【2016】【论文笔记】差频可调谐THz技术——

前言

类型
$太赫兹+通信$
期刊
$物理学报$
作者
$柴路,牛跃,栗岩锋,胡明列,王清月$
时间
$2016$

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研究目的

THz源

根据太赫兹源的频谱特性可以分为：

• 窄带（单频）太赫兹源：有很好的光谱灵敏度、分辨率，适用于$\stackrel{◯}{1}$太赫兹抽运-探测、$\stackrel{◯}{2}$分子振转能级谱精细结构分辨、$\stackrel{◯}{3}$太赫兹远程探测和成像
• 宽带太赫兹源：用于$\stackrel{◯}{1}$快速获取较宽频谱范围的分子振转谱，$\stackrel{◯}{2}$实现混合特征谱的快速检测或成像

分子内部的运动：
$\stackrel{◯}{1}$电子相对于原子核的运动（电子能级），能级跃迁产生紫外、可见光谱
$★\stackrel{◯}{2}$原子核在平衡位置附近振动振动能级），能级跃迁产生振动光谱
$\stackrel{◯}{3}$分子本身绕其中心的转动转动能级），能级跃迁产生转动光谱

从频谱技术方面来说，相干的宽带和窄带太赫兹谱是一种互补性关系

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差频源

差频技术是获得高功率、宽调谐窄带太赫兹源的重要技术

• 光学激光差频源
• 量子级联激光器QCL差频源（室温下工作）

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光学差频THz

要获得连续可调谐的THz，要求获得两个功率高、波长接近，两波的频率差在THz波段

还需要在何时范围内连续可调谐的双波长抽运源

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单激光器双波长差频源

单激光器是指激光腔内仅有一种激光增益介质 ， 可以利用增益介质自身的复合能级结构和辅助技术(比如Fabry-Perot (F-P)效应)实现波长相近的多波长运转

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双激光器双波长差频源

两台相近波长的激光器 $\stackrel{◯}{1}$直接差频 或 $\stackrel{◯}{2}$在复合激光腔内有两块激光增益介质 分布实现相近波长的振荡

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激光器与OPO差频源

将双波长激光器的一束激光替换为 OPO（光学产量产生）

因为OPO的信号光或闲频光的可调谐范围，远远比一般的激光器宽

所以可实现扩展差频产生的THz波的可调谐范围

OPO有多种调谐方法：
改变晶体的方向、温度、极化周期、外电场

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单OPO差频源

利用 近简并点 的信号光和闲频光之间的差频实现THz波

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双OPO差频源

指参与差频产生THz波的两束入射光为 参量过程 产生（输出）的信号光或闲频光

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$★$非线性晶体

用于差频产生THz的非线性晶体，要求如下：

1. 较高的二阶非线性系数
2. 较低的THz波段吸收系数
3. 较高的损伤阈值
4. 晶体的相位匹配波段符合可利用的激光波长

在差频THz实验中采用的非线性晶体分为：无机和有机晶体和准相位匹配晶体

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无机非线性晶体

常用的差频产生THz的无机非线性晶体：$GaAs,GaP,GaSe,MgO:LiNb{O}_3$

优点：有较高的损伤阈值

缺点：在高频段的THz波，光子吸收非常严重，所以很难再$10THz$以上产生有效的THz
（这个缺点可以由有机非线性晶体弥补）

对这些晶体的改进方法：
$\stackrel{◯}{1}$掺杂改性（还有改变晶体生长方法、掺杂硫）
$\stackrel{◯}{2}$波导改型
$\stackrel{◯}{3}$准相位匹配

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$\stackrel{◯}{1}$掺杂改性

主要是对$LiNb{O}_3$改性，掺杂$MgO$和近化学计量比？

因为$LiNb{O}_3$存在光折变效应（光感生折射率变化现象），
而且低损伤阈值不足（容易达到造成损伤的功率）

另外，改变晶体生长方法、适当掺杂硫都可以改善$GaSe$的光学性质、导热性、硬度、损伤阈值

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$\stackrel{◯}{2}$波导改型

用波导对传输波进行约束，以改善THz波束质量，增加非线性作用长度，减少传输损耗

中国台湾清华大学2011年报道，将PPLN（倾斜周期极化铌酸锂）的通光面减小到形成对THz波段的波导约束，而对抽运波段非波导限制，称之为“非线性光学半波导”

日本东北大学在2012年报道，利用自制的光子晶体和桥型结构的GaP波导中实现了非共线差频产生THz波 ，

2015年, 他们提出将GaP桥型波导嵌入高阻硅基槽型波导中, 形成对THz波的全内反射型约束功能, 可以将差频产生THz波的光子效率提高两个数量级

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$\stackrel{◯}{3}$准相位匹配

为了增加非线性晶体的相干长度，提高转换效率
（尽量在相干长度的周期，实现晶体的非线性系数变化）

在差频产生THz波技术中, 对于铁电材 料主要采用“周期极化”技术

（周期性极化光栅，用于准相位匹配中，对晶体非线性系数进行周期调制，从而补偿由于色散造成的相位失配）

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2012年美国里哈伊大学报道的PPLN中差频, 获得最高233 W峰值功率的THz波. 而对于半导体材料主要采取“晶轴反转片堆”方法
——将晶体（比如GaP）沿通光方向按照其相干长度(厚度)堆积， 再将每个相干长度的晶轴反转排列，并采用“无胶扩散黏接法”构成“准相位匹配”的半导体片堆

2011年美国NP光电子公司报道在共振环形腔中采用4层GaP片堆差频产生了平均功率$339\mu W$, THz转换效率$2.43\times 10^{-4}$

同年, 美国里哈伊大学同样采用4层GaP片堆差频产生THz波的峰值功率高达4 kW, 光子转换效率40% . 对于另一种常用的半导体材料GaAs, 其构成“周期反转片堆”的一种方法是直接堆积晶片

2011年, 美国斯坦福大学采用11层和15层GaAs晶片构成“周期反转片堆”， 在环形共振腔中实现平均功率$200\mu W$的THz波输出。另外一种方法是采用分子束外延和氢化物气相外延结合生长取向反转的GaAs/Ge/GaAs层系, 可以实现不同周期的准相位匹配GaAs.

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有机非线性晶体（实现宽带可调谐THz的主要材料）

优点： 有较大的二阶非线性系数，对THz波的宽带透过特性好

有较高的电光系数，覆盖全THz域的窗口宽度，适用于高效宽带可调谐差频源

苯乙烯基吡啶晶体DAST
酚烯晶体OH1
喹啉晶体HMQ

还有通过有机大分子中的阴阳离子替换，开发出的上述晶体的衍生物晶体

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量子级联激光器QCL差频THz

差频技术与QCL相结合实现了室温下运转的小型化单频和宽调谐的THz QCL是最新的突破性进展

标准注入型QCL在中红外波段可以室温运转, 而在THz波段由于受到半导体量子阱材料、掺杂特性和制作工艺所限, 目前只能处于低温运转状态, 而且效率比较低

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QCL内腔差频THz

QCL的差频THz技术是利用量子级联技术在中红外产生双波长激光, 并直接利用激活区半导体材料中大二阶非线性极化率产生差频辐射

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QCL差频THz的调谐

调谐技术主要有内腔温度调谐和电调谐以及外腔光栅调谐, 还有利用加工技术形成多波长列阵型差频THz激光器

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结论

光学差频能产生高功率、窄线宽、宽调谐的THz波

光学差频源：单激光器双波长源、双激光器双波长源、单OPO源、双OPO源

非线性变换晶体包括无机晶体、有机晶体和准相位匹配型晶体等

QCL差频的相关技术有：中红外QCL双波长产生技术、在半导体材料中直接差频产生THz的切伦科夫相位匹配耦合输出技术、对中红外QCL双波长的调谐技术

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问题

什么是近化学计量比？怎么用这种方法对$LiNb{O}_3$进行改性？

什么是周期晶轴反转？

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