【word】 基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

【word】 基于四波混频效应的窄带太赫兹波源 基于四波混频效应的窄带太赫兹波源 第22卷第8期 2010年8月 强激光与粒子束 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS Vo1.22,NO.8 Aug.,2010 文章编号:1001—4322(2010)08—1785—05 基于四波混频效应的窄带太赫兹波源 周平,范滇元 (中国科学院上海光学精密机械研究所,高功率激光物理国家实验室,上海201800) 摘要:采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑, 频率可凋的窄带太赫兹波源.为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面发射机制.从耦合波理论出发, 详细 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条 件.结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比.当泵浦光峰值 功率为1kW,在6THz处得到的太赫兹波峰值功率达350mw,功率转换效率约为0.O1.通过合理设置泵 浦波长,可以实现太赫兹辐射在3,8THz范围内连续调谐.该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 提供了一种新型的高功率,紧凑型的窄带 太赫兹辐射源. 关键词:非线性光学;太赫兹辐射源;四波混频;保偏光纤;相位匹配 中图分类号:0437文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB20102208.1735 自20世纪8O年代以来,由于超短脉冲的飞速发展,特别是9O年代初钛宝石激光器的出现,使得太赫兹辐 射源的研究取得了长足进展,同时也在世界各国掀起了一股研究热潮.在提出的数十种太赫兹辐射产生方案 中,采用飞秒激光脉冲激发光电导天线,非线性晶体或空气等离子体等是目前最常用的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .然而这些方案产 生的多为宽带太赫兹脉冲,因而不能适用于相干光谱学,外差接收系统等一些需要窄带辐射的特殊情形.传统 的产生窄带或连续太赫兹辐射的技术有自由电子激光器,二氧化碳气体激光器,返向波管,耿氏二极管振荡器 等I12],但是这些辐射源大都体积庞大,造价昂贵,而且世界上只有少数几个机构能够制造和销售.另外一大类 非常有发展前景的连续波辐射源是半导体太赫兹激光器和量子级联激光器口_61,但是为了减轻热弛豫对粒子数 反转的影响,这两种半导体激光器都要工作在极低温环境中.泵浦光 在光纤中的强约束提高了其功率密度,因 而相应的可以提高太赫兹波的输出功率.光纤材料在太赫兹波段的吸收系数(约为5cm)远远低于其它非 线性晶体(如LiNbO.约为30cm).另外,基于光纤的系统结构紧凑,造价低廉,而且在室温工作,相比于其 它的辐射系统具有很大的优势.目前已经有一些研究致力于太赫兹波在光子晶体光纤中的产生和传播_7,但 基于普通光纤的产生方案则研究得很少].本文提出了一种基于保偏光纤四波混频效应的新型窄带太赫兹波 源,采用耦合波理论对保偏光纤中四波混频过程进行了理论推导,得到了辐射功率的解析表达式及转换效率, 并详细讨论了四波混频过程中实现相位匹配的条件. 1基于单模光纤的太赫兹辐射系统 传统上,光纤中的四波混频研究主要集中在 光纤通信方面.在密集波分复用系统中的四波混 频效应将造成系统性能下降,因而需要抑制;另一 方面,利用四波混频可以实现全光波长变换,参量 放大,解复用,色散补偿等”].正是利用四波混 频的波长变换特性,我们发展了一种新型的太赫 兹产生方案,如图1所示. 由于本方案中的四波混频过程为非简并的, 需要两个泵浦光束.为保证两束泵浦光相位相 关,我们采用双波长激光器作为泵浦源,并且为保 reflector wavegenerationschemebased Fig.1Terahertz— onpolarization—maintainingoptical[ibers 图1基于保偏光纤的太赫兹产生方案 *收稿日期:2009—11-16;修订日期:2010—04—07 基金项目:国家高技术发展计划项目 作者简介:周平(1979),女,博士,从事非线性光学研究;zhoup0615@163.corn. 强激光与粒子束第22卷 证太赫兹系统的可调谐性,双波长激光器也必须是可调谐的.已有多种技术方案可实现可调谐的双波长激光 器ll”].双波长激光器输出频率为,CO的两路光束作为泵浦光,其频率差在太赫兹范围,即CO,60z一?n. 两路泵浦光束经过分柬镜,其中一路再经过一个BBO晶体获得频率为.的倍频光,倍频光作为四波混频过程 中的信号光,然后3个光波耦合进入保偏光纤,在光纤中发生四波混频效应,得到闲频光,即太赫兹输出.文献 E93也提出了基于四波混频效应的太赫兹辐射方案,与他们不同的是,我们采用双波长激光器获得频率差在太 赫兹范围的两束激光,这样就避免了采用两个独立激光器泵浦时需要解决的相位锁定问题,而且由于通过四波 混频产生的太赫兹波的频率正好等于双波长激光器的两路输出频率之差,这样通过调节双波长激光器的频率 差,就可以方便地调节太赫兹的输出频率,从而实现输出的宽带可调. 由于光纤材料对太赫兹波的吸收较大,为降低吸收损耗,我们采用了表面发射机制.表面发射机制最初被 用在周期媒质或波导中产生二次谐波口.,它是一种Cherenkov辐射.当在泵浦光传播方向上的波矢失配量 等于零时,非线性极化波的相位不随传播距离变化,即偶极振荡在泵浦光传播方向上的每一点具有相同的相 位,因此偶极振荡产生的辐射只能在与泵浦光传播方向相垂直的方向上传播.在与泵浦光传播方向相垂直的 平面内存在的相位失配量AK可以通过准相位匹配结构进行补偿,或者利用由于光束紧聚焦引起的动量不确 定度进行补偿,在本方案中是利用动量不确定度进行横向相位匹配的. 四波混频过程要求满足能量和动量守恒. 图2(a)所示是太赫兹产生过程的能量守恒关 系,图2(b)是相位匹配关系.这些关系可以表 达为 1+?2,3一4—0(1) k1+k2+AkNL—k3—0(2) 足4,?K一0(3) 式中:(一1,4)是各波的角频率;尼,(=1, 4)是传播常数,下标1,3表示光波,下标4表 ?… 0)3 1 一一-一? 0)1 1r (a)energy—conservation(b)phase-matchingconditions Fig.2Four-wavemixingprocess 图2四波混频过程示意图 示太赫兹波;Akw是由于自相位调制和交叉相位调制引起的非线性相移.各波的角频率之间存在关系:叫一 鲫l一4,3—20)2. 我们采用光纤的三阶极化率张量元z,即频率为(11,03.的泵浦光在z方向偏振,而频率为叫.的信号光 在Y方向偏振,产生的频率为09的太赫兹波也在方向偏振,为此需要采用双偏振保偏光纤.在准连续条件 下,四波混频过程中各波可写为 1 E1(,.,,)一去1(,y)A1()exp[i(kl一1)]+c.c.(4) E2(r,,)一 E3(r,,)一 E(川)一专(z,exp(一i)]+. 式中:A(J一1,4)是缓变包络c.是复共轭;F(,)(一1,2,3)是光场横向模 式分布. 3个光波的耦合波方程可以写为弘 一 i),(1AIz+2IAlz+IA.lz)A Q5 :iyz(2IA{.十IA.{z+_=_2IA .I.)An5 dA3一 iYa(_詈_fAf.+2fAf.十IA.f.)A. (5) (6) (7) 沿光纤方向传播的 (8) (9) (10) 式中:yJ是频率为cU的光波的非线性系数;系数2/3是由正交偏振态 之间的交叉相位调制引入的.在推导上 述方程时,忽略了由四波混频(FWM)引起的泵浦光的损耗.非线性系 数可写为 ff CC ++ ]] ,,, 十Df ?? 一一 愚忌 /?\,?\ [[ pp XX ee ,, (, AA ,\, zz //【曩 l一21—2 第8期周平等:基于四波混频效应的窄带太赫兹波源 ,一丁 n2coj(11) 式中:ffz,A分别是光纤非线性折射率和有效纤芯面积.为进一步简化,我们假设3个入射光波具有相等的有 效纤芯面积.在单模保偏光纤中,这种假设是合理的.从式(8),(11)可推导出光波场包络的解析表达式 A】()一~/P1exp[iy1(P1+2P2+?P.)2](12) A2(z)一~/P2exp[i72(2P1+Pz+P.)](13) A3()一~/P3exp[iy3(鲁P1+?P2+P.)](14) 式中:P一fA,(O)『,P,P,P.分别是各光波的峰值功率. 太赫兹波满足的方程可写为 .A4+}H忌:A4一一o(cJ42P(15) 其中r/TH是光纤中太赫兹波的折射率,PNL一,.FFF.AA.Aexp~i(k+惫一k.)z].把式(12), (14)代人式(15),得到太赫兹波包络满足的方程 .A+H志A一一号OEOzFFF.~/exp(iJ&)(16) 一 是1+k2+?志NL一是3(17) ?忌一),(P+2P2+亏P3)+yz(2P+Pz+号P.)+(号P+专Pz+Pa)(18) 为了解方程式(16),我们定义了一个标量Green函数G(x,Y,,,r/),则式(16)的解可写为 A(z,Y,2)一一号,.:盟丽fIF(,叩)F(,叩)(?,q)G(x,Y,z,,q)d~dq(19) 我们首先求得(,叩):(O,o)处的Green函数 G(z,Y,)一?H.()exp()c.??exp(一i)exp(i)c.,up》1(2o) 其中用到了Hg的渐进表达式,一=一7/THzkcos0,lz—psin9,Y—pcos9.在(,叩)?C0,o)处的 Green函数可将(z,)坐标移位获得. 3个人射光波的横向模式分布可由高斯函数近似且用到了关系式z一3Re()/8nn和一/3. 2相位匹配条件 从式(22)可知,要使得太赫兹场产生表面发射,必须满足条件一0.这就表示需要在泵浦光传播方向上 实现相位匹配.从式(17)可知 一 惫l+志2+AkNL一是3一?是M-t-Akw+?电P+AkNlJ(24) 式中:?愚,?走w,?尼,?忌分别表示由于材料色散,波导色散,偏振模色散和非线性相移引起的相位失配.考 虑阶跃单模光纤的情形.在阶跃单模光纤中,引起相位失配的主要因素是材料色散.我们做出了相位匹配条 件下太赫兹频率与泵浦波长.的关系曲线,如图3所示.各参数选取如下:非线性折射率行一2.3×10.rn/ 1738强激光与粒子束第22卷 V?,有效纤芯面积A=12ffm,入射光波的峰值功率P一Pz—Ps一 1kW. wavelength/pmwavelength/p.m wavelength/pmwavelength/pro Fig.3RelationbetweenrequiredpumpwavelengthandTHzfrequency 图3太赫兹频率随泵浦波长的变化关系 图3表明,通过改变泵浦波长,可以在不同的太赫兹频率点实现相位匹配.泵浦波长越大,相应的太赫兹 频率越低.尤其是在5,7THz附近,很小的泵浦光调谐范围就可以实现太赫兹辐射的连续调谐输出,因此获 得了一个宽带可调的太赫兹辐射系统. 由式(23)可估算太赫兹产生功率.假设泵浦光波长一0.93ffm,相应的太赫兹频率为6THz,3个人射光 波的峰值功率P一P一P.一1kW,脉宽10ns,重复频率100kHz,相当于平均功率1w.这样的功率输出可 由半导体激光器和掺饵光纤放大器提供.非线性折射率疗一2.3×10.m./v.,模场半径2/am,光纤长度100 m,计算得到太赫兹峰值功率P~-350mw,功率转换效率约为3×10一.文献1-26]报道的高非线性光纤的非 线性系数y?640W?km,,比普通光纤高出两个数量级,如果采用这种高非线性光纤,太赫兹输出功率将 大大提高. 3结论 本文从理论上提出了利用保偏光纤中的四波混频和表面发射机制 产生太赫兹辐射的方案,进而从非线性 耦合波方程出发,对四波混频过程进行了理论分析,得到了输出太赫 兹波功率的解析表达式以及实现相位匹配 的条件.结果表明,光纤中的四波混频是产生太赫兹辐射的一种新型 的有效的途径,为实现高功率,可调,室温 操作和紧凑型的太赫兹辐射源提供了可能. 参考文献: [1]BrownER,SOderstrbmJR,ParkerCD,eta1.Oscillationsupto712GHzinI nAs/AlSbresonant—tunnelingdiodes[J].ApplPhysLett, 1991,58(2O).229卜2293. 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Narrowbandterahertzsourcebasedonfour-wavemixing ZhouPing,FanDianyuan (NationalLaboratoryforHighPowerLaserPhysics,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics, ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China) Abstract:Thispaperproposestheoreticallyanovelterahertzsourcebasedonpolarization—maintainingopticalfibers.Utili— zingthedual—wavelengthlaserasthepumpsourceandfour-wave-mixingeffectintheopticalfibers,acompactwide-tunablenar— rowbandterahertzsourcecanbeconstructed.Thesurface-emittingschemeis usedtodecreasetheabsorptionlOSSofterahertz wavesintheopticalfibers.Thefour-wavemixingprocessandthephase—mat chingconditionsarediscussedthroughthecoupled— wavetheory,andtheanalyticalexpressionofterahertzoutputpowerisobtaine d.Itisshownthatwhenthepumppeakpowerisa— bout1kW.theterahertzpeakpowerisabout350mWat6THz,andthepowerconversionefficiencyisabout0.01.This schemeprovidesapossibilitytorealizeahigh—power,compactnarrowbandt erahertzsource. Keywords:nonlinearoptics;terahertzradiationsource;four-wavemixing;polarization-maintainingopticalfibers; phase-matching