准相位匹配高效率级联差频产生THz辐射的理论与技术研究

差频是产生太赫兹（THz）辐射的重要方法，也是目前能够实现小型化、室温运转、窄带、全波段可调谐THz源的最佳途径，但差频THz源转换效率低的缺点限制了其广泛应用。为了解决这一问题，在前期差频产生THz辐射取得重要进展的工作基础上，本项目提出一种新型的差频机制- - 级联差频，并对其进行理论和实验研究，包括：（1）分析级联差频的非线性动力学过程，建立完善的理论体系，揭示一对泵浦光光子差频产生多个THz光子的机理，以求从本质上提高光波到THz波的转换效率；（2）为满足级联差频对非线性晶体的要求，提出了合理的方式键合GaAs晶片，制作周期结构的准相位匹配GaAs微结构材料，以此为基础通过级联差频实现高效率的THz辐射源。本项目对这种基于准相位的高效率级联差频技术进行研究，将大大丰富非线性频率变换的相关理论，并对THz源的进步起到重要推动作用，因此具有重要的科学意义和应用价值。

差频是目前能够实现小型化、室温运转、窄带、全波段可调谐THz源的最佳途径，为解决差频THz源转换效率低的缺点，本项目提出一种新型的级联差频方法，并对其进行了理论和实验研究，取得的研究进展如下：.（1）级联差频的理论研究. 利用非线性光学基本理论推导出级联差频的耦合波方程组并进行求解，建立了级联差频的理论体系；模拟了基于双折射相位匹配、准相位匹配及Cherenkov相位匹配级联差频的动力学过程，分析其中的能量转移过程，计算了相关参量对级联差频过程的影响，总结出实现最佳转换效率的相关参数。理论计算结果表明，级联效应对THz差频的增强效果明显，对量子效率、耦合效率和输出功率的全面提高具有重要的意义。.（2）级联差频双波长泵浦源的实验研究. 实现级联差频需要高峰值功率的双波长激光器作为泵浦源，本项目利用直接振荡的Nd:YLF、Nd:GYSGG等激光器实现了1.06 μm、1.3 μm、1.4μm等波段的双波长激光输出，差频可产生的THz波频率覆盖0.83-3THz的多个频点；利用Nd:YAG及其倍频光激光泵浦KTP光参量振荡器实现了1.06μm、1.5μm、2μm等波段的可调谐双波长激光输出，可以产生的THz频率覆盖0.1-10THz。.（3）级联差频产生THz波的实验研究. 利用走离补偿的KTP OPO在GaSe晶体中差频实现了0.2-3.7THz的可调谐THz波输出；利用反射式可调谐1.3μm在有机晶体中差频实现了0.9-19THz的超宽带可调谐THz输出；利用PPLN差频晶体，将其置于双波长Nd:YLF激光器腔内差频以充分利用泵浦能量，实验验证了Stokes光产生及级联差频效应的存在。