基于新型钼/钨碲酸盐晶体受激电磁耦子散射的太赫兹源研究

Terahertz (THz) generation based on stimulated polariton scattering (SPS) in nonlinear crystals, is one of the most efficient way for high-power widely-tunable THz sources, which are key devices for THz applications such as spectroscopy and imaging. This method requires the polar photon modes in nonlinear crystals should be infrared and Raman active simultaneously, and moreover, the nonlinear crystals should have large second/third-order nonlinear susceptibilities, high damage threshold, low THz absorption, etc. As a result, there are very few practical materials available, and the output power and tunable range for such THz sources are not satisfying limited by the performance of the nonlinear crystals. In this program, a new kind of molybdate/tungstate tellurite crystals like BaTeMo2O9 will be adopted in terahertz generation, and high-power, widely-tunable THz sources are expected through studying the growing mechanism for high-quality nonlinear crystals, exploring the nature of efficient SPS in them, and analyzing the energy transfer process and influence of stimulated Brilliouin scattering (SBS) effect. The achievements will lay the foundation for high-resolution THz spectroscopy and imaging applications.

高功率、宽调谐的太赫兹（THz）辐射源是THz光谱、成像等应用领域的关键器件，基于非线性晶体的受激电磁耦子散射（SPS）是实现上述THz辐射源最有效的方法之一。该方法要求非线性晶体不仅具有红外及拉曼活性的极性晶格振动模，还要具有二阶/三阶非线性系数大、抗光损伤能力强、THz吸收系数低等特点，目前符合要求的材料极少，而且受限于材料的性能，相应THz源的输出功率及调谐范围也不理想。本项目拟采用新型钼/钨碲酸盐类晶体（如β-BaTeMo2O9等）用于产生THz波，通过研究高质量晶体的生长机理，探索其高效SPS效应产生THz波的规律，分析短脉冲泵浦的能量转换过程及受激布里渊散射（SBS）效应的影响，最终实现高功率、宽调谐的THz辐射源，为高分辨率THz光谱及成像技术应用奠定基础。

太赫兹技术在光谱分析、生物医学、雷达通信、无损检测等领域具有重要应用前景，但太赫兹源是其中最大的瓶颈问题。在各种产生技术中，非线性光学频率变换技术是最受关注的方法之一，尤其是基于受激电磁耦子散射（SPS）的太赫兹参量产生技术，能够实现高功率宽调谐太赫兹源，是实用化高频段太赫兹源的理想方案。由于SPS对非线性晶体具有严格要求——具有红外及拉曼活性的极性晶格振动模、大的二阶非线性及拉曼增益、抗光损伤能力强、太赫兹频段吸收系数低等，目前仅有极少数非线性晶体能够满足条件，且受限于现有晶体性能，太赫兹源的输出功率、转换效率和频率覆盖范围都不理想。本项目提出将以β-BTM晶体为新型钼/钨碲酸盐类晶体作为SPS太赫兹产生的非线性材料，通过探索晶体生长机理及生长工艺，实现大尺寸高质量单晶生长，研究晶体的晶格振动模式，分析SPS太赫兹产生特性及规律，利用皮秒短脉冲泵浦抑制受激布里渊散射（SBS），提高太赫兹转换效率，最终实现高功率、高效率、宽调谐的太赫兹辐射源。. 在本项目的研究过程中，我们从原料合成、助熔剂、生长速度与温度控制等方面改善了晶体生长工艺，获得了大尺寸β-BTM单晶及系列其他钼/钨碲酸盐类晶体；分析了其75个晶格振动模的特性参数，模拟计算了SPS太赫兹源的输出特性；讨论了SPS过程声子的时间变化特性，分析了短脉冲泵浦的SBS抑制效果，利用皮秒激光泵浦进行了实验验证；通过优化实验方案，使太赫兹波输出能量达17.49μJ @1.88THz，转换效率1.06×10-4，调谐范围延伸至11.63THz；利用上述太赫兹源搭建了雷达散射截面（RCS）测量系统，首次实现了5THz频段的RCS测量。本项目的研究工作揭示了钼/钨碲酸盐类晶体的生长机理，总结了β-BTM的晶格振动模表现规律，获得了泵浦激光参数对SPS的影响机制，提出了高效率宽调谐太赫兹源的优化方法，形成了一套实用化SPS太赫兹源的实现方案，并通过RCS测量验证了其在太赫兹雷达领域的应用前景。