光整流法产生THz辐射转化率的理论分析-中国科学.PDF

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 4 期 : 745 ~ 750 SCIENCE IN CHINA PRESS 光整流法产生THz辐射转化率的理论分析 ①* ② ③ 李德华 , 戚晓东 , 刘盛纲 ① 山东科技大学太赫兹研究所, 青岛 266510; ② 中科院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033; ③ 电子科技大学太赫兹研究中心, 成都 610054 * E-mail: jcbwl@ 收稿日期: 2007-07-16; 接受日期: 2008-07-10 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2007CB310401)资助项目 摘要 从理论上分析了超短激光脉冲在二阶非线性晶体中光整流效应产生THz辐射的过 关键词 程, 讨论了影响激光能量转换为THz 辐射能量的效率的各种因素; 入射激光脉冲宽度对转换 光整流 效率影响非常大. 对于一般二阶非线性晶体, 当晶体厚度等于相干长度Lc 时, 光对THz 的转 周期性极化 换效率最高. 对于周期性极化的非线性晶体, 在忽略介质吸收的情况下, 转换效率与介质厚 有效长度 转换效率 度成正比. 考虑介质对THz 的吸收, 晶体的有效长度Leff=0.63/α, 再增大晶体长度, 转化效率 将没有明显增加, 并最终趋于常数. 1962年Armstrong及其合作者首次从理论上预见 由空间传播的THz波, 不久, Hu等人[8]也用另一种方 到光整流效应[1], 并认为光整流效应是用电磁波束和 法对切伦可夫辐射效应产生了自由空间中的THz波. 光子激发电介质产生的切伦可夫辐射的一种形式. 1992 年, 张希成等人[9]首次报道了用光整流效应产生 1971 年, Morris和Shen[2]等人用相位匹配的皮秒脉冲 了自由空间中的THz辐射. 用光整流法产生THz辐射 激发LiNbO3 晶体产生了和理论相吻合的微米波和远 的过程实际上是二阶非线性光学过程, 可以通过二 红外波. 同年, Yang等人用相位匹配方法获得了直到 阶或三阶的极化率张量描述[10]. Chuang等人[11]基于 400 GHz 的电磁波辐射. 20 世纪 80 年代, Bagdasatyan 半导体表面光整流电场的产生模型也对激发波与极 等人[3]用CO2 激光照射GaAs 晶体产生了可直接测的 化子运动的关系给出了比较精确的描述. 非线性极化切伦可夫辐射. Auston等人[4,5]也指出经过 用光整流法产生THz辐射的效率比较低, 如果入 聚焦后的光脉冲可以在电光材料中产生切伦可夫辐 射飞秒激光脉冲的能量为 10 mJ, 激光与THz辐射的 射, 并在LiTaO 中产生了亚皮秒电磁脉冲, 其波谱范 −6~10−9[12], 为提高激光与THz 的转 3 转换效率一般在 10 围从直流一直到 4 THz, 但由于介质内的反射, 电磁 换效率, 需要增加准直入射光波与THz波的作用距离. 波基本上限制在电光晶体内. 随后, 非线性谐振子理 Lee及其合作者[13]提出用二阶非线性晶体准相位匹配 论[6]被用来描述切伦可夫辐射的线性或非线性介电 (QPM)技术产生THz波, 并在 18 K低温环境下将转换 常数, 并对离子晶体振动的光电耦合给出精确描述, −5, 但如此低的转换效率远远不能满足