饒志明 何志芳 周 力

(江西中醫(yī)藥大學(xué)，江西 南昌 330004)

太赫茲波 (Terahertz,THz)一般是指電磁波的波長(zhǎng)從0.03mm到3mm即頻率為0.1THz到10THz的范圍內(nèi)，是目前熱門(mén)的研究領(lǐng)域，其頻率是位于微波的頻率與紅外波的頻率之間。根據(jù)Manley-Rowe的關(guān)系，隨著輸入激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，獲得的轉(zhuǎn)換效率的理論最大值就會(huì)越高。如果我們利用激光波長(zhǎng)在10微米左右的可調(diào)諧偏振的CO2激光進(jìn)行差頻，獲得的太赫茲輻射的能量將可能提高。并且CO2激光的波長(zhǎng)具有1000多條支線，波長(zhǎng)從9微米到11微米，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的太赫茲波長(zhǎng)的數(shù)目很多，波長(zhǎng)范圍也很大。通常利用相位匹配技術(shù)和角度調(diào)諧技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)差頻，從而獲得太赫茲波輻射源。目前，最常見(jiàn)的太赫茲輻射頻率調(diào)諧方法是通過(guò)改變輸入激光的傳播方向和轉(zhuǎn)動(dòng)非線性晶體的角度來(lái)獲得，該方法有其簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。但是該種調(diào)諧方法有很明顯的缺點(diǎn)，比如利用雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位匹配時(shí)，不能夠有效的利用非線性晶體的最大非線性系數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)生的太赫茲輻射的轉(zhuǎn)換效率不理想；還有為了獲得短波長(zhǎng)范圍波段內(nèi)的太赫茲波就需要增大兩束泵浦激光的相位匹配角，這樣三波相互作用的有效長(zhǎng)度將大大的減小，不能夠有效地利用非線性晶體的通光范圍。

利用共線的準(zhǔn)相位匹配技術(shù)就能夠很好地解決以上兩束激光相位匹配時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)能夠很好地利用非線性晶體的最大有效長(zhǎng)度和非線性晶體最大非線性系數(shù)，這樣可以大大提高差頻時(shí)產(chǎn)生太赫茲波輻射源的能量和轉(zhuǎn)換效率。所以我們?cè)O(shè)計(jì)扇形周期性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的各向同性晶體，利用兩個(gè)波長(zhǎng)輸出可調(diào)諧CO2激光在該晶體中進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波方案，該方案是的一種方便簡(jiǎn)單的方案。

近些年來(lái)，設(shè)計(jì)出來(lái)的一些周期性結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)晶體在光學(xué)領(lǐng)域的研究中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。周期性結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體可以根據(jù)不同方式分為很多種類(lèi)型，比如可以按照在反轉(zhuǎn)晶體周期的方向不同、反轉(zhuǎn)晶體周期的形狀不同和反轉(zhuǎn)晶體周期的數(shù)量不同等各個(gè)方面的制作出多種類(lèi)型周期性反轉(zhuǎn)晶體。

按照非線性晶體周期的方向不同進(jìn)行分類(lèi)，可以分為水平平行的晶體結(jié)構(gòu)周期、豎直平行的晶體結(jié)構(gòu)周期和傾斜平行的晶體結(jié)構(gòu)周期等類(lèi)型。按照非線性晶體周期的形狀不同分類(lèi)，可以分為矩形形狀的周期性晶體、扇形形狀的周期性晶體、圓形形狀的周期性晶體和波導(dǎo)形形狀的周期性晶體等。按照非線性晶體的周期數(shù)量不同進(jìn)行分類(lèi)，可以分為單周期型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體、多周期型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體、混合周期型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體和準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)型反轉(zhuǎn)晶體等。

如果只有一個(gè)固定長(zhǎng)度的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其通光方向的周期長(zhǎng)度固定，我們稱(chēng)之為單周期結(jié)構(gòu)。在各種光學(xué)混頻中，如溫度調(diào)節(jié)的混頻中，單周期結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體應(yīng)用廣泛。在通光的方向的垂直方向并列極化了多個(gè)周期不同的長(zhǎng)度的非線性晶體稱(chēng)為多周期型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體。通過(guò)多個(gè)周期的周期結(jié)構(gòu)晶體在準(zhǔn)相位匹配混頻過(guò)程中，輸入激光是通過(guò)垂直晶面方向進(jìn)行水平橫向移動(dòng)多周期反轉(zhuǎn)晶體的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配，從而獲得更大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧。利用溫度調(diào)諧技術(shù)，再結(jié)合多周期結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體，能夠獲得大范圍和連續(xù)的波長(zhǎng)調(diào)諧。

混合周期結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體是指在晶體的通光方向上出現(xiàn)多個(gè)周期，類(lèi)似于將多個(gè)周期的晶體與串聯(lián)的形式粘接起來(lái)，反轉(zhuǎn)晶體的厚度結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于混合周期結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)晶體對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光不能夠完全準(zhǔn)相位匹配，所以相比與單周期反轉(zhuǎn)晶體效率要低。準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)晶體的反轉(zhuǎn)周期按照所需呈一定的規(guī)律排列，其排列規(guī)律是經(jīng)過(guò)分析特殊設(shè)計(jì)出來(lái)的，該非線性晶體可以同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)準(zhǔn)相位匹配條件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。利用一個(gè)準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)晶體能夠直接實(shí)現(xiàn)多種波長(zhǎng)的混頻過(guò)程。

圖1 扇形結(jié)構(gòu)的周期反轉(zhuǎn)的各向同性晶體結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)中利用周期性結(jié)構(gòu)的扇形周期反轉(zhuǎn)的各向同性晶體，比如GaAs晶體和GaP晶體。扇形周期結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)晶體是指該晶體的周期結(jié)構(gòu)的疇壁是根據(jù)不同波長(zhǎng)激光相位匹配的要求用扇形去排列，如圖1所示。而不是像傳統(tǒng)的單周期晶體的周期結(jié)構(gòu)那樣疇壁是垂直于晶體的側(cè)面。利用這樣類(lèi)型的扇形周期結(jié)構(gòu)晶體，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的平移晶體的輸入面就可以去改變周期性反轉(zhuǎn)晶體的周期長(zhǎng)度，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)相位匹配，就可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)大范圍的連續(xù)調(diào)諧，并不需要像單周期反轉(zhuǎn)晶體那樣去調(diào)節(jié)周期結(jié)構(gòu)晶體溫度。相比于單周期晶體的溫度調(diào)諧的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的調(diào)諧速度和操作容易程度得到了很大的提高。

結(jié)論：

本設(shè)計(jì)提出通過(guò)平行移動(dòng)來(lái)變換非線性晶體扇形結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)度，在可調(diào)諧的兩個(gè)波長(zhǎng)輸出的CO2激光中差頻產(chǎn)生太赫茲輻射方案，該方案在周期性反轉(zhuǎn)晶體中共線差頻可以產(chǎn)生多波段的太赫茲。該方案不僅可以克服現(xiàn)行技術(shù)的很多不足之處，還可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換效率高的太赫茲波輻射。兩束泵浦激光差頻產(chǎn)生的太赫茲波輻射在醫(yī)用物理診斷、安全部門(mén)檢查、環(huán)境問(wèn)題監(jiān)測(cè)、藥物制劑檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域顯示出了非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Rao Zhi-Ming,He Zhi-Fang,Du Jian-Qiang, “Efficient Terahertz Surfaceemitted Difference Frequency Generation in Periodically-inverted GaAs Crystals,”[J]Advanced Materials Research，2011：301-303，334-337.

[2]Zhiming Rao,Tao Wu,Yan He,Qing Ye,Keyun Xiong,Li Zhou.The scheme of Efficient Terahertz Difference Frequency Generation in two-dimensional periodical Crystals by CO2laser[J].POEM2011.SPIE.,November 2-5，2011，8330:83300Q(1-5)，Wuhan.