基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体

基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体摘要:文章介绍了ZnGeP2,GaSe,CdSe,GaAs,GaP,DAST等几种用于太赫兹辐射的中远红外非线性光学晶体的非线性性能,总结了利用它们通过非线性光学差频产生太赫兹方面的最近进展。最后给出了获得较高转换效率和能量的太赫兹波输出的非线性光学晶体应具备的条件。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。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0.9958～1.034μm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(organicsalttrans24′2(dimethylamino)2N2methyl242stilbazoliumtosylate)是一种有机光电材料,有最大的二阶非线性光学系数d11=290pm/V、较大的电光系数和较低的介电常数,并且具有较长的相干长度和较快的响应时间,这不但十分有利于差频相位匹配以及太赫兹波的产生,而且还十分适合用作对太赫兹波辐射的快速调制和探测。但是高质量、大尺寸的DAST材料的生长比较困难;国内中科院理化所通过水溶液法生长了DAST多晶,并应用于太赫兹的产生,计算图3所示从图3中可以看出DAST的折射率以及吸收情况:在小于1THz时,DAST晶体具有较低的吸收损耗,在大于1THz时,吸收系数较大。有机晶体DAST是一种高效率的太赫兹产生晶体,优化生长条件后将可得到更高的非线性转换效率,是迄今产生太赫兹效率最高的非线性晶体。此外,研究表明DAST也是一种高性能的太赫兹探测晶体。3差频产生太赫兹电磁波的最近实验结果Y.J.Ding等采用Nd∶YAG激光输出的脉宽10ns的1.0642μm激光和其三倍频355nm参量振荡得到的1μm附近的信号光差频实现了可调谐的太赫兹输出。实验中采用ZnGeP2,GaSe,GaP等晶体,得到了几乎覆盖整个太赫兹波段的较强的相干THz波输出[13-14]。他们的实验代表了采用这几种非线性晶体差频得到太赫兹波的最高输出峰值的报道,如表2所示。采用ZnGeP2晶体时,有oe-e和oe-o两种类型的相位匹配情况,它们的有效非线性系数分别为d(oe-e)eff=d36sin2θcos2φ,d(oe-o)eff=d36sinθsin2φ。由于前者非线性系数大于后者,采用oe-e匹配获得了更高峰值输出。采用GaSe晶体时,通过两种匹配获得了中远红外乃至毫米波段的宽带可调谐。对比这三种晶体，采用GaSe获得的峰值功率最高。对于GaP晶体,两混频波长接近于1.064μm时,差频过程的相干长度仍然足够长,仍可认为此差频过程满足相位匹配条件。日本科学家T.Tanabe采用类似系统在GaP晶体通过非共线相位匹配实现了(0.5～3)THz的可调输出,在1.3THz处达到480mW的峰值功率输出[15]。在这种非共线相位匹配中,虽然获得了更宽的调谐范围，但由于太赫兹波与两束抽运光在晶体中夹角大,减小了三束波的空间重叠性,大大降低了三波转换效率。所以,Y.J.Ding等采用共线相位匹配,使三束参量光的空间重叠最大,从而可使太赫兹波输出功率更高。2005年,加州大学的S.Ya.Tochitsky利用250ps脉宽的CO2脉冲激光器输出的在10μm附近的两束激光,通过GaAs晶体非线性相位匹配,产生了(0.1～3)THz范围的可调输出,在0.897THz的峰值功率达到2MW[16]。采用DAST晶体差频产生太赫兹电磁波辐射的也较多。1999年K.Kawase等利用电可调的Ti∶Al2O3双波长激光在DAST晶体差频获得了最高峰值功率2.5μW,脉宽32ns的1.4THz的输出[17]。当他们用LiNbO3,LiTaO3,KTiOPO4和GaP替换DAST进行差频时,未探测到太赫兹波的输出,表明DAST有更高的转化效率。2004年,T.Taniuchi等利用1300～1450nm范围内的共线双波长激光,在DAST晶体中获得了(2～20)THz的宽调谐输出,泵浦脉冲能量为0.6mJ,获得了4.4THz的12nJ和19THz的152nJ脉冲能量的输出;加上先前他们利用1.064μm附近的KTP-OPO经过DAST晶体的非线性差频实现了(0.2～6.5)THz的电磁波输出,所以DAST有机材料可以实现频宽达(0.2～20)THz的电磁波输出[18]。高质量结晶的DAST可使太赫兹产生的功率更高,频带更宽。4分析和总结对于目前的中远红外非线性晶体应用于太赫兹波频段,要想获得较高转换效率和能量的太赫兹波输出,非线性晶体应具备的条件:1)具有大的非线性系数deff。如有机非线性材料DAST由于具有远大于无机非线性晶体的非线性系数,可获得高转化效率输出。但其吸收大及生长困难的缺点限制了它的应用。在无机非线性晶体中,ZnGeP2和GaAs等晶体具有较高的非线性系数。2)在太赫兹波段具有小的吸收系数。以上给出的几种非线性晶体中,GaSe和ZnGeP2在太赫兹波具有较低的吸收系数。虽然ZnGeP2的非线性系数大于GaSe,但由于其在太赫兹波段的吸收系数相对GaSe偏大,限制了产生的太赫兹波的有效输出,所以吸收系数是目前影响太赫兹输出的重要因素之一。3)具有高的激光抗损伤阈值。对于有较高的激光抗损伤阈值晶体,可以通过提高激光功率密度来实现高的非线性转换效率。4)相位匹配性能优良,具有宽的位相匹配范围。GaSe等晶体可以获得较宽太赫兹波段的的可调谐输出。跟一般近红外和可见光波段的非线性频率变换不同,在远红外乃至太赫兹波段,一些光学各向同性晶体(如GaP,GaAs)由于存在反常色散,虽然不具有双折射,但是可以采用反常色散补偿来实现相位匹配,它们和其他非线性晶体比较可以在不旋转晶体的情况下获得调谐的太赫兹输出,在实验中利用非共线相位匹配,可以在更宽的波段实现相位匹配。参考文献:[1]BradleyFerguson,张希成.太赫兹科学与技术研究顾[J].物理,2003,32(5):286-293.[2]曹俊诚.太赫兹辐射与探测器研究进展[J].功能材料与器件学报,2003,9(2):111-117.[3]姚建铨,路洋,张百钢,等.THz辐射的研究和应用新进展[J].光电子・激光,2005,16(4):503-510.[4]ZhipengWang.Generationofterahertzradiationvianon2linearopticalmethods[J].IEEETrans.Geosci.RemoteSensing,2002,1(1):1-5.[5]EDPalik.Handbookofopticalconstantsofsolids[M].NewYork:AcademicPress,Vol.Ⅰ(1985);Vol.Ⅱ(1991);andVl.Ⅲ,1998.[6]YJDing,WShi.Widely2tunable,monochromatic,andhigh2powerterahertzsourcesandtheirapplications[J].J.NonlinearOpt.Phys.Mater.,2003,12(4):557-585.[7]YJDing,IBZotova.Second2ordernonlinearopticalma2terialsforefficientgenerationandamplificationoftempo2raly2coherentandnarrow2linewidthterahertzwaves[J].Opt.Qua