基于级联参量振荡连续宽调谐THz辐射源理论与技术研究

Although wide tunable, narrow-linewidth, continuous THz-wave has wide application prospects in high-resolution spectroscopy, sensing technology and telecommunications, progress has been hampered by a lack of methods generating these THz sources. The generation of wide tunable, narrow-linewidth, continuous THz-wave, based on the process of cascaded parametric oscillations in PPLN crystal pumped by a single-frequency continuous-wave all-fiber laser, is proposed to solve the problems mentioned above. The main contents of this project are as follows:(1)Study on the theory of cascaded parametric oscillations in PPLN crystal and analyze the conditions of forward cascaded parametric oscillations and backward cascaded parametric oscillation. Design the parameters of PPLN crystal and resonant cavity to realize collinear oscillation of pump, Stokes and THz-wave, so as to increase conversion efficiency;(2) Study on the tuning characteristics of the THz-wave that are affected by the parameters of pump wavelength, poling period of PPLN and operating temperature. The wide tunable THz-wave generation is achieved by varying the parameters mentioned above; (3) In the experimental aspect, based on the process of forward and backward cascaded parametric oscillations,the generation of wide tunable, narrow-linewidth, continuous THz-wave is realized by employing a single-frequency continuous-wave all-fiber laser as pump source, a four-mirror ring cavity as resonant cavity and a multiperiod PPLN crystal as gain medium.

宽调谐窄线宽连续太赫兹（THz）辐射源在高分辨率光谱学、传感技术、远程通信等领域有广泛的应用前景，但迄今为止尚缺乏产生宽调谐窄线宽连续THz辐射源的有效方法。本项目针对这一问题，提出采用单频连续全光纤激光器作为泵浦源，在周期极化铌酸锂（PPLN）晶体中级联参量振荡产生高效率宽调谐连续THz辐射源。主要研究内容：（1）研究PPLN晶体中级联参量振荡产生THz波的原理，分析前向级联参量振荡和后向级联参量振荡的条件。设计PPLN晶体参数和谐振腔参数实现泵浦光、Stokes光和THz波共线振荡，提高THz波转换效率；（2）研究泵浦波长、PPLN极化周期、工作温度等参数对THz波频率的影响，通过改变以上参数实现宽调谐THz波输出；（3）实验上，采用单频连续全光纤激光器作为泵浦源，以四镜环形腔作为谐振腔结构，以多周期PPLN晶体为增益介质，实现前向和后向级联参量振荡，输出宽调谐窄线宽连续THz辐射。

宽调谐窄线宽连续太赫兹（THz）辐射源在高分辨率光谱学、传感技术、远程通信等领域有广泛的应用前景，但迄今为止尚缺乏产生宽调谐窄线宽连续THz 辐射源的有效方法。本项目针对这一问题，提出采用单频连续全光纤激光器作为泵浦源，在周期极化铌酸锂（PPLN）晶体中级联参量振荡产生高效率宽调谐连续THz 辐射源。.主要研究内容：（1）研究PPLN 晶体中级联参量振荡产生THz 波的原理，分析前向级联参量振荡和后向级联参量振荡的条件。设计PPLN 晶体参数和谐振腔参数实现泵浦光、Stokes 光和THz 波共线振荡，提高THz 波转换效率；（2）研究泵浦波长、PPLN 极化周期、工作温度等参数对THz 波频率的影响，通过改变以上参数实现宽调谐THz 波输出；（3）实验上，采用单频连续全光纤激光器作为泵浦源，以四镜环形腔作为谐振腔结构，以多周期PPLN 晶体为增益介质，实现前向和后向级联参量振荡，输出宽调谐窄线宽连续THz 辐射。.主要研究成果：（1）研究了基于非共线相位匹配和准相位匹配太赫兹波参量振荡器太赫兹波增益特性及频率调谐特性。分析了泵浦波长、PPLN晶体极化周期、工作温度等参数对THz波频率的影响。推导了非共线相位匹配和准相位匹配太赫兹波参量振荡器阈值表达式，推导了参量过程中太赫兹波的增益特性和吸收特性；（2）研究了通过级联光学差频产生高效率太赫兹波，在级联差频中，一个泵浦光子可以产生多个THz光子，有效提高THz波量子转换效率；（3）研究了在晶体极化声子共振区通过光学差频产生高效率太赫兹波；利用极化声子共振区急剧增大的二阶非线性系数可以有效提高THz波功率；（4）LiNbO3晶体浅表垂直出射TPO实验中，实现了太赫兹波的调谐输出，调谐范围为0.8-2.8THz，当THz波频率为1.7THz，产生的THz波强度为173.9nJ/pulse，对应THz波能量转换效率为2.12×10-6。实验中观察到了三阶Stokes光辐射。