基于贝塞尔飞秒光束的光学整流效应产生太赫兹波的研究

Terahertz wave is an important tool in such fields as spectroscopy, imaging, communication, and sensing, but currently the efficiency of the techniques of ultrafast terahertz wave generation is limited. Based on the fact that Bessel beams can achieve diffraction-less (the beam size is unchanged) long-distance propagation thus enabling a much longer nonlinear interaction length (while maintain the beam intensity) than Gaussian beams, this project proposes for the first time to investigate the generation of terahertz wave by optical rectification based on femotosecond Bessel beams. High-power femotsecond Bessel beams will be generated by axicons from pulses from self-made femtosecond photonic crystal fiber amplifiers, and a theory for optical rectification based on femotsecond Bessel beams will be developed and improved by comparison with experiments. We will study the efficient generation of terahertz wave by optical rectification of high-power femtosecond Bessel beams in three kinds of emitters that can have long nonlinear interaction lengths (waveguide emitters, sandwich-type emitters for Cherenkov-type optical rectification, periodically poled emitters such as PPLN). The innovations in theory, principle, and method will lead to a new way of high-efficiency terahertz wave generation and thus will be of great academic and scientific value. The development of fiber amplifier-based high-power and compact ultrafast terahertz systems will find broad applications.

太赫兹波在光谱、成像、通信、传感等领域具有重要的应用价值，然而目前产生超快太赫兹波的各种方法的效率仍然很低。本项目利用贝塞尔光束无衍射（保持光束宽度不变）长距离传输从而能够保持光强不变而非线性作用长度比高斯光束有极大增长的优势，首次提出基于贝塞尔飞秒光束的光学整流效应高效率产生太赫兹波的新方法。利用自主创新的光子晶体光纤飞秒激光放大系统通过锥透镜法产生高功率贝塞尔飞秒光束，建立并通过实验完善基于贝塞尔飞秒光束的光学整流理论。开展高功率贝塞尔飞秒光束在三种具有长作用距离的太赫兹发射晶体（波导型发射器、基于Cherenkov机理的三明治结构、周期结构PPLN晶体）中光学整流效应高效率产生太赫兹波的研究。通过理论、原理和方法的创新，不仅有望开拓一种高效率产生超快太赫兹波的新途径，具有重要的学术价值和科学意义，而且基于光纤系统的高功率、小型化超快太赫兹波系统有着诱人的应用前景。

光学整流效应是产生超快太赫兹波的主要手段之一，但是受材料的非线性系数、吸收及激光脉冲与太赫兹波之间的相位匹配条件等因素的影响，产生的太赫兹波平均功率普遍较低。本项目提出了利用贝塞尔飞秒光束基于光学整流效应高效率产生太赫兹波的思想，并重点研究了贝塞尔光束的产生及变换特性、光学整流效应的理论和利用贝塞尔飞秒光束提升光学整流效应产生太赫兹波效率的方法等内容。在项目研究过程中，项目组在高功率光子晶体光纤飞秒激光、贝塞尔光束的产生与调控、光学整流产生太赫兹波及太赫兹传输器件等方面开展了相关的研究并取得了一系列成果。获得了95 nJ的放大自相似振荡器直接输出的最高飞秒激光脉冲能量；提出了一种在直接空间中实现轴向缩放急剧自会聚光束的方法；建立光学整流的动力学模型，研究了泵浦脉冲预设负啁啾进一步提高晶体辐射太赫兹波效率的方法；提出并验证了利用双飞秒泵浦脉冲光学整流效应对太赫兹波进行相干操控的方法和脉冲复用的思想（该成果被期刊选为研究亮点）；利用块状晶体和波导结构等进行了基于光学整流效应产生太赫兹波的研究，对比了相同参数的贝塞尔光束和高斯光束产生太赫兹波的效率：在块状晶体中，贝塞尔光束的光学整流效率可达高斯光束的2.12倍，在波导结构中，贝塞尔光束的相对效率可增加为3.46倍，相关工作分别发表在国内外期刊的专题上。研究结果证明了贝塞尔飞秒光束的无衍射传输特性能够在保持非线性作用强度不变的情况下增大相互作用距离，从而提高光学整流产生太赫兹波的效率，完成了项目的预期研究目标。在项目执行过程中，发表相关期刊论文23篇，其中SCI二区论文9篇，获批国家发明专利1项，申请1项，培养研究生6名。与国际有关的研究小组建立了合作关系，参加国内外学术会议多次，获得了很好的学术交流效果。