基于复合微腔的高效内腔差频太赫兹辐射源

Terahertz (THz) technology has potential for the applications in the field of spectrum analysis and imaging with high resolution, such as bio-medical testing and pollution detection. However, the existing monochromatic THz sources cannot satisfy the demand of such applications in some aspects. Photonic THz sources based on nonlinear optics can provide several advantages: low cost, monochromatic with narrow linewidth, widely tunable, coherent, and operating at room temperature, which is an ideal source in THz spectrum analysis system. The main drawback is the low conversion efficiency and output power. In this project, we propose a novel scheme to achieve efficient THz source with narrow linewidth, based on quasi-triply resonant intra-cavity difference frequency generation in a micro-cavity with sub-coherent-length. An approach for the improvement of optical-to-THz conversion efficiency will be given, by investigating the mechanism of intra-cavity resonant enhancement. This proposed new THz source is most promising to the applications of THz technology in fields of bio-medical spectroscopy and imaging.

太赫兹技术在生物医学、环境监测和安全检查等高分辨波谱分析及成像领域具有广阔的应用前景。现有的几种单频太赫兹辐射源，在输出性能、成本和实用性等方面，还难以满足上述应用领域的需求。基于非线性光学差频方法的太赫兹辐射源具有低成本，宽调谐、窄线宽、相干性好，以及室温运转等优点，但也存在着转换效率和输出功率低的不足。针对当前高分辨波谱分析和成像等领域对低成本高性能单频太赫兹辐射源的需求，本项目提出了在亚相干长度复合微腔中通过准三谐振内腔差频实现高效率窄线宽太赫兹输出的技术研究方案。通过对内腔本征模谐振增强的机理研究，总结出提升差频太赫兹辐射源转换效率的新途径。同时，本方案的设计结构简单，集成度高，实用性好，将对促进高分辨太赫兹波谱分析和成像等应用领域的发展具有重要的意义。

缺乏高性能的相干太赫兹辐射源是制约高分辨波谱分析及成像等应用领域发展的瓶颈。激光泵浦非线性差频方法是实现太赫兹波产生的一种有效途径，该方法具有不可替代的优点：大范围不间断的频率调谐特性和类似激光的相干性。如何大幅提升其光-光转换效率和输出功率，是本领域研究亟待解决的问题。本项目围绕这一目标，拟探索提高光学差频转换效率的新途径，从“腔结构增强机理”、“有机非线性介质”和“固体激光源”三个环节开展工作，取得了如下进展：深入挖掘非线性光学频率变换的作用机理，将差频耦合波方程、参量振荡阈值和效率方程，以及激光器速率方程等基本理论，应用于“法-珀”微腔结构、有机非线性介质、共腔双参量振荡器和自拉曼双波长激光器的增益过程模拟和分析，完善了非线性光学（特别是涉及太赫兹波段的效应）的理论体系，解释了腔结构的谐振增强机制和有机介质内的能量增长规律，给出了转换效率与结构参数的定量关系，总结了差频源的设计原则；搭建了基于国产有机晶体OH1和DAST的宽调谐太赫兹辐射源实验系统，在上述理论研究的指导下优化了输出性能，室温探测条件下实现点频最高信噪比600:1（达到了6年前液氦冷却探测的信噪比水平），频率调谐至30 THz（国内领先）；在此辐射源基础上搭建了初步的应用系统，实现了逐点扫描成像和波谱分析；率先开展光泵太赫兹差频上转换探测技术研究，首次利用国产有机晶体实现太赫兹相干探测，捕捉到纳秒量级上转换光脉冲信号；探索了贝塞尔光束泵浦的新型相位匹配方式。上述研究进展，为有源相干太赫兹应用系统在动态范围和分辨率等方面的改善提供了技术支持，并将极大促进高分辨太赫兹波谱分析和成像等应用领域的发展，以及上述系统国产化水平的提高。