基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论课件.ppt

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1、利用晶体产生THz波基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论主要理论：1.产生红外辐射相关的非线性光学基本原理2.晶体振动的声学波与光学波3.晶体格波与光场相互作用4.极性非线性晶体中耦合场量子的形成机制5.利用晶体的耦合场量子受激散射过程产生THz电磁波的基本原理基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论1.产生红外辐射相关的非线性光学基本原理光波在非线性介质中传播时服从麦克斯韦方程组：介质中的物质方程：反映电荷守恒的表达式：描述全部光学现象的波动方程表达式：表示光场在介质中产生的总电极化强度，物理含义为介质内单位体积内感应的电偶极矩与

2、的关系:光电场微弱时：强光场时：基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论基于差频混频的红外辐射原理（1）差频混频的三波耦合二阶非线性效应的差频混频过程通常用于光频下转换，例如频率为，的两个入射光波在非线性晶体中相互作用产生第三个波的过程，此时与差频过程相关的二阶非线性极化强度是：频率为，，的三个平面波穿过非线性晶体时的电场为：非线性晶体中总电场为：将总电场带入麦克斯韦方程，得到行波方程为：忽略介质的损耗，并且设三个波都沿z方向传播，则标量形式为：将上式代入二阶极化强度表达式：可以看到二阶极化强度包

3、含多种频率的傅立叶分量，其中与差频相关的成分为:上式代入行波方程描述差频混合的三波耦合方程：差频过程的相位失配：差频红外辐射的输出功率和转换效率：无损小信号情况下的近似：设晶体长度为L，忽略吸收，即：在晶体出射端内侧的红外辐射电场强度为：即：晶体出射端面上单位面积的出射功率(强度)为：输入功率和输出功率形式可表示为：其中：与条件下，由曼利-罗关系：三波功率转换存在的关系式：最大转换效率为：利用差频产生THz电磁波实验利用DAST晶体通过差频方法产生THz电磁波示意图2.晶体振动的声学波与光学波光辐射以及杂质、缺陷、温度等因素又影响了固体中原

4、子和电子的集体运动，使固体处于激发态。实际固体(晶体)的宏观性质就是处于激发态上的固体中原子、电子集体运动的总体现。固体物理表明，晶体中的激发态是由一些基本的激发单元组成的，它们具有量子特性，也被称为元激发。晶格的振动有多种类型或方式，每一振动方式可用角频率和波矢来表示，并分成不同的振动模式，以由两种原子M和m组成的一维复式格子为例:这种情况下和波矢有两种色散关系:对于这种简单的，晶体中的每个原胞又可以看成是一个电偶极子，因此光学波等效来源于电偶极子电矩的振动，声学波则来自电矩质心的振动。对于声子，在长波区，声学波是弹性波而光学波是极化波。

5、布里渊散射是弹性波引起晶体中内部密度变化而形成的散射。而极化波则引起晶体内部的电极化，也会使入射的光发生散射，这就是拉曼散射。固体理论表明，三维晶格的每个模式的格波有三个波:一个是纵波，其振动方向沿波矢万的方向，即振动方向与波的传播方向一致;两个是横波，振动方向正交且与波矢k垂直，即振动方向与波的传播方向垂直。声学波的横波和纵波分别用TA和LA表示，光学波的横波和纵波分别用TO和LO表示。3.晶体格波与光场相互作用（1）长使晶体宏观极化（2）LO，TO伴随的极化场不变，（1）在y向上下端的两个“原胞”表面则出现无法和其它原胞电荷相互抵消的正

6、负电荷（2）位移电流（3）相反方向的位移电流等效形成环状电流，随时间变化的位移电流会感生出磁场，该磁场又感生出电场(位移电流)。显然光学横波通过晶体时，伴随的是交替激发的电场和磁场，而不是静极化场固体理论认为，TO声子的电磁性是潜在的，也就是说往往要通过光的入射才能表现出来，激光入射到晶体时可以激发起光学波，实际上是入射光波的电磁场和晶体格波(晶体振动)的相互作用问题，长光学横波的电场旋度来自于随时间变化的磁场，磁场的旋度又来自于变化的电场。电场和磁场的交替变化形成电磁场。光波和晶体格波的相互作用分析：对于离子晶体中的长光学波，正负离子的振

7、动方向完全相反，这样可以用两个坐标和来描述质量为和的两个离子的运动，引进质心坐标：折合质量：近似处理：（1）简谐近似（2）绝热近似离子晶体中光学波满足下列黄昆方程：代表振动方程，线性回复力，并且代表电场附加的回复力代表极化，代表离子位移引起的极化，是电场带来的极化在高频下，，因为离子质量比电子质量大得多，可以认为高频下的电极化强度主要由电子的极化决定，即得为晶体的光频介电常数低频下(静态)，由黄昆方程得：得：黄昆方程的解具有的形式，其中为格波的波矢。令，位移和极化场满足下列关系式：将上面方程代入黄昆方程，可以得到横向振动方程：并由此得出横向

8、光学模频率为：纵向波振动方程为：由此得纵光学模频率：左式称为LST关系。其中和分别为体系的静态和高频(光频)下的介电常数。4.极性非线性晶体中耦合场量子的形成机制组成晶体的原子或