基于晶体耦合场量子辐射及金属微谐振腔的可调谐太赫兹波产生研究

在前期利用晶体耦合场量子辐射过程产生太赫兹波研究取得重要进展基础上，对可调谐高斯波束太赫兹波源的关键物理问题开展研究。具体内容：（1）从理论和实验两方面研究晶体耦合场量子有源辐射区的形成、布局调控，及对太赫兹波辐射强度、辐射方向性、波束空间分布的影响等基本物理问题；（2）探索通过控制耦合场量子有源辐射区实现从晶体浅表面垂直辐射高斯太赫兹波束的新方法；（3）通过微型镍丝太赫兹波F-P谐振腔实现窄线宽单色太赫兹波的宽调谐输出，从根本上解决光折变导致的相位失配，晶体本身及耦合器阵列对太赫兹波产生吸收、全反射、衍射等问题；（4）利用这种太赫兹辐射源开展初步的太赫兹透射成像和光谱分析实验。本项目将为实现具有良好传输和聚焦特性的宽调谐、高转换效率，且常温下工作的太赫兹辐射源及其初步应用提供基本科学依据。

本自然基金面上项目（No. 60971015）开展了以下研究工作。1. 从理论和实验两方面研究了晶体耦合场量子有源辐射区的形成、布局调控，及对太赫兹波辐射强度、辐射方向性、波束空间分布的影响等基本物理问题：首先，利用光学相关理论及光线追迹软件分析了泵浦光以及闲频光在晶体中的传播过程，分析了二者相互作用区域的特征，并对太赫兹波有源辐射区的范围及布局进行了预测，其次，在此基础上建立适用于描述非线性晶体耦合场量子有源辐射区的形成、布局和调控的物理模型。2. 从密度泛函分析方法入手，计算了GaP、LiNbO3等非线性晶体耦合场量子的红外、拉曼光谱，计算了其辐射增益；将实验中晶体的拉曼光谱与理论分析相结合，给出了晶体耦合场量子色散特性曲线，确定了辐射波频率范围，为后续实验研究工作提供数据参考。3. 通过实验研究分析了铌酸锂晶体掺杂MgO对THz辐射源稳定输出的影响，确定了5%mol的为最佳掺杂比例。4. 开展了用微型镍丝太赫兹波F-P谐振腔实现对宽带太赫兹波辐射的频率调谐的实验。首先, 将晶体耦合场量子辐射的太赫兹直接送入镍金属丝F-P微谐振腔选频输出，其次通过改变太赫兹波在金属微谐振腔的谐振条件实现频率调谐。5. 对引入点缺陷的三角晶格光子晶体微型谐振腔结构、缺陷频率以及模式分布进行了研究讨论，对单点缺陷的光子晶体谐振腔中的缺陷模的频率和场分布进行了计算分析，给出了所形成微谐振腔的品质因子和模式场分布特性。6. 在研究中还观察到了光激发耦合场量子与单色太赫兹场形成强共振场，强共振场又与红外激光场在LiNbO3晶体中发生较强相互作用的实验结果。研究结果表明：共振耦合场量子作为耦合场量子受到单频太赫兹场调制后的元激发，有望为今后研究通过声光效应在室温下探测太赫兹波奠定基础。7. 课题负责人与2012年与德国Konstanz大学物理系Thomas Dekorsy教授太赫兹课题组开展了学术交流，利用ASOPs系统对可调谐太赫兹辐射源进行了进一步测试分析并进行了初步应用性实验。