提高光學整流產生THz波轉化效率關鍵技術的研究

《提高光學整流產生THz波轉化效率關鍵技術的研究》是依託天津大學，由栗岩鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：提高光學整流產生THz波轉化效率關鍵技術的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：栗岩鋒
• 依託單位：天津大學

項目摘要

基於我們在飛秒雷射、超快THz波產生和光子晶體光纖飛秒雷射技術研究方面的優勢和經驗積累，針對國內外出現的高效率、高功率產生寬頻THz波的需求和趨勢，確定研究目標為大幅度提高光學整流產生THz波的轉化效率。圍繞達到目標的關鍵技術深入研究系統實現高效運轉的核心問題：（1）提高光子晶體光纖飛秒雷射系統輸出的單脈衝能量和壓縮脈衝寬度的技術；（2）泵浦光的時間復用技術和相應的復用產生的THz脈衝在時間上的相位相干合成；（3）泵浦光的空間復用技術；（4）與泵浦光時空復用技術相匹配的復用光脈衝之間的同步和復用光啁啾特性的色散回歸等；（5）提高相干長度的光子晶體波導型THz發射器的設計和發射器對THz的抗反射方法。這些關鍵技術的實現將把現有光學整流產生THz波系統的效率提高2-3個數量級。

結題摘要

本項目研究了提高光學整流產生THz波轉化效率的若干關鍵技術，取得了如下主要成果：（1）實現了基於非線性放大技術的大模場面積光子晶體光纖的高平均功率飛秒雷射放大器；在70W泵浦下，獲得了34W、42MHz、52fs的高平均功率飛秒雷射輸出。（2）實驗發現採用雙脈衝泵浦的光學整流效應中雙脈衝間的時間延遲對產生的THz波功率具有調製作用，當雙脈衝泵浦光入射時，產生的THz波在相干相長條件下可以提高到只有單路泵浦光時的3倍。（3）理論和實驗均證明雙脈衝泵浦光入射條件下對產生的THz波的時域信號和頻譜均有強烈的調製作用，該方法是對THz脈衝進行相干控制的有效手段。（4）提出使用微機械加工工藝在GaP晶體發射器表面刻劃微四稜錐抗反射層結構的思想，進一步通過離子注入方法對材料表面進行改性，製備了結構良好的微四稜錐抗反射層，實驗結果表明能夠將GaP晶體發射器的出射THz波效率提高16%。（5）提出了設計寬頻抗反射微結構的三步法：通過遺傳算法設計寬頻高透射多層薄膜，將各層薄膜轉換為光柵結構，最後將多層光柵邊緣連線平滑為微四稜台結構。結果表明，在0.5-5THz寬頻範圍內，該結構對GaP晶體能達到90%的透射效率。（6）研究設計了基於GaP晶體的光子晶體波導型THz發射器；通過改變包層空氣孔的間距或大小，能夠很好地控制傳導的THz波的折射率曲線，在大範圍內實現輸出THz波的調諧。（7）建立了考慮晶體群速度色散對於飛秒泵浦脈衝展寬效應的非線性晶體輻射THz波的動力學模型，詳細分析了晶體輻射THz波的轉換效率與泵浦脈衝啁啾特性的關係，通過數值分析以及相應實驗數據證明：在負啁啾脈衝泵浦條件下，能有效抑制晶體的群速度色散效應，進一步提高晶體輻射THz波的效率；泵浦需預設的最佳負啁啾量近似等於晶體總群速度色散量的一半，且與泵浦脈衝的光譜寬度無關。（8）利用光子晶體光纖飛秒雷射放大系統結構緊湊、性能優良、重複頻率高等優勢，基於晶體輻射THz波動力學模型理論，通過最佳化泵浦脈衝參數，在21W泵浦功率條件下，141fs負啁啾飛秒脈衝泵浦3mm <110> GaP晶體產生了0.3mW的寬頻THz波輸出。據我們所知，這是在共線相位匹配條件下，實驗中能獲得的最高平均功率的寬頻THz波輸出。 本項目的研究成果對於繼續提升基於光學整流效應的超快THz波系統的功率水平打下了堅實的基礎。