寬譜可調諧THz自由電子雷射新型光腔理論研究

《寬譜可調諧THz自由電子雷射新型光腔理論研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由竇玉煥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：寬譜可調諧THz自由電子雷射新型光腔理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：竇玉煥
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

太赫茲（THz）源的產生和利用有著重大的科學價值和廣泛的套用前景。利用自由電子雷射（FEL）產生的THz源因具有功率高、波長可設計及大範圍連續可調的特性而有獨特的優勢。為此，其光腔設計必須既適應寬譜調節範圍，又要保證很高的輸出耦合效率。因而成為THz FEL的難點和關鍵技術，也是國內外研究的熱點。本項目將開展THz FEL新型光腔的理論探索研究。具體針對國際上最近提出的兩種新型光腔-窄縫動態調節光腔和光子晶體反射鏡光腔進行理論研究，理解其物理機制，研究其光腔品質特點、實現寬頻調節的規律、適用的光波長範圍等。在此基礎上，探索新型動態調節光腔的理論設計方案，為我國THz FEL實驗中面臨的難點提供可能的解決方法。

結題摘要

針對太赫茲自由電子雷射（THz FEL）光腔設計需要寬譜可調節和輸出耦合效率高的實驗難點，完成了兩種THz FEL新型光腔——窄縫動態調節光腔和光子晶體反射鏡光腔的理論和數值模擬研究。研究了窄縫動態調節光腔和光子晶體鏡光腔的結構特點和實現方法，對光腔進行了物理建模。完成了相關程式的編制，具有對窄縫動態調節光腔和一維光子晶體鏡光腔的模擬設計能力。對一維光子晶體反射譜的研究驗證了其用於THz FEL高反射鏡的可行性。給出了第一禁帶中反射譜凹陷對應波長位置以及凹陷幅度的調節方法，即通過調節最外層玻璃的位移，角度，厚度，材料等參數可以達到目標波長最優的反射率，其動態可調節特性具有作為THz FEL高耦合輸出鏡的套用潛力。結合我國THz FEL實驗裝置，對光子晶體反射鏡的基本結構、介質的厚度、層數、調節頻寬等進行了最佳化設計。在此基礎上，結合我們THz FEL實驗難點和實際情況，考慮到我們THz FEL裝置中光腔採用的是一個矩形波導，光斑是橢圓型的特點，首次提出了橢圓型耦合輸出光腔的設計方案。完成了近橢圓型耦合輸出光腔代替圓孔耦合輸出光腔的優勢、光腔品質、耦合效率等的比較分析。研究表明，橢圓型耦合光腔的設計更適合目前THz FEL的光斑特點，可使光腔輸出功率提高30%以上，輸出耦合效率即光腔品質可提高30%-70%；隨著輻射頻率的提高，橢圓孔耦合輸出光腔的優勢提高就更為明顯。並對橢圓孔耦合輸出光腔參數進行了設計最佳化。