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波前倾斜强场太赫兹时域光谱仪原理

来源: 2016-04-14 16:08:13      点击:



光整流THz辐射的产生原理

光整流效应产生 THz 的方法是一种常见的 THz 产生方法。在 20 世纪70 年代初,Yajima 以及 Yang 等人分别报道了利用光整流效应在非线性晶体中辐射 THz。当一束强激光在非线性介质中传播的时候,强光在介质内部通过差频振荡会产生一个恒定的电极化场,光整流效应是一种二阶非线性效应,可以看作 Pockels 电光效应的逆过程。利用光整流效应产生 THz 的非线性晶体,一般选择有 LN 晶体、ZnTe 晶体等闪锌矿半导体。当飞秒激光打在非线性晶体上,基于海森伯不确定原理,脉冲宽度为飞秒量级的脉冲激光包含有较宽的频谱,在二阶非线性过程中,这些不同频率的光波差频产生低频的电磁脉冲,这就是 THz辐射。

波前倾斜强场太赫兹产生

上面的方法是较为普遍的产生 THz 的方法, 然而在人们对THz源不断的研究发现过程中,新的 THz 源也不断的向宽频谱、脉冲能量大的方向发展。例如空气法产生强 THz,通过飞秒激光电离空气,四波混频产生的 THz 频谱可达几十THz。而 THz 峰值强度也可达 MV/cm2002 J. Hebling 等人提出利用波前倾斜的方法产生 THz, 通过倾斜入射到切割好的 LN晶体上脉冲激光的波前,实现在THz出射方向上THz与飞秒激光的波速匹配, 从而突破紧束缚条件的限制,激发出强的THz脉冲。如下图所示:


波前倾斜强场太赫兹系统解决方案:Tera-AX



强场太赫兹时域光路图

波前倾斜原理


   一束波前倾斜的光束照射在特定切割角度的铌酸锂(LiNbO3)晶体上产生太赫兹辐射,太赫兹光束(橙色)垂直于波前。当太赫兹的波速和激发光波速相等时,相位匹配条件便达成,这需要精确恰当的波前倾斜角度γ。

那么如何倾斜波前呢?一般需要全息光栅来倾斜波前,激发光束照射以入射角α照射在光栅上,一级衍射光束出射角度ø(取决于光栅常数),在这个角度下,宽光束两边光程发生变化,意味着等相位面(即波前)发生γ2 ~ 70°的倾斜。

图中绿色的线表示激发光波前倾斜角度,透镜将入射光束光斑成像在LiNbO3晶体上,并且将光斑缩小了1/2,所以入射面处的倾斜角度γ1也不同于光栅面出的倾斜角γ2,与此同时,由于LiNbO3内部光波速度变慢,所以铌酸锂晶体内部倾斜角度γ也不同于晶体外倾斜角度γ1


实际光路原理图




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