种子注入式太赫兹波参量产生源研究

种子注入式太赫兹波参量产生源(is TPG)基于非线性晶体中的受激电磁偶子散射,具有线宽窄、相干性好、室温运转、可调谐等优点。本文基于5摩尔百分比氧化镁掺杂的同成分铌酸锂晶体(MgO∶CLN),对连续/脉冲种子注入式太赫兹波参量产生源(is/ips TPG)调谐范围、输出能量、阈值等方面进行了研究。相比于is TPG系统,ips TPG系统调谐范围范围扩大约80。is TPG系统与ips TPG系统3dB带宽分别为1 THz与141 THz,占各自调谐范围的51和39。ips TPG系统相比is TPG系统3dB带宽范围扩大了41。在相近的平均功率密度下,由于ips TPG具有更高的峰值功率密度降低了阈值,产生了更强的THz波输出,最大转换效率为101×10-5。不同形式种子光的注入对太赫兹波参量辐射源有着显著的影响,实验结果表明ips TPG系统的输出特性更为突出在实际应用中具有更高的价值。本文最后对其未来发展进行了分析和展望。     

太赫兹参量振荡器研究进展

太赫兹(THz)波以其光谱和传输性能等方面的独特特性在基础学科研究、医学成像和无损检测等多领域具有重要的应用前景,其科学研究战略意义重大。根据THz波参量振荡器(TPO)的结构,主要从产生THz波常用的非线性晶体,内腔、外腔及腔增强结构,THz波输出耦合方式,浅表面输出结构,抽运光参数对TPO的影响和种子注入技术几个方面对国内外THz参量振荡器的研究进展进行回顾。随着新材料和新结构的研究,TPO将会在越来越多的领域中发挥作用。     

太赫兹波参量振荡器研究进展

基于参量振荡技术的太赫兹波源是得到可调谐太赫兹波的重要器件,它在安全检查、生物传感、医学诊断、半导体器件检测和质量控制等领域具有重要的应用。从非线性晶体材料特性、谐振腔结构、太赫兹波耦合输出方式、频率调谐方式和线宽控制方法等方面总结了国内外太赫兹参量振荡技术的实验与理论研究情况。对级联太赫兹波参量振荡过程在连续、脉冲和超短脉冲运转方式的研究现状进行了回顾。基于太赫兹参量振荡技术研究现状提出其未来的一些研究方向。随着光纤激光器等技术的发展和周期性极化晶体等材料性能的进一步提高,太赫兹参量振荡器将朝着更加高效化、小型化、实用化、易于操作携带的方向发展,并在其应用领域发挥越来越重要的作用。     

LiNbO3晶体的太赫兹参量振荡器设计

采用参量振荡方法实现太赫兹辐射(THz-wave Parametric Oscillator,TPO),因只需一个固定波长的泵浦源和一块非线性晶体,且具有非线性转换效率高、调谐简单而倍受瞩目.以LiNbO3晶体为例,采用Q调制的Nd:YAG激光器(1.064μm)为泵浦源,角度匹配的非共线相位匹配方式,设计了太赫兹参量振荡器,实现了当入射角α从8.2°变化到14°,相位匹配角θ相应地从16.2°变化到54.75°,太赫兹波与泵浦光之间的夹角β从8.84°～67.88°,闲频光从1.068μm变化到1.079 6μm,太赫兹波从284～74μm(1～4 THz)的连续太赫兹波振荡.     

高能量、快速可调谐太赫兹参量振荡器

基于受激电磁耦子散射的太赫兹(THz)波参量振荡器是产生高能量、相干THz波的有效手段之一,实验中采用垂直晶体表面出射结构,在1.63 THz处实现了最高单脉冲能量为634 nJ的THz波输出。利用电控振镜快速改变泵浦光入射到MgO:LN晶体中的角度,实现了0.75 THz~2.81 THz范围内的快速调谐,该辐射源可以满足THz波在生物医学、太赫兹通信、环境监测等应用领域的需求。     

基于CMOS工艺的太赫兹振荡器

在太赫兹频段,无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种300 GHz可调谐振荡器,首先,采用改进的交叉耦合双推(Push-Push)振荡器结构,通过输出功率叠加的方法输出二次谐波300 GHz信号,增加了振荡器的输出功率并突破了MOS管截止频率,并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次,太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式,通过调节MOS管衬底电压改变MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐,避免太赫兹频段引入低Q值电容,进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电40 nm CMOS工艺,基波工作频率为154.5 GHz,输出二次谐波为 309.0 GHz,输出功率可达-3.0 dBm,相位噪声为-79.5 dBc/Hz@1 MHz,功耗为28.6 mW,频率调谐范围为303.5~315.4 GHz。     

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

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.     

基于耦合腔的太赫兹垂直传输结构

提出了一种工作在110 GHz的耦合腔垂直传输结构。在垂直金属腔的两端对称地装配两个模式变换单元,作为波导的两个激励端口。模式变换单元在50 μm厚度石英基片上实现,该基片采用通孔结构和双面镀金工艺。因此,该垂直传输结构在太赫兹频段具有较低的插入损耗。仿真结果与测试结果拟合良好,模式变换单元的 S₂₁仿真结果为?0.7 dB,测试结果小于?1.3 dB,在105~116 GHz带宽的反射系数低于?10 dB。     

太赫兹参量源研究进展

太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源,它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后,重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果,主要包括:1)太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体,包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷; 2)大单脉冲能量太赫兹参量源,主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等,目前报道的最大单脉冲能量达到17μJ; 3)高平均功率太赫兹参量源,主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等,目前报道的最大平均功率为367μW; 4)太赫兹参量源的理论模拟,主要包括以耦合波方程为基础的,分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。     

矩形波导加载光栅结构的太赫兹振荡器

本文采用矩形波导加载光栅的慢波结构作为太赫兹返波管的高频结构,通过理论分析和电磁仿真研究了该慢波结构的色散特性和互作用阻抗,理论分析结果和仿真结果能很好地吻合。在理论分析的基础上,设计了一个中心频率为340GHz的返波管,经粒子模拟软件计算,在较低电流密度的情况下该返波管输出功率达100mW且可调带宽约30GHz。     

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出

利用一台多纵模调Q Nd: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0.77~2.83 THz。当泵浦功率密度为222.3 MW/cm2时,在1.78 THz处太赫兹波的最大输出能量为347.8 nJ/pulse,对应的能量转化效率为3.9110-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0.020 4 rad,在水平方向上为0.006 8 rad。     

基于内腔的KTP光参量振荡器的腔型结构研究

实验通过设计合适的光参量振荡器(OPO)腔型结构,实现了内腔OPO的脉冲输出。采用电光调Q方式、闪光灯泵浦Nd∶YAG晶体实现高光束质量的1.064 μm基频光对Π类非临界相位匹配KTP晶体进行激发,产生1.57 μm人眼安全波段激光。对OPO 的输出波形、输出能量进行测量。在不同腔镜曲率半径下分别对OPO输出能量进行测量,绘制成泵浦电压与输出能量之间的关系,在反射镜曲率半径8 m时得到最大光-光转换效率为14.2%。这与软件模拟的实验结果一致。     

太赫兹扩展互作用振荡器的矩形耦合腔特性研究

本文选用矩形耦合腔作为太赫兹扩展互作用振荡器(EIO)的慢波结构,鉴于其结构的复杂性,采用等效电路方法计算其色散.详细研究了腔体和耦合槽的电路参数,计算了不同结构尺寸、圆形和矩形电子通道的0.12THz和0.225THz慢波结构的色散特性.并采用专业电磁软件,研究了不同结构参数下的色散特性、耦合阻抗和特征阻抗.通过对色...     

太赫兹折叠波导慢波结构止带振荡器

为实现太赫兹新频段的开拓,满足太赫兹应用对实用化功率源的需求,研发了太赫兹折叠波导慢波结构止带振荡器。器件工作在慢波结构的止带附近,利用高耦合阻抗的特点,完成强注波互作用,实现大功率、小尺寸的太赫兹源。实验验证的振荡器样管采用了折叠波导慢波结构,工作电压为23.1 kV,工作电流为150 mA,在振荡频率为124.45 GHz时,最大脉冲输出功率达到32 W。实验结果表明,该器件适于作为开拓新频段的探索,能够满足高功率、窄带宽需求的太赫兹应用。     

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.     

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.     

340 GHz太赫兹返波振荡器

介绍太赫兹返波振荡器的发展,重点对340 GHz返波振荡器的设计、模拟和微细加工等研究工作进行了详细介绍。采用平行流电子枪、均匀永磁聚焦系统和折叠波导慢波结构来实现340 GHz返波振荡器,计算和模拟结果表明,当调谐电压14 kV~16.2 kV,工作电流8 mA时,在337 GHz~347 GHz的频率范围内可得到10 mW输出功率。高频结构加工采用UV LIGA技术,已经加工出高频结构样品,并对真空环境应用做了研究,以保证较小的表面粗糙度,减小高频率情况下的射频损耗。     

基于光学参量效应的太赫兹辐射源及其研究进展

太赫兹频段是电磁波谱中极具科学价值但尚待完全开发的电磁辐射区域,其中,太赫兹辐射源是影响太赫兹频段能否被广泛应用的关键器件,也是太赫兹技术研究领域的前沿问题.基于光参量效应产生太赫兹波的方法具有非线性转换效率高、波长在一定范围内连续可调、易小型化、能够在室温下稳定运转等优点,近年来得到了广泛的关注.文章介绍了光参量效应...     

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。     

太赫兹扩展互作用振荡器输出结构的设计与分析

扩展互作用振荡器由于具有结构紧凑、工作电压低、效率高等特点成为真空电子学太赫兹辐射源的重要研究 方向,在高分辨成像雷达、保密通信等方面具有广泛的应用前景。扩展互作用振荡器输出段是该器件输出THz 的关 键部分,其输出特性对扩展互作用振荡器的整体性能有着至关重要的作用。本文采用仿真软件模拟计算的方法,对扩 展互作用振荡器输出段的S 参数进行了较为详细的研究,并且对中心轴对称直渐变过渡波导、平面对称直渐变过渡波 导和阶梯过渡波导式结构的输出结构进行了比较研究,本文的结果对后续EIO 的设计与研究具有一定的参考意义和指 导价值。