周期极化非线性晶体中太赫兹波辐射研究邂-强激光与粒子束.PDFVIP

第19卷 第5期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol.19，No.5 2007年5月 HIGH PO丫VER LASER AND PARTICLE BEAMS May，2007 文章编号:1001一4322(2007)05一0799一04 周期极化非线性晶体中太赫兹波辐射研究’ 张开春，吴振华，刘盛纲 (电子科技大学物理电子学院THz研究中心，成都 610054) 摘 要:从理论上详细研究了飞秒激光在周期极化非线性晶体中由光整流效应产生的太赫兹(TH:)波 辐射。利用天线辐射原理和光栅衍射理论，着重研究TH:波辐射的频域场和时域场的分布。讨论和分析了 THZ波辐射的中心频率、频谱宽度和电场随辐射角的变化。研究表明，TH:波的带宽反比于晶体的长度或光 栅数，电场随辐射角呈准谐波变化。 关健词:周期极化非线性晶体;光整流;TH:波;飞秒激光 中图分类号:043 文献标识码:A 太赫兹(THz)波的频率范围大致为0.1一10THz，相应的波长从3mm到30拜m，介于毫米波与红外光之 间。THz波辐射源是THz领域科技发展的关键[1j。早在1984年就开始研究基于光子学的TH:波辐射[2j，它 是一种有潜在应用价值的THz波源。近年来利用光学非线性晶体产生THz波获得了广泛的研究和发 展3一〔3〕‘，特别是周期极化妮酸铿(PPLN)晶体的发展为THz波的产生提供了新的思路月〔1〕。Y.5.Lee等人[7一幻 在实验上证实了通过光整流效应，飞秒激光在PPLN中可以辐射出THz波。本文从光整流出发，结合天线辐 射原理和光栅衍射理论，详细研究了飞秒激光在周期极化非线性晶体中产生THz波辐射的频域场分布、频率 分布和频谱宽度分布。 1 频域场和时域场分布 当强激光通过非线性介质时，由于二阶非线性作用，产生光整流效应[l’〕。飞秒激光脉冲包含一定频谱宽 度，它在非线性晶体中通过二阶非线性过程可以实现激光频率的下转换，从而产生THz波段的辐射。同时，由 于周期极化晶体的极化周期的作用，能够满足THz辐射的准相位匹配条件。光整流过程中激光能量向THz 能量的转换主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件。 假设强激光为飞秒激光，呈高斯分布，其偏振方向沿周期极化晶体的光轴(z 向)，且垂直于晶体的极化方 向，如图1所示，以晶体中心为原点建立直角坐标系，在2方向的二阶极化强度可表示为 __厂 少+尸飞____「(t一x/“)2〕 P:(t，x，夕，2)=。。d33(x) exP}一 甲了丁7贯育 le入PI一 -- -了一-一 1 (1) y(x) 匕 “01气X少J L rO J 式中:y(x)=[1+(x/x。)“〕，x。=27r端从，久为激光的波长，a。为激光聚焦在x=0平面上的束腰半径;r。为脉冲 的脉宽;“=/‘nopt为激光在晶体中的群速，其中。为真空中的光速，n叩。为光脉冲在晶体中的折射率;姚3(x)= fs laSCF Fig.1 PeriodicallyPoledcrystalandcoordinate 图1 周期极化晶体及坐标系 2007一01一08; 修订日期:2007一04一22 国家自然科学基金资助课题(6o472o13) 张开春(1972一)，男，博士研究生，主要从事THz波辐射源和相关检测技术研究;zh.kch@163.com。 强 激 光 与 粒 子 束 第19卷 成。exp(i2二/Ax)为周期极化晶体的非线性系数分布，A为晶体的极化周期;A为光脉冲的振幅;。。为真空介电 常数。晶体在x，y和2方向上的尺寸分别为L，a和b。 根据天线辐射原理[15〕，电流源远场辐射电场的2向分量在频域内为