基于体相位光栅动态调制机制的可调谐太赫兹波室温探测关键技术研究

Compared with the effective apporach for detecting wideband THz wave at room temperature based on the Terahertz time-domain spectroscopy(TDS), we have no breakthrough technology for detecting the tunable terahertz wave.A new idea to detect the tunable THz wave based on the dynamic modulation of phase grating is proposed in this research project. First, an ultrasound is used for the formation of body phase grating in crystal based on the acousto-optic effect. Secondly, this body phase grating will be affected by the resonant excitation field which is the coupling of the THz field and optics induced polariton. Then, laser beam diffraction will be occur due to the the body phase grating which has been indirectly modulated by THz field. This diffraction beam which contain the THz information can be detected effectively at the room temperature. The esearch contents are as fellows: (1) the impact of intensity, polarization, phase mismatch of the optic induced polarition and THz wave on the resonance field; (2)the role of different phonons in the coupling process between the resonance field and acoustic field; (3) the experimental research to explore the mechanisms and laws of the phase grating indirectly modulating by the THz field; (4)the research of extracting the THz information from the Bragg diffraction beam and Roman-Nath diffraction beam which is due to the dynamic grating. The project proposes a new idea to detect the tunable THz wave at room temperature, and also provides the new apporach for realizing the system integrated the THz generator and THz detector which operate at room temperture.

与宽带太赫兹源室温下成熟的TDS技术相比，可调谐太赫兹波室温检测技术有待突破。基于此提出动态调制体相位光栅探测太赫兹波的新思路，即先利用超声波在晶体中泵浦形成体相位栅，再通过太赫兹波场与非线性晶体中光激发耦合场量子相互作用后的共振场影响体相位栅，而受到太赫兹波间接动态调制的体相位栅对探测光产生衍射，最终携带有被探测太赫兹波信息的时变衍射光束在室温下被有效探测。具体研究内容为：(1)光激发耦合场量子及单色太赫兹波的强度、极化方向以及相位失配与所形成共振场之间关系；(2)各类型声子在共振场与声波耦合时的物理学作用；(3)太赫兹波间接动态调制体相位光栅的物理机制和实验规律；(4)从布拉格衍射和拉曼-纳斯衍射光束对被调制后体相位栅的动态响应过程提取被测太赫兹波信息。本项目可为室温下探测可调谐太赫兹波开辟新思路，并为探索和发展室温下工作的可调谐太赫兹波产生及探测一体化系统提供理论根据和技术方法。

本项目提出了利用超声波在非线性晶体中形成的体相位光栅与太赫兹波的相互作用，探测太赫兹波并形成太赫兹调制器的新思路。通过太赫兹波场与非线性晶体中光激发耦合场量子相互作用后的共振场去影响体相位栅，而受到太赫兹波间接动态调制的体相位栅对探测光产生衍射，衍射光因体相位光栅被动态调制而发生变化，时变的衍射光反映的是太赫兹场的变化，最终携带有被探测太赫兹波信息的时变衍射光束在室温下被有效探测、滤波的效果。.（1）基于耦合场量子理论模型和物理特性，在量子尺度上解释了非线性晶体的耦合场量子的形成过程、色散特性，建立了耦合场量子方程与声子-耦合场量子色散方程，给出了耦合场量子的量子力学表示。.（2）基于晶格动力学相关理论对体相位光栅晶体铌酸锂的相关问题进行了深入研究。计算了铌酸锂晶体的晶体能带结构，分析了铌酸锂体相位光栅晶体的电子及声子的态能态密度，分析研究了铌酸锂晶体的光学性质，从铌酸锂晶体拉曼光谱分析入手，研究了晶体中光学声子的振动特性。.（3）从物理第一性原理出发，对体相位光栅晶体的耦合场量子色散曲线、晶体原子间相互作用势、声子色散关系和声子态密度等物理学特性进行计算分析；对非线性晶体在THz电磁波注入后的共振耦合场量子的形成过程进行分析研究，讨论分析了室温下利用调制体相位光栅的方法探测太赫兹波的理论机制。.（4）研究了超声波对THz波TO声子的调制有关问题。表明了晶体中纵向光学波的色散曲线与入射光场不发生耦合；分析了晶体中低频及高频入射光波的色散曲线；在体相位光栅衍射实验基础上，揭示利用THz波入射至声光晶体后激发的横向光学声子（TO声子）来耦合超声波和THz电磁波，从而实现对THz电磁波的调制的物理规律。.（5）分析了TO声子和THz光场耦合的宏观物质方程，以及影响TO声子耦合场量子的布拉格反射率的因素；计算了超声波作用下无阻尼耦合场量子的准能谱，分析了超声波对THz波TO声子调制的特点及可行性应用特点。.（6）研究了体相位光栅改性TOPP色散关系带隙位置及带隙宽度，计算了改性耦合场量子色散曲线。分析了体相位光栅诱导下TOPP色散关系带隙；体相位光栅中波函数周期势；体相位光栅诱导带隙；体相位光栅作下TOPP色散关系。.（7）课题组研究了声致体相位光栅作用下的太赫兹电磁波反射效应，并可以通过调节超声波频率和强度的变化调节反射频率，进而对太赫兹波进行选频。