1.55μm光脉冲激励THz辐射波导器件的研究

论文摘要

太赫兹辐射源作为太赫兹技术的基础,长期以来一直是人们研究的热点。当使用1.55μm超短脉冲光纤激光器做激发源时,由于其单光子能量只有0.8eV,因此利用非线性晶体的光整流效应是最简单、最实用的产生太赫兹辐射的方法。但是,由于在该波段缺乏合适的晶体来满足光整流过程中的相位匹配条件,太赫兹辐射效率较低。本文对介质波导和金属波导中太赫兹模式进行了研究,设计了基于光整流法产生太赫兹辐射的波导结构,来提高其相位匹配程度,同时通过在波导结构中适当引入空气介质层的方法来降低太赫兹模的传输损耗。本文主要包括以下几个方面的工作:1在综述太赫兹辐射源的基础上,介绍了基于超短脉冲的太赫兹辐射源,分析适用于1.55μm光纤激光器的太赫兹产生方法,阐述了波导结构在太赫兹技术中的应用现状及趋势。2分别计算了多种半导体晶体在太赫兹波段和光波段的折射率,经过分析比较确定GaAs晶体是最适用于工作在太赫兹波段的,用1.55μm光纤激光器激励的非线性晶体。3为了进一步提高光整流过程的相位匹配程度,本文提出用平板介质波导结构来调节THz模的传输常数,进而增大非线性作用的相干长度。文中详细研究了三种不同的对称平面介质波导结构,得到了可以将相干长度从0.78mm提高到4mm以上的结果。4对于更复杂的五层对称平面介质波导的研究发现,在优化设计的五层对称平面介质波导中可以实现光整流过程的完全相位匹配,文中给出了详细的波导结构参数。5通过对多介质层填充的金属THz波导的研究与计算,给出了在2THz以下实现完全相位匹配波导结构参数。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太赫兹辐射源
• 1.2 基于超短激光脉冲的太赫兹辐射源
• 1.2.1 光电导天线
• 1.2.2 光整流效应
• 1.2.3 基于1.55μm 光纤脉冲激光器的太赫兹辐射源
• 1.3 波导结构在太赫兹波段的应用
• 1.4 本论文的主要工作及意义
• 第二章 光整流法产生THz 辐射的原理
• 2.1 光学整流效应
• 2.1.1 光学整流的理论模型
• 2.1.2 光学整流的分类
• 2.2 光整流过程中的相位匹配
• 2.2.1 光整流过程中的相位匹配条件
• 2.2.2 光整流过程中晶体晶轴的取向
• 2.3 本章小结
• 第三章 波导理论基础
• 3.1 亥姆霍兹方程边值问题的求解
• 3.2 金属双平板传输线
• 3.3 对称平面介质波导
• 3.4 本章小结
• 第四章 光整流过程在波导中产生太赫兹辐射的研究与设计
• 4.1 太赫兹频段内各种非线性晶体的折射率
• 4.1.1 砷化镓（GaAs）晶体
• 2 晶体'>4.1.2 ZnGeP₂晶体
• 4.1.3 其他晶体
• 4.2 三层平面介质波导
• 4.2.1 三层平面介质波导的本征方程和传播特性
• 4.2.2 三层平面介质波导中的相位匹配分析
• 4.3 五层平面介质波导
• 4.3.1 五层平面介质波导的本征方程和传播特性
• 4.3.1.1 TE 模本征方程
• 4.3.1.2 TM 模本征方程
• 4.3.1.3 单模传输条件
• 4.3.2 五层平面介质波导中的相位匹配分析
• 4.3.3 五层对称平板结构中的功率分布
• 4.4 填充介质的金属平板波导
• 4.5 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢