域发射光谱,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到相应的频域光谱。结果表明,低温砷化镓光电导天线产生的太赫兹波信号比飞秒激光激发半导体表面产生的太赫兹波信号具有更高的强度和信噪比;太赫兹波信号与光电导天线的偏置电压成线性关系;随着抽运激光功率的增强,太赫兹波信号增大并出现饱和。     

甲醇溶液相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的选择激发

利用飞秒自适应脉冲整形相干控制技术成功实现了甲醇溶液中甲基对称(vS(CH3)2832cm-1)和反对称(VAS(CH3)2948cm-1)振动能级相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的选择激发.为了进一步探究双光束飞秒CARS光谱实现选择激发的机制,采用二次谐波频率分辨光学开关(SHG-FROG)测量方法对整形前后的泵浦激光脉冲进行了探测. SHG-FROG痕迹结果显示裁剪泵浦光中的有效频段可实现飞秒CARS的选择激发.研究表明飞秒自适应脉冲整形相干控制技术对于复杂分子系统飞秒CARS的选择激发研究具有非常重要的科学意义.     

光激发半导体硅片对宽带太赫兹波的调制研究

利用光泵浦-太赫兹(THz)探测(OPTP)技术,研究 了THz波在Si半导体界面间的传输行为。通过改变抽 运光密度从而改变样品表面的载流子浓度,实现对THz波透射/反射的有效调制。在外加中心 波长为800nm 的飞秒激光激发块体半导体Si片时,成功实现了对宽带THz波时域谱包括入射THz 脉冲振幅和 相位以及THz波次级反射峰抗反射的调制。光激发Si片可以获得任意载流子浓度 的Si片实现对 THz脉冲振幅的调制,调制度达到90%以上;光激发Si片能够使THz脉 冲的相位发生负延迟,随着 泵浦光密度的增加,负的相移越来越明显,随着频率的增高,负的相移也越来越明显;光激 发Si片还能够 对THz波的次级反射峰进行调制,随着泵浦光密度的改变,实现对次级反射峰的π相位以及 次级反 射峰抗反射的调制。光激发Si片对宽带THz波时域谱的调制为THz波在通信、国防安全等领域 的应用奠定了基础。     

飞秒脉冲和飞秒级超快过程的自动化相关测量

本文介绍一种飞秒(fs)激光脉冲和皮秒(ps)级至飞秒级超快过程的自动化相关测量技术和装置,并讨论与此有关的若干问题,其中包括因群速度色散引起的脉冲增宽和畸变、啁啾脉冲、相干耦合假像等。该装置应用时间分辨非线性光学相关测量原理和信号差分技术、锁相技术和积分平均技术,可测量物质的瞬态饱和吸收、瞬态荧光、瞬态反射和衍射光谱等,适用于研究凝聚态物质,特别是固态(半导体、金属非线性晶体)的超快速动力学过程,亦可以通过非线性效应,测定晶体材料的某些非线性光学参数。 该装置全部采用国产元器件研制而成。测量的时间分弁为0.7飞秒,重复性误差小于0.5飞秒。从     

THz时域频谱技术中若干效应的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。讨论了THz时域频谱技术的若干关键问题：THz发射晶体的双光子吸收、衍射效应和非线性效应（Kerr效应和类Kerr效应）等对THz产生效率的影响,THz辐射脉冲的载波包络相位差,THz小波变换频谱技术,以及利用光子晶体光纤飞秒激光作为激发源对THz时域频谱系统进行小型化和提高能量的方案。     

核黄素和烟酸的太赫兹(THz)光谱研究

以飞秒激光为基础的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是一种新型的相干远红外光谱测量技术.文章利用THz-TDS研究了室温下核黄素和烟酸在0.2～2.0THz范围内的光学特性,得到了对应的吸收谱和折射率谱.结果表明核黄素和烟酸在此波段有明显的特征吸收峰且吸收谱存在显著差异.两种样品的平均折射率分别为1.70和1.65.这项研究为维生素类药物分子鉴别及更宽有效光谱区的实验测试研究提供了新的实验方法.     

基于光学技术的太赫兹相干辐射源研究

由于太赫兹辐射的独特性质和潜在的应用价值, 国内外关于太赫兹波的产生和探测的研究正呈现日益繁荣的景象, 目前太赫兹相干辐射源的研究已成为太赫兹技术领域最重要的前沿课题之一。介绍了产生太赫兹相干辐射的三种主要途径：一是光学技术, 它从高频向低频发展, 其代表为太赫兹激光器, 如气体激光器、半导体激光器和量子级联激光器等; 二是电子学技术, 它由低频向高频发展, 如微波管、固体微波源等; 三是光电子技术, 其频率由1 THz向两侧展宽, 采用超快激光脉冲触发产生太赫兹脉冲。设计了基于光学技术的太赫兹相干辐射系统, 该装置根据气体振转能级跃迁原理, 采用高压直流激励方式产生受激辐射, 波导管谐振腔体, 工作气体为N2, CD4和D2, 经过优化设计, 预计可以产生1.54 THz和1.58 THz的波连续输出。     

基于双温耦合模型的太赫兹晶体损伤阈值分析

飞秒激光通过非线性光学整流效应产生太赫兹(THz)波时,THz波转换效率会随着飞秒激光功 率的增大而明显提高。然而,飞秒激光功率过高会造成非线性晶体损伤,进而影响THz波的 产生及输出, 因而对飞秒激光作用下非线性晶体的损伤阈值进行研究具有重要意义。本文在经典的双温模 型基础上,引 入电子激发、载流子吸收等电离过程的影响,建立了飞秒激光作用下非线性THz晶体损伤 阈值的预估模 型。采用有限差分法,数值模拟了飞秒激光辐照下THz晶体的温度场变化,并据此对 晶体损伤阈值进行 预估。在此基础上,分析比较了LiNbO₃、ZnTe和ZnSe 3种THz晶体的损伤 阈值随激光脉宽的变化规 律。结果表明,晶体的禁带宽度和比热容越大 ,晶体的损伤 阈值就越大;LiNbO₃晶体因其具有更高的损伤阈值,在产生高功率THz波方面 具有更大的优势。     

阿秒光学进展及发展趋势

自从2001年人们首次实现单个独立的阿秒(1 as=10~(-18) s)脉冲以来,阿秒脉冲作为超快光学最前沿的内容,在近20年的时间内得到了长足的发展,为人们在电子运动的自然时间尺度中观测量子世界的基本动力学过程提供了崭新的研究手段,并开启了阿秒科学这一全新的研究领域,覆盖了原子、分子、凝聚态物理、化学、生物等诸多学科的不同研究需求。随着飞秒激光驱动器技术的不断发展,目前阿秒脉冲不仅脉冲宽度突破了50 as,而且也进一步朝着更高单脉冲能量(高通量)、更短波长(高光子能量)、更高重复频率的方向发展。本文将结合高次谐波相位匹配及高能量飞秒超强激光、双色及多色相干合成飞秒激光、中红外飞秒激光、高重复频率飞秒激光等驱动技术,综述介绍阿秒脉冲在上述各方面的新进展,并展望了未来进一步的发展趋势。     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波的研究

报道了用半绝缘GaAs材料研制的光电导偶极天线在飞秒激光脉冲触发下辐射THz电磁波的实验结果.GaAs光电导偶极芯片的两个欧姆接触电极间隙为3mm,采用Si3N4薄膜绝缘保护,在540V直流偏置下被波长800nm,脉宽14fs,重复频率75MHz,平均功率130mW的飞秒激光脉冲触发时产生THz电磁波.用电光取样测量得到了THz电磁脉冲的时域波形和频谱分布.THz电磁波的辐射峰值位于0.5THz左右,频谱宽度大于2THz,脉冲宽度约为1ps.     

用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波的研究

报道了用半绝缘GaAs材料研制的光电导偶极天线在飞秒激光脉冲触发下辐射THz电磁波的实验结果.GaAs光电导偶极芯片的两个欧姆接触电极间隙为3mm,采用Si3N4薄膜绝缘保护,在540V直流偏置下被波长800nm,脉宽14fs,重复频率75MHz,平均功率130mW的飞秒激光脉冲触发时产生THz电磁波.用电光取样测量得到了THz电磁脉冲的时域波形和频谱分布.THz电磁波的辐射峰值位于0.5THz左右,频谱宽度大于2THz,脉冲宽度约为1ps.     

飞秒相干态相位光谱的原理,技术与应用

凝聚态物质体系中飞秒量级相干态相位特性的研究，无疑是光学瞬态相于过程和相干控制的研究的重要发展方向．最近，由于稳定的飞秒固体激光器的发展，使人们能够在飞秒和亚飞秒尺度研究相干态的相位动力学特性．非线性四波混频（FMM）是用飞秒脉冲研究超快弛豫和相干退相过程最常用的方法，Big。t等人用该法研究了GaAs量子阱中激子相干辐射的超快相位动力学，所测量的FMM信号表明存在非线性的相移．最近，我们用飞秒脉冲对激发半导体GaAs样品，研究了液氦温度下GaAs带边激发的相干瞬态过程，得到了自由感应衰减信号和时间分辨的相位光…     

飞秒激光功能扩展及精确控制

近年来飞秒激光技术持续地快速发展，不仅深化着强场物理、超快现象、THz辐射等学科的研究内容，而且也促成了飞秒激光频标测量技术、飞秒激光精密微加工技术、飞秒纳米学、阿秒激光脉冲产生等新学科的出现和重大突破。对于目前飞秒激光所涉及的众多应用研究，通常需要具有特性不同的飞秒脉冲，如强场物理研究突出的是飞秒激光的峰值     

飞秒化学研究进展

飞秒超快激光技术为物理、化学、生物学和材料等领域提供了一种新颖的工具,使研究人员可以研究其中发生的趟快过程,对当今的高科技和相应产业,如超怏光通信、新型有机无机材料、分子牛物学、基因工程等的研究和发展也具有重要意义.介绍了飞秒化学的最新进展,包括优化整形脉冲对化学反应的控制、飞秒位相相干二维光谱、晶格振动波的时空相干控制等.     

基于光丝阵列的太赫兹辐射增强方法

基于飞秒激光光丝阵列,从实验上实现了太赫兹(THz)辐射的增强。结果表明,使用阶跃型相位板产生光丝阵列,在相同飞秒脉冲能量下,相比于单光丝情况,光丝阵列辐射THz信号强度被增强,且THz信号强度与光丝数目成正比。当入射能量为5.8 mJ时,8根光丝时辐射的THz能量为31.73 nJ,辐射效率为5.47×10~(-6)。所提方法有望解决飞秒激光辐射THz过程中的能量饱和问题。     

基于全固光子带隙光纤中自频移孤子的相干合成产生少周期飞秒激光脉冲

报道了一种基于同一台光纤飞秒激光器的双路飞秒激光相干合成技术,获得脉宽只有4个光学周期(14 fs)的少周期飞秒脉冲。通过数值模拟证明了基于自频移孤子的相干合成为拓宽光谱、窄化脉冲提供了一个很好的方法,是获得少周期飞秒脉冲的可行方案。实验中,一台掺镱光纤飞秒放大系统输出脉宽为62 fs,中心波长为1040 nm的近变换极限脉冲,该脉冲分束后,一束作为基态孤子,另一束耦合到全固光子带隙光纤中产生自频移孤子,通过调整入射脉冲功率等参数获得了中心波长为1150 nm,脉宽为55 fs的近变换极限自频移孤子。将基态孤子与该自频移孤子相干合成,得到了脉宽仅4个光学周期(14 fs)的激光脉冲。