铌酸锂参量过程太赫兹频谱系统时域理论及实验

太赫兹波对非极性物质，如布料、药品、毒品、病毒和建材等，具有很高的透射性，通过测量太赫兹透射谱，能够实现对这些材料的无损探测、品质评估和真假甄别，市场前景巨大。目前的太赫兹频谱系统，存在着价格昂贵、使用成本高、体积大等弱点，有必要提出新的原理和设计思路来实现新型太赫兹频谱仪。本项目提出将铌酸锂参量振荡器作为频率可调谐太赫兹波辐射源，将铌酸锂参量转换/放大器作为太赫兹波探测器，集成二者构成一种新型的太赫兹频谱系统。从非线性光学的基本理论和铌酸锂晶体受激电磁耦子散射理论出发，建立时域理论，描述系统的时间特性和频谱特性，并利用铌酸锂晶体搭建实验系统开展实验研究，为实现这种新型太赫兹频谱仪提供理论基础和实验依据。本项目的创新之处体现在集成创新和理论创新两个方面，不仅可望开发出具有自主知识产权的新型太赫频谱仪，具有广阔的应用前景，而且能够丰富太赫兹光电子学的内容，具有重要的学术价值和科学意义。

太赫兹波产生与探测技术的发展是推动太赫兹技术及其相关交叉学科迅速发展的主要关键技术之一。基于晶格振动模受激电磁耦子散射过程的太赫兹参量振荡器，被认为是一种行之有效的可以产生相干性好、窄带单频、连续可调谐太赫兹辐射的发生与探测技术，具有装置简单、结构紧凑、价格低廉、易于操作、可室温运转等优点。本项目根据受激电磁耦子散射原理，对基于铌酸锂晶体和钽酸锂晶体的太赫兹波参量振荡器进行了详细的理论和实验研究，得到了一系列有意义的研究结果。本项目取得的主要创新成果是：.1、从非共线受激电磁耦子散射的基本原理出发，对基于铌酸锂晶体组成的太赫兹波参量振荡器，在泵浦波长调谐方式与角度调谐方式下，对调谐输出特性、基于硅棱镜阵列情况下的耦合输出方向特性以及太赫兹波的增益特性等进行了理论研究；.2、通过改进传统实验装置，对铌酸锂晶体太赫兹参量振荡器进行了实验研究。首次提出了利用参量振荡器的残余泵浦光与其连续可调谐Stokes光组成双波长差频泵浦源，激励非线性晶体产生太赫兹波；.3、首次将角锥棱镜谐振腔运用到参量振荡器中，提高了抗失调性能，同时实现了一种频率调谐方法---只需旋转输出腔镜就可实现太赫兹波频率的连续调谐。.4、提出了一种时域理论模型，描述准单色纳秒太赫兹探测器的时间特性。数值分析表明：输出闲频光的能量和宽度正比于入射太赫兹脉冲的能量和宽度，与他人的实验结果相吻合。这一严格的理论模型可用来指导、设计和优化基于参量振荡的相干太赫兹探测器。.5、建立了太赫兹参量振荡器泵浦阈值的理论模型，并进行了实验验证，观测到与理论分析相一致的实验结果。.6、从非线性耦合波方程出发，建立了基于铌酸锂晶体参量过程探测太赫兹波的稳态及时域理论模型，证明了探测单元输出的上转换信号的强度与被探测太赫兹波的强度存在线性关系，并能计算出给定条件下入射太赫兹波脉冲宽度的理论值，与实验观测结果相吻合。.7、基于铌酸锂晶体参量振荡原理，搭建了太赫兹波产生与探测系统，可在室温下实现高灵敏度的探测，拥有ns量级的时间分辨率。有望将这种技术从目前对准单色太赫兹波的探测扩展为0.8~2.5THz范围内任意频率的探测，实现一种新型太赫兹波频谱仪。