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光学差频产生THz

1利用非线性差频方法产生THz波

差频方法产生THz辐射的最大优点是没有阈值，实验设备简单，结构紧凑，

可室温运转。与前面提到的光整流和光电导方法相比，可以产生较高功率的THz

波辐射，且不需要价格昂贵的泵浦装置。其技术关键是获得具有较大的二阶非线

性系数，并在THz波范围内吸收系数小的非线性差频晶体，以及选择在此差频

晶体中可满足相位匹配条件，且输出功率高、波长比较接近的差频泵浦光（两波

长间隔视其所在波段范围所定，一般在十几个nm左右），从而理论可获得调谐

范围较宽的相干窄带、高功率的THz波输出，但其存在着转换效率较低，THz

波差频晶体价格昂贵，大尺寸、高质量晶体生长技术瓶颈难以突破等缺点。

早在上个世纪60年代中期，国外就有人利用一台钕玻璃激光器得到

1.059~1.073μm波长输出，通过利用一块石英晶体进行非线性差频，得到大约

3THz的输出，但输出效率很低。到了70年代，R.L.Aggarwal等人在80K的温

度下，用两个单模连续CO2激光器在GaAs晶体中通过非共线差频，在

0.3~4.3THz频率范围内实现了连续调谐的远红外辐射，线宽小于100kHz。而

K.H.Yang等人用一台双频率输出的染料激光器，在LiNbO3，ZnO等晶体中利用

共线和非共线相位匹配，均实现了在0.6~5.7THz连续可调远红外辐射，峰值功

率达到了200mW。

近年来，日本科学家T.Tanabe等人利用Nd：YAG激光器（输出波长为

1064nm）和该激光器三倍频输出所泵浦的BBO晶体光学参量振荡器（BBO－

OPO）的输出分别作为泵浦源和信号光，采用GaP晶体作为差频晶体，利用非

共线相位匹配配置，通过改变两入射光的夹角，实现了0.5~3THz的太赫兹波调

谐输出，并在1.3THz处达到480mW的峰值功率输出，如图1所示。接着又将

调谐范围延伸到了7THz。但在这种非共线相位匹配配置中，由于THz波与两束

泵浦光在晶体中夹角大，牺牲了三束波的空间重叠性，大大降低了三波转换效率。

显然，为了使三束参量光的的空间重叠最大，共线相位匹配配置是最理想的，从

而可使THz波输出功率更高。W.Shi和Y.J.Ding采用类似的泵浦源，利用共线

相位匹配配置在GaP晶体内进行差频，得到了0.101~4.22THz调谐范围，并在

在173μm得到15.6W的峰值功率输出。然后，他们换用在THz波频段内具有

最低吸收系数的GaSe晶体作为差频晶体，获得了66.5~5664μm的宽调谐范围，

并在203μm（1.48THz）处获得389W的峰值功率输出，此时转换效率约为0.1%，

而通过优化设计，使得THz波在100~250μm范围内的峰值功率都超过100W。

他们利用ZnGeP（ZGP）晶体作为差频晶体，则获得了80.2~1642μm的调谐范

围，峰值功率在1.27THz时达到了134W，此时转换效率为0.048%。

图1利用Nd:YAG激光器和BBO-OPO输出进行差频产生THz波

图2双周期PPLN参量振荡输出差频产生THz波

KodoKawase等人利用一块双周期级联的PPLN晶体实现了双信号参量振

荡，当两输出信号光的偏振态都平行于DAST晶体的a轴时，可利用DAST晶

体的最大有效非线性系数d11，差频得到THz波。通过改变晶体温度或者选择合

适的极化周期，可以实现0.4~3THz较宽范围的THz波输出，如图2所示。而

P.E.Powers等人使用两台由周期极化铌酸锂（PPLN）组成OPG，使其输出波长

比较相近，通过改变PPLN晶体的温度实现两台OPG输出波长的调谐。同时由

于OPG没有谐振腔，使用两台可调谐半导体激光器作为注入种子光源，减小了

OPG的输出带宽；将线宽较窄的输出光入射DAST晶体进行非线性差频，得到

了较宽范围的THz波连续输出。