基于波导结构Cherenkov相位匹配的内调制THz辐射源

Modulated terahertz source has important applications in many fields, such as wireless communication, imaging, radar and national defense. Based on our previous study on optical THz source, we proposed a novel scheme to achieve internal modulated THz source via guided-wave Cherenkov phase-matching. We plan to generate monochromatic THz wave with Cherenkov phase-matched cascaded difference frequency generation in planar waveguide and control the THz output coupling by changing the refractive index of organic clad. By studying the energy conversion in the process of THz difference frequency and THz output coupling from the waveguide, we aim to obtain high power, high efficiency, compact and modulated THz source. It would be of great importance for the applications in the fields of wireless communication, imaging and radar.

针对当前无线通信、成像、雷达以及国防安全等领域对可调制连续太赫兹辐射源的应用需求，申请人在光学THz辐射源已有研究基础上，提出了基于波导结构Cherenkov相位匹配的内调制THz辐射源研究，拟采用由高功率连续激光泵浦平板波导结构，利用Cherenkov相位匹配级联差频产生窄线宽THz波，并通过控制波导结构中有机电光材料包层的折射率实现太赫兹耦合输出的调制，从而获得波导结构内调制THz波输出。通过研究波导结构Cherenkov相位匹配的高效级联差频技术以及平板波导THz耦合输出调制的机理，突破高效光波导太赫兹波的高效频率转换以及太赫兹波导耦合调制的关键技术，最终实现高功率、高效率、结构简单紧凑的小型化可调制光学太赫兹辐射，这对促进太赫兹在无线通信、成像以及雷达等领域的应用具有重要的推动作用。

太赫兹波段是指频率为0.1-10THz，介于微波和红外线之间的电磁波谱范围，具有携带信息容量大（相对于微波）、高时空相干性、低光子能量等特性，因此，太赫兹波在无线通信、成像、雷达以及国防安全等领域呈现出非常广阔的应用前景，而高性能太赫兹辐射及其有效调制又是实现太赫兹技术众多应用的基础。本项目从理论方面出发，研究了Cherenkov相位匹配差频的产生机理，建立了Cherenkov相位匹配差频产生太赫兹的理论模型；进行了Cherenkov相位匹配差频的平板波导理论研究，首先对非对称结构下的有源波动方程进行解析求解，再利用数值方法分析差频辐射场的空间分布和调谐特性，为波导结构Cherenkov相位匹配的内调制太赫兹辐射源的参数优化选择提供了理论依据；对Cherenkov相位匹配差频的平板波导理论进行了优化改进，推导包含泄漏模的波导耦合模方程组，详细分析了差频过程中泵浦光与太赫兹波之间的能量转化，在此基础上进一步提出基于波导结构Cherenkov相位匹配级联差频的方案，打破Manley-Rowe关系对差频转换效率的限制（量子极限），并从根本上提高太赫兹差频的转换效率；此外还进行了内调制太赫兹辐射源的理论和实验研究，首先从非线性光学介质发生双光子吸收过程进而引发自由载流子激发的现象出发，研究了自由载流子对非线性光学介质在太赫兹波段的介电响应产生的综合影响，并结合理论分析进行了太赫兹波的时间域、空间域调制效应的实验研究，最终实现了高效率、结构简单紧凑的光学可内调制太赫兹辐射的产生，为太赫兹技术的广泛应用奠定了良好的基础。