2μm光纤激光器泵浦的窄线宽mW量级连续THz源

THz technology has important applications in many fields, such as astronomy and biological spectrum analysis with high precision. Currently, the spectral resolution of THz spectrum analysis system is too low (>10GHz) for the applications in THz 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 pump geometry with high efficiency. In this project, we propose a novel scheme to achieve CW THz source with narrow linewidth, wide tunability, high efficiency and high power, pumped by about 2 um CW fiber laser based on external cavity enhanced quasi phase-matched difference frequency generation. We will demonstrate a CW THz source with wide tuning range (0.5-5THz), high efficiency, narrow linewidth (MHz) and high average power (>1mW). This proposed new THz source is most promising to the applications of THz technology in fields of bio-medical spectroscopy and THz communications.

太赫兹技术在天文学和生物高分辨率波谱分析等领域具有非常重要的应用前景。目前的太赫兹频谱分析系统频谱分辨率很低（>10GHz），不能满足高分辨率太赫兹波谱分析等应用领域的需求。基于非线性光学频率下转换方法的连续太赫兹辐射源具有单色窄线宽、可调谐、室温运转、相干性好等优点，是高分辨率光谱分析系统中理想的太赫兹辐射源，但受到差频晶体和泵浦方式的限制，目前的连续THz辐射源输出功率较低，调谐范围较窄。本项目针对上述太赫兹应用领域，提出了利用~ 2um 高功率窄线宽连续光纤激光器泵浦，基于外腔增强准相位匹配差频效应，以获得窄线宽、宽调谐、高功率的新型连续THz辐射源的技术研究方案。通过本项目的研究，可以实现宽调谐范围（0.5-5THz）、高效率、窄线宽（MHz）、输出平均功率大于mW量级的连续太赫兹输出。这将对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具有重要意义。

现有太赫兹频谱分析系统频谱分辨率不能满足高分辨率太赫兹波谱分析等应用领域的需求。基于非线性光学频率下转换方法的连续太赫兹辐射源具有单色窄线宽、可调谐、室温运转、相干性好等优点，是高分辨率光谱分析系统中理想的太赫兹辐射源，但受到差频晶体和泵浦方式的限制，目前的连续THz辐射源在输出功率较低和调谐范围较窄。.本项目针对上述太赫兹应用领域，提出了利用~ 2μm 高功率窄线宽连续光纤激光器泵浦，基于外腔增强准相位匹配差频效应，以获得窄线宽、宽调谐、高功率的新型连续THz辐射源的技术研究方案。.取得的重要结果和数据包括：.（1）理论研究：研究了外腔增强谐振谐振腔和频率锁定技术理论，分析了谐振腔结构和晶体准相位匹配参数，为差频谐振腔的优化提供理论依据；建立了高功率、窄线宽连续光纤激光器的理论模型，分析了种子光功率、光纤长度和ASE对放大器性能的影响；建立了高功率光纤激光器的温度分布模型，分析了双包层光纤内包层的形状、注入种子光功率和泵浦功率比值对放大器温度分布的影响。.（2）用于THz泵浦的2μm光纤激光器研究：采用1064nm单频光纤激光器作为泵浦源，获得532nm激光输出，为后期外腔增强差频系统的优化提供了研究基础；搭建了高功率单频光纤激光器的预放大器系统，获得7W单频信号光输出；搭建了1925nm单频光纤激光器的功率放大系统，获得了线宽为56kHz，相对强度噪声为-108dBm/Hz，功率为45W单频信号光输出，系统斜率效率为43.3%。同时搭建了1956nm搭建单频光纤激光器的功率放大系统，获得功率为90W信号光输出，放大器斜率效率为47.9%；.（3）周期反转GaAs晶体中差频产生THz辐射研究：研究准相位匹配差频晶体的制备工艺，基于非线性差频技术实现可调谐太赫兹波的输出；通过2μm激光GaAs晶体差频实验获得1.006 THz—1.456 THz输出。同时采用高功率1925nm和1956nm光纤激光器作为泵浦源，单次通过GaAs晶体获得频率为121.46THz，功率为1.31μW的太赫兹波输出。测量了外腔增强谐振腔在不放置GaAs时的增强系数和系统稳定性，系统的总结差频外腔增强腔的工作特性。撰写结题报告。