准相位匹配和太赫兹波的相关技术研究

论文摘要

准相位匹配技术是激光非线性频率变换领域的一个研究热点,在和频、差频、光参量产生、振荡、放大等方面都有重要的应用价值。本文从准相位匹配技术的基本原理出发,着重研究了外加电场法极化KTP晶体中影响周期极化KTP(PPKTP)晶体制备质量的电导率问题,自行研制了KTP晶片电导率测试电源,并进行了多片KTP晶体的电导率测试实验;对利用准相位匹配差频技术产生THz波窄带输出进行了初步研究,讨论了准相位匹配GaAs差频器件的差频增益特性;最后,利用超快光电导宽带太赫兹时域频谱系统研究了KTP晶体及其同族晶体在THz频段的介电性质,为相关晶体在THz频段的应用提供了依据。本文的主要工作如下:1、研究了在外加电场极化法制备PPKTP晶体时,电导率对极化反转的影响,提出了外加电场法对KTP晶体电导率的要求,自行设计和制备了KTP晶片电导率测试专用电源,并用该电源进行了多个KTP晶片的电导率测试实验。2、对利用准相位匹配技术通过光学差频的方法产生THz波进行了理论分析,并以GaAs晶体为例,计算了前向和后向方案其差频准相位匹配周期;研究了GaAs晶体的准相位匹配差频增益特性,讨论了差频增益系数的影响因素;分析了准相位匹配周期的误差对差频增益的影响,得出了周期的容差特性曲线。3、采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统,得到了KTP晶体及其同族晶体RTP晶体在0.5~2.0THz频段的精确折射率,吸收系数,复介电常数等介电性质参数。研究了KTP晶体和RTP晶体在该频段的光学声子振荡特性;在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时均发现了明显的吸收峰。利用晶体中晶格振动模式(光学声子)对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型,很好地拟合了KTP晶体的复介电常数曲线,得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参数值和KTP晶体在该频段内的色散方程。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 准相位匹配制备技术发展简介
• 1.3 准相位匹配技术在THz 研究中的应用
• 1.4 THz 时域频谱技术研究晶体的介电特性
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 准相位匹配原理及其实现
• 2.1 准相位匹配技术的基本原理
• 2.1.1 三波互作用稳态耦合波方程
• 2.1.2 相位匹配条件及双折射相位匹配
• 2.2 准相位匹配
• 2.3 准相位匹配的分类
• 2.4 准相位匹配的实现方法
• 第三章 KTP 晶片电导率测试电源
• 3.1 KTP 晶体极化分析
• 3.1.1 电导率与晶体极化反转的关系
• 3.1.2 KTP 晶体电导率的特性
• 3.1.3 高压极化对KTP 晶片电导率的要求
• 3.2 KTP 晶片电导率测试电源的设计
• 3.2.1 方案设定
• 3.2.2 电路分析
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 KTP 晶片电导率测量实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 准相位匹配差频产生THz 波的理论分析
• 4.1 准相位匹配方案的确定
• 4.1.1 适用于差频产生THz 波的非线性晶体
• 4.1.2 准相位匹配实现差频
• 4.1.3 准相位匹配的类型
• 4.2 准相位匹配差频器件周期的计算
• 4.2.1 对于近简并点双波长激光器差频抽运源
• 4.2.2 对于分立的参量振荡器的差频抽运源
• 4.3 THz 波的差频增益特性
• 4.3.1 耦合波方程及其小信号解
• 4.3.2 净增益的影响因素
• 4.3.3 相对增益与周期带宽
• 4.4 本章小结
• 第五章 晶格振动的洛伦兹介电频散关系
• 5.1 晶格振动的基本概念
• 5.1.1 晶格振动与声子
• 5.1.2 内振动和外振动
• 5.2 电磁辐射与晶体相互作用的电磁理论
• 5.2.1 基本晶格振动模
• 5.2.2 电磁激元
• 5.2.3 黄昆方程
• 5.2.4 纵波和横波的色散关系
• 5.3 洛伦兹振子介电频散关系
• 5.3.1 经典洛伦兹振子介电频散关系
• 5.3.2 洛伦兹振子模型与红外吸收光谱的关系
• 5.3.3 多振子介电相互作用及其吸收光谱
• 第六章 KTP 晶体及其同族晶体的THz 时域频谱研究
• 6.1 THz 时域频谱实验系统
• 6.2 KTP 晶体的实验结果与数据分析
• 6.2.1 THz 时域频谱实验结果
• 6.2.2 KTP 晶体THz 时域频谱实验结果的理论拟合
• 6.3 RTP 晶体的实验结果与数据分析
• 6.4 KTP 晶体和RTP 晶体的实验结果对比分析
• 6.5 总结和思考
• 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢