基于光学Cherenkov相位匹配差频的宽调谐太赫兹辐射源研究

单色宽调谐太赫兹辐射源在生物医学波谱分析、爆炸物远距离探测等方面具有非常重要的应用，近年来，基于非线性参量和差频技术获得可调谐单色相干太赫兹辐射源取得了一定的进展。但是由于泵浦光与太赫兹光在非线性晶体中的色散差较大，较宽范围内的非线性相位匹配非常困难，从而导致光学太赫兹辐射源存在调谐范围比较窄、输出功率和效率比较低的缺点；本项目提出在铌酸锂晶体中基于Cherenkov相位匹配差频技术产生太赫兹波的技术方案，在铌酸锂晶体中二阶非线性差频极化波的移动速度（泵浦脉冲群速度）大于辐射波（太赫兹波）的群速度，可以不受色散限制的实现光学Cherenkov辐射，通过研究非线性差频Cherenkov辐射中相位匹配的机理，合理设计泵浦结构，采用全内反射表面Cherenkov辐射方式，可以获得宽调谐范围（0.2-7THz）、高效率的光学太赫兹辐射源输出，这对促进太赫兹在生物医学光谱分析方面的应用具有重要意义。

宽调谐窄线宽相干太赫兹辐射源在高分辨波谱分析及成像领域具有广阔的应用前景。基于非线性光学频率变换方法的太赫兹辐射源具有低成本、结构简单，宽调谐、窄线宽、相干性好，以及室温运转等优点，也存在着转换效率和输出功率低的不足。本项目针对上述应用领域的需求，围绕“高性能可调谐光学太赫兹辐射源”这一目标，从Cherenkov相位匹配、高性能激光泵浦源、高效耦合泄漏模非线性波导、全内反射太赫兹参量振荡、新型有机非线性晶体和高亮度单模非线性波导等方面开展工作。取得的主要成果如下：推导了Cherenkov相位匹配差频的理论模型，揭示了该过程的作用机理；搭建了双波长光学参量振荡器泵浦MgO:LiNbO3晶体的差频实验系统，提高了其输出性能，验证了所得理论模型，实现了对该过程的全面认识；引入泄漏模平板波导结构，发展了该结构下Cherenkov差频的解析和半解析模型，并进一步提出了级联增强的高效差频方案；利用国产有机非线性晶体DSTMS差频，实现了0.88-19.27 THz超宽调谐，总结出有机差频辐射源的最佳运转条件；通过改善泵浦光光束质量，提高了全内反射太赫兹参量振荡器的输出性能；设计了基于单模波导结构的高亮度太赫兹辐射源；通过对F-P扫描干涉仪的误差分析，优化了太赫兹波长计的测量精度。取得成果包含理论创新和实验改进，内容涉及高性能辐射源和高精度探测，将对高分辨太赫兹波谱分析等应用领域的发展起到重要的促进作用。