基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体..doc

基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体 摘要:文章介绍了ZnGeP2,GaSe,CdSe,GaAs,GaP,DAST等几种用于太赫兹辐射的中远红外非线性光学晶体的非线性性能,总结了利用它们通过非线性光学差频产生太赫兹方面的最近进展。最后给出了获得较高转换效率和能量的太赫兹波输出的非线性光学晶体应具备的条件。 关键词:太赫兹;非线性光学晶体;差频;相位匹配的吸收系数非常大,需通过适当的结构设计,使太赫兹波从侧面耦合输出;它们较多的被用于光参量振荡来产生太赫兹。 图1用于太赫兹电磁波产生的非线性晶体的吸收系数 2.1 ZnGeP2,GaSe,CdSe[5-7] ZnGeP2,GaSe,CdSe都属于光学各向异性晶体,具有较大的非线性系数和双折射效应,可根据晶体的双折射效应和正常色散方程,在较宽的波长范围实现相位匹配,并且他们在中远红外波段到THz波段具有相对较小的吸收系数。它们的部分性能参数比较如表1所示。 磷化锗锌(ZnGeP)晶体在近红外区域(1～2μm)具有毫无规则的大的吸收系数(1.064μm处吸收系数达到5.63cm-1)。在文献[6]中通过退火处理,在该范围的吸收系数可以得到显著的降低,降至吸收系数0.75cm-1。非 线性系数d36达到75pm/V,是KDP晶体的160倍,是所有已知的无机非线性光学晶体中非线性系数最大的晶体之一。因而被认为是非常有吸引力的红外非线性材料,在红外倍频、混频和光参量振荡等方面都有很好的应用前景。硒化镓(GaSe)晶体具有很多作为非线性材 料应具备的优异特性:很大的非线性系数和较宽的透过波段;较宽的相位匹配波段;它是THz波和亚毫波段吸收损耗最小的无机材料,在0.65～18μm吸收系数小于1cm-1。GaSe晶体己被确定为用于工作在0.7～18μm光谱范围的非线性材料。另外,GaSe晶体具有良好的热学、机械特性,有利于中红外波段非线性频率的变换。硒化镉(CdSe)晶体的非线性系数相对前两个晶体较小,但透过波段较宽。它的吸收系数较小,但是到目前为止所测定的数据限定在72μm内。 2.2GaAs,GaP[8-9]GaP和GaAs晶体都是具有闪锌矿结构的半导体化合物,属于立方晶系,43m点群。这两种晶体都具有大的非线性系数和比较低的吸收系数。GaP透过的波长范围为0.6～10μm,非线性系数为d14=37pm/V。GaAs透过的波长范围为09～17μm,非线性系数为d14=94pm/V。根据理论计算,发现对于GaP和GaAs晶体,混频波长分别在0.9958～1.034μm范围和12551～1.339μm范围内才可实现共线相位匹配差频,所以可以分别采用掺Yb的固体激光器发射的1.031μm激光和掺Nd的固体激光器输出的1.3μm附近的激光作为泵浦源。在室温下,它们的直接跃迁能隙分别为2.78eV和1.43eV。其中,GaP晶体以1.031μm的波长作为泵浦光时双光子吸收系数趋近于0,可以实现更高功率和强度的THz波输出。虽然是各向同性的立方结构,不存在任何双折射,但它仍然可以满足相位匹配条件,这是因为在太赫兹区域存在着反常色散,如图2所示。利用反常色散来达到补偿色散的方法实现差频相位匹配pωp-nsωs=nTωT。并且,该晶体仅通过改变泵浦波长即可实现输出波长的可调谐,不需要旋转便于操作。 2.3 DAST DAST(organicsalttrans24′2(dimethylamino)2N2methyl242stilbazoliumtosylate)是一种有机光电材料,有最大的二阶非线性光学系数d11=290pm/V、较大的电光系数和较低的介电常数,并且具有较长的相干长度和较快的响应时间,这不但十分利于差频相位匹配以及太赫兹波的产生,而且还十分适合用作对太赫兹波辐射的快速调制和探测。但是高质量、大尺寸的DAST材料的生长比较困难;国内中院理化所通过水溶液法生长了DAST多晶,并应用于太赫兹的产生,计算图 从图3中可以看出DAST的折射率以及吸收情况:在小于1THz时,DAST晶体具有较低的吸收损耗,在大于1THz时,吸收系数较大。有机晶体DAST是一种高效率的太赫兹产生晶体,优化生长条件后将可得到更高的非线性转换效率,是迄今产生太赫兹效率最高的非线性晶体。此外,研究表明DAST也是一种高性能的太赫兹探测晶体。 3差频产生太赫兹电磁波的最近实验结果 Y.J.Ding等采用Nd∶YAG激光输出的脉宽10ns的1.0642μm激光和其三倍频355nm参量振荡得到的1μm附近的信号光差频实现了可调谐的太赫兹输出。实验中采用ZnGeP2,GaSe,GaP等晶体,得到了几乎覆盖整个太赫兹波段的较强的相干THz波输出[13-14]他们的实验代表了采用这几种非线性晶体差频得到太赫兹波