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1、基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体关键词:太赫兹;非线性光学晶体;差频;相位匹配1.引言太赫兹(0.1～10.0THz)是介于毫米波与红外光之间的电磁辐射区域,波长从30μm到3mm,具有其他电磁波段所不具有的特性,在材料研究、太赫兹成像、生物医学、加工、空间探测、国防工业和反恐等领域具有重要的应用价值[1]。由于缺少有效的太赫兹波辐射源和检测方法,人们对太赫兹波段的特性了解较少,是电磁波谱中最后一个有待全面深入研究的频率段。目前用于产生太赫兹波辐射的方法主要有[2-3]:气体激光器;半导体量子级联激光器;利用飞秒激光照射半导体材料表
2、面产生;通过施加偏置电压,用激光脉冲激发光电导偶极天线产生;由自由电子激光器(目前获得太赫兹最高输出功率的方法);非线性光学效应的光整流;差频过程获得太赫兹波等。差频产生太赫兹主要通过波长比较接近的抽运光和信号光在非线性晶体中差频获得相干的太赫兹波输出,它具备没有阈值、可实现宽的可调谐输出、设备相对简单紧凑并可实现全固化等优点[4]。选用合适的非线性晶体是差频产生太赫兹的关键。目前被用于产生太赫兹波的非线性光学晶体是一些在中远红外波段具有较好非线性特性的晶体。本文着重对这些中远红外非线性光学晶体性能进行比较,并对差频产生太赫兹波的现状进行了介
3、绍。2.几种中远红外非线性光学晶体目前,用于太赫兹产生的非线性晶体主要有ZnGeP2,GaSe,CdSe,GaAs,GaP,DAST,LiNbO3,LiTaO3等中远红外非线性光学晶体,由于它们各自独特的物理性能,在太赫兹波段得到应用。这些晶体用于太赫兹产生的主要制约因素之一是吸收较大。图1给出了它们在太赫兹波段的吸收系数[5-6]。在太赫兹波段,GaSe晶体的吸收系数最低,其次是ZnGeP2,GaAs等。其中,LiNbO3,LiTaO3的吸收系数非常大,需通过适当的结构设计,使太赫兹波从侧面耦合输出;它们较多的被用于光参量振荡来产生太赫兹。
4、图1用于太赫兹电磁波产生的非线性晶体的吸收系数2.1ZnGeP2,GaSe,CdSe[5-7]ZnGeP2,GaSe,CdSe都属于光学各向异性晶体,具有较大的非线性系数和双折射效应,可根据晶体的双折射效应和正常色散方程,在较宽的波长范围实现相位匹配,并且他们在中远红外波段到THz波段具有相对较小的吸收系数。它们的部分性能参数比较如表1所示。磷化锗锌(ZnGeP2)晶体在近红外区域(1～2μm)具有毫无规则的大的吸收系数(1.064μm处吸收系数达到5.63cm-1)。在文献[6]中通过退火处理,在该范围的吸收系数可以得到显著的降低,降至吸收
5、系数0.75cm-1。非线性系数d36达到75pm/V,是KDP晶体的160倍,是所有已知的无机非线性光学晶体中非线性系数最大的晶体之一。因而被认为是非常有吸引力的红外非线性材料,在红外倍频、混频和光参量振荡等方面都有很好的应用前景。硒化镓(GaSe)晶体具有很多作为非线性材料应具备的优异特性:很大的非线性系数和较宽的透过波段;较宽的相位匹配波段;它是THz波和亚毫米波段吸收损耗最小的无机材料,在0.65～18μm吸收系数小于1cm-1。GaSe晶体己被确定为用于工作在0.7～18μm光谱范围的非线性材料。另外,GaSe晶体具有良好的热学、机
6、械特性,有利于中红外波段非线性频率的变换。硒化镉(CdSe)晶体的非线性系数相对前两个晶体较小,但透过波段较宽。它的吸收系数较小,但是到目前为止所测定的数据限定在72μm内。2.2GaAs,GaP[8-9]GaP和GaAs晶体都是具有闪锌矿结构的半导体化合物,属于立方晶系,43m点群。这两种晶体都具有大的非线性系数和比较低的吸收系数。GaP透过的波长范围为0.6～10μm,非线性系数为d14=37pm/V。GaAs透过的波长范围为0.9～17μm,非线性系数为d14=94pm/V。根据理论计算,发现对于GaP和GaAs晶体,混频波长分别在0.
7、9958～1.034μm范围和1.2551～1.3339μm范围内才可实现共线相位匹配差频,所以可以分别采用掺Yb的固体激光器发射的1.031μm激光和掺Nd的固体激光器输出的1.3μm附近的激光作为泵浦源。在室温下,它们的直接跃迁能隙分别为2.78eV和1.43eV。其中,GaP晶体以1.031μm的波长作为泵浦光时，双光子吸收系数趋近于0,可以实现更高功率和强度的THz波输出。虽然是各向同性的立方结构,不存在任何双折射,但它仍然可以满足相位匹配条件,这是因为在太赫兹区域存在着反常色散,如图2所示。利用反常色散来达到补偿色散的方法实现差频相
8、位匹配npωp-nsωs=nTωT。并且,该晶体仅通过改变泵浦波长即可实现输出波长的可调谐,不需要旋转便于操作。2.3DASTDAST(organicsalttra
