基于离子注入非线性晶体波导的THz辐射源的制备与特性研究

Due to the importance of terahertz (THz) radiation, we propose this project in which THz radiation is produced by an interaction of guided wave and nonlinear media, based on the excellent performance waveguide fabricated by ion irradiation. Surface-emitted difference-frequency generation is used to produce THz radiation with ion-implanted waveguide in MgO: LN crystal. Due to the small size of such waveguide, the energy density of incident light beam is enhanced, which can strengthen the interaction of the guided wave and the nonlinear media and can improve the THz radiation power. In ion-implanted waveguide, the incident light beam concentration close to crystal surface allows us to significantly reduce the THz wave decay due to a small path length in the crystal and to enhance THz radiation power. The purposes of this project are to generate THz radiation based on the ion-implanted waveguide and to analyse the formation mechanism. Experimentally, we fabricate excellent performance lithium niobate waveguide, generate THz radiation and enhance the nonlinear conversion efficiency. Theoretically, we analyse the impact of ion implantation on nonlinear coefficient and the impact of ion-implanted waveguide structure on THz radiation.

本项目是针对太赫兹（THz）辐射源的重要性，在离子辐照（注入）非线性晶体可产生性能优良波导的基础上，提出导波与非线性介质相互作用产生THz辐射的方案。在掺杂氧化镁的铌酸锂晶体上制备离子注入波导，在该波导上采用光学差频的方法实现THz表面辐射。利用波导提高入射光束的能量密度，加强光波与介质的非线性相互作用，从而提高差频产生THz波的辐射功率；同时波导将入射光限制在近表面区域，在THz表面辐射的过程中，可以缩短THz波在晶体中的行程，进而减少晶体对THz波的吸收，亦可提高THz波的辐射功率。 本项目旨在研究在离子辐照波导基础上产生THz辐射并对其形成机理进行分析。从实验上制备性能优良的铌酸锂波导，产生THz辐射，提高非线性转换效率；从理论上分析离子注入对非线性系数的影响，研究离子注入波导结构对THz辐射的影响。

本项目在离子辐照非线性晶体制备性能优良波导的基础上，进行了导波与非线性介质相互作用产生THz辐射的研究。着重对离子注入铌酸锂体材料的波导和基于单晶铌酸锂薄膜材料的波导进行了系统的研究。研究了200keV氦离子辐照铌酸锂晶体的损伤情况,得到核能量沉积是形成损伤的主要原因；利用离子辐照单晶铌酸锂薄膜制备了条形波导，研究了注入剂量、退火条件对折射率的影响，该薄膜波导的模式体积较体材料波导的模式体积小很多，可以进一步提高光束的能量密度，加强光波与材料的非线性相互作用；在单晶铌酸锂薄膜上制备了空气桥光子晶体，研究了传输特性，得到了关于铌酸锂光子晶体的最大消光比的带隙；在周期结构中引入缺陷，制备了基于单晶铌酸锂薄膜的光子晶体波导，在禁带范围内测到明显的导波传输，较小的导模体积和较慢的群速度可以大幅度的提高光的能量密度，增强光与光以及光与物质之间的相互作用。已发表SCI收录的学术期刊论文2篇，另有一篇正在投稿SCI期刊。