基于波导型非线性晶体的高性能太赫兹源研制

THz technology has important applications in many fields, such as biological spectrum analysis with high precision. Photonic CW THz source can provide several advantages: monochromatic with narrow linewidth, tunable, operating at room temperature, and coherent, which is an ideal source in THz spectrum analysis system. However, the existing CW THz source has some limits (low output power and narrow tuning range), due to the lack of crystal with high nonlinearity and high efficiency. In this project, we propose a scheme to achieve CW THz source with narrow linewidth, wide tunability, high efficiency and high power, pumped based on directly bonded plasmonic crystal and external cavity enhanced quasi phase-matched difference frequency generation. We will demonstrate a high quality plasmonic quasi-phase matched crystal, and use it to realize a CW THz source with wide tuning range, high efficiency, narrow linewidth and high average power. This proposed new THz source based on plasmonic crystal is most promising to the applications of THz technology in fields of bio-medical spectroscopy and THz communications.

太赫兹（THz）技术在频谱分析领域具有非常重要的应用前景，基于非线性光学频率下转换方法的连续太赫兹辐射源是高分辨率光谱分析系统中理想的太赫兹辐射源，但受到差频晶体限制，目前的连续THz辐射源依然存在输出功率较低的问题。本项目主要研究用于提高太赫兹源输出效率的差频晶体，提出利用直接键合法制造高质量准相位匹配非线性晶体，并引入表面等离子体调制效应，研制波导型差频晶体，从而提高THz非线性转化效率，同时基于外腔增强效应，获得高功率THz辐射源。通过本项目的研究，可以实现多周期的高质量准相位匹配晶体，并具有表面等离体调制的波导效应，利用该晶体并结合课题组先期研制的光纤泵浦源，最终获得高输出功率、高效率、结构简单紧凑的连续THz波辐射源。这将有力促进太赫兹在生物高分辨率光谱分析及太赫兹通讯方面的应用。

太赫兹（THz）波与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，可广泛应用于分子光谱、生物波谱成像分析等基础研究领域，太赫兹波谱成像已经成为当前太赫兹技术最重要的应用领域之一。基于非线性光学频率下转换方法的连续太赫兹辐射源是高分辨率光谱分析系统中理想的太赫兹辐射源，但受到差频晶体限制，目前的连续THz辐射源依然存在输出功率较低的问题。本项目使用自主设计的键合系统直接键合制造周期反转的高质量GaAs晶体，将其作为THz源的差频晶体，充分利用其非线性系数大、THz波段吸收小和相干长度大的优点，并将GaAs晶体与具有表面等离子体调制效应的波导结构相结合，充分提高了泵浦光与THz波的重合度，并实现THz深亚波长波导及传输调控，从而提高THz源的转换输出效率。同时，共线准相位匹配形式不仅增大有效非线性作用长度，还降低了腔的损耗和调整难度，提高了腔的稳定性。通过设计优化腔结构，利用腔增强的方法提高连续差频的转换效率，进一步提高THz源的输出功率，最终获得高输出功率、高效率、结构简单紧凑的连续THz波辐射源。这将有力促进太赫兹在生物高分辨率光谱分析及太赫兹通讯方面的应用。依托本项目，已发表国际期刊论文7篇，申请发明专利2项，还有2篇国际期刊论文已投稿。