高效、高功率、小型化、多功能太赫兹时域频谱仪

拟在前期原理性研究成果的基础上，完成几项关键技术基础研究：1）提出以高功率光子晶体光纤飞秒激光为泵浦源，实现太赫兹时域频谱仪的高功率及小型化；2）提出泵浦光时-空复用技术，提高仪器的整体THz波转换效率；3）提出光子晶体波导型THz波发射器，增加THz波发射器的工作长度，提高THz波的产生效率，实现仪器的高效、高功率THz波产生；4）提出以螺旋面反射镜为线性快速光学延迟线，以基于DSP快速数据处理技术，引入小波变换技术，实现仪器的快速控制及数据处理显示；5）集成化仪器的各单元，以模块化设计理念，实现仪器的组件化，多功能。在完成上述关键基础技术研究的基础上，完成"高效、高功率、小型化、多功能太赫兹时域频谱仪"样机。为在我国已成为最具活力的基础科学研究的前沿领域之一的太赫兹波科学研制具有自主产权的太赫兹时域频谱仪。

（1）完成项目主体：研制了基于PCF飞秒激光系统和光学整流法的THz-TDS样机，包括：电控箱、PCF放大器和THz-TDS三个单元。其中“电机箱”，提供“驱动、控制、保护、数据采集和处理”等多种功能；PCF放大器能够输出42MHz的高重复率、最短46fs (60W泵浦下)的脉冲序列；在70W泵浦条件下，实现了最高平均功率34W和50fs脉冲的输出。THz-TDS单元集成反射式和透射式于一体，体积小和采样快；并在21W泵浦下，实现了0.3mW的THz波输出，这是目前同类条件下的最好结果。该样机与现有同类技术的装置相比，实现了高效率、高功率、小型化和多功能集成。. （2）.研究科学问题：建立了考虑晶体色散致泵浦脉冲展宽的非线性晶体辐射THz波的动力学模型，详细分析了THz波的转换效率与泵浦脉冲啁啾特性的关系，通过数值分析和实验证明了：在光谱宽度和相干长度的限制内，具有负啁啾脉冲的泵浦效率更高，并给出了最佳预付负啁啾量的选取原则。据此结果，用21W负啁啾脉冲泵浦GaP晶体，获得了0.3 mW的高功率、宽带THz波输出。. （3）.探索技术问题：提出使用微机械加工工艺在GaP晶体发射器表面刻划微四棱锥抗反射层结构的思想，并通过离子注入方法对材料表面进行改性，制备出了结构良好的器件；实验结果表明能够将GaP晶体THz波发射器的出射效率提高16%。在此基础上，又提出了实现宽带抗反射微结构的三步法：设计宽带高透射膜系，将各层薄膜转换为光栅结构，最后将多层光栅边缘连接平滑为微四棱台结构；新结构在0.5-5 THz宽带范围内对GaP晶体能达到90%的透射效率。. 本项目共在Opt. Lett.、Laser Phys. Lett.、JOSA B、 Appl. Opt.等国内外期刊上发表(录用)论文17篇；培养研究生6名；授权发明专利2项。项目组积极参与国际交流，已经与俄罗斯莫斯科国立大学、匈牙利佩奇大学、英国瓦特大学的研究组建立了合作关系，进行了多方位、深层次的学术交流与合作。