浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
激光耦合隧道结器件是国际前沿研究热点，伴随产生的电磁场局域增强或光整流等效应在等离激元光镊、单分子成像、单光子光源等领域有着重要的应用价值。为了解隧道结中的光电相互作用和特性，首先利用反馈电沉积制备获得了固态隧道结纳米器件，然后测定了激光功率、偏置电压、偏振方向和调制频率与光电流的关系，并结合有限元法和时域有限差分方法进行理论仿真，讨论了器件中光电流的组分及相关效应。结果表明，器件局部热膨胀效应、热伏效应和热载流子效应为光电流产生的主要原因，而光整流效应因受限于激光峰值功率，其结果并不显著。这些发现可为固态隧道结器件中的光学调控以及在纳米尺度上研究激光调制电子隧穿过程提供参考。
光学器件 隧道结纳米器件 光电流 热效应 光整流效应 等离激元效应 中国激光
2023, 50(23): 2313001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin, China
2 Key Laboratory of Opto-electronic Information Technology, Ministry of Education (Tianjin University), Tianjin, China
3 School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin, China
The 4H-SiC crystal is found to have great potential in terahertz generation via nonlinear optical frequency conversion due to its extremely high optical damage threshold, wide transparent range, etc. In this paper, optical rectification (OR) with tilted-pulse-front (TPF) setting based on the 4H-SiC crystal is proposed. The theory accounts for the optimization of incident pulse pre-chirping in the TPF OR process under high-intensity femtosecond laser pumping. Compared with the currently recognized LiNbO3-based TPF OR, which generates a single-cycle terahertz pulse within 3 THz, 4H-SiC demonstrates a significant advantage in producing ultra-widely tunable (up to over 14 THz, TPF angle 31°–38°) terahertz waves with high efficiency (~10–2) and strong field (~MV/cm). Besides, the spectrum characteristics, as well as the evolution from single- to multi-cycle terahertz pulses can be modulated flexibly by pre-chirping. The simulation results show that 4H-SiC enables terahertz frequency extending to an unprecedent range by OR, which has extremely important potential in strong-field terahertz applications.
optical rectification silicon carbide terahertz radiation tilted-pulse-front High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(5): 05000e62
1 南昌航空大学测试与光电工程学院，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063
3 山东大学光学高等研究中心，山东 青岛 266237
4 山东大学激光与红外系统教育部重点实验室，山东 青岛 266237
从非线性光学基本原理出发研究了整形超短激光脉冲与硒化镓晶体光整流效应产生的可调谐宽带太赫兹辐射，并采用数值计算对上述过程进行了仿真研究，探索了整形激光脉冲参数对太赫兹辐射的影响。研究发现，利用4F整形系统调节激光频谱分量获得的整形超短激光脉冲与硒化镓晶体的光整流效应可以产生频谱可调的宽带太赫兹辐射，并且可以使太赫兹脉冲的中心频率由高频部分向低频部分调制，同时带宽也会发生一定的变化。
非线性光学 太赫兹 硒化镓晶体 光整流 整形激光脉冲 可调谐
1 山东师范大学光场调控及应用中心, 山东 济南 250358
2 山东省光学与光子器件技术重点实验室, 山东 济南 250358
3 山东省光场调控工程技术中心, 山东 济南 250358
太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。
光学器件 太赫兹辐射 光学纳米天线 局域场增强 光电导天线 光整流
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室， 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
从理论和实验两方面研究了调控抽运脉冲的时、空啁啾特性对于波面倾斜法产生太赫兹波输出效率的影响。实验和数值模拟证明：对于附加时间啁啾情况，当附加正时间啁啾时，太赫兹波输出效率与附加啁啾量呈非线性关系，并具有最佳值；当附加负时间啁啾时，太赫兹输出效率与附加啁啾量呈线性反比关系。对于附加空间啁啾情况，不论附加空间啁啾的大小和符号如何，都会降低太赫兹波的输出效率，并且随着空间啁啾量的增加而快速下降。这些结果对基于波面倾斜法产生超快太赫兹波系统的优化和调控具有指导意义。
物理光学 超快太赫兹波 转换效率 时间啁啾 空间啁啾 光学整流 光学学报
2016, 36(10): 1026019
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室， 光电信息技术教育部重点实验室， 天津 300072
光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一，基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5 mm的磷化镓（GaP）块状晶体和6 mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体，对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明，在GaP块状晶体中，贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍；波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配，贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性，且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率，有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源，对推广太赫兹波的应用有显著意义。
物理光学 太赫兹波 光学整流 贝塞尔光束 磷化镓 光学学报
2016, 36(10): 1026010
1 山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛266590
2 天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津300072
3 光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津300072
为了实现基于光整流方式的室温下宽调谐高效率太赫兹源，设计了一种适于双波长CO2激光器共振子带跃迁泵浦的双阱嵌套形非对称量子阱结构，结构组分为Al0.5Ga0.5As/GaAs/Al0.2Ga0.8As，采用密度矩阵及迭代方法计算了其二阶非线性光整流系数χo(2)表达式，在导带为抛物线形和非抛物线形两种条件下对χo(2)进行对比研究。计算结果表明，其偶极跃迁矩阵元随量子阱总阱宽的增大而逐渐减小。当固定量子阱总阱宽及其中一束泵浦光波长不变时,χo(2)随着另一束泵浦光波长的增加，呈现出先增大后减小的变化趋势。当深阱为7 nm、总阱宽为23 nm、两束泵浦光相等为10.64 μm时,χo(2)达到最大值5.925×10-6 m/V；随着总阱宽的增大,χo(2)曲线呈现“红移”现象，其原因为量子限制效应导致了不同阱宽条件下的量子阱能级值差不同，从而造成满足泵浦光光子能量与能级差共振条件的变化。导带为抛物线形和非抛物线形两种条件下的χo(2)的最大值对应泵浦光波长基本相同,χo(2)数值上的差异主要由跃迁矩阵元的不同导致。
光学整流 子带跃迁 非对称量子阱 太赫兹波 optical rectification subband transitions asymmetric quantum well THz-wave
光整流法是目前产生太赫兹(THz)辐射的重要方法之一。建立了采用脉冲前沿倾斜方法实现相位匹配条件的基于光整流法产生太赫兹辐射的转换效率理论模型，比较了脉冲前沿倾斜方式的不同倾斜角对THz辐射转换效率的影响，定量分析了光整流THz辐射转换效率的主要影响因素及其规律，并讨论了飞秒激光参数和晶体参数对THz辐射转换效率的影响。结果表明：脉冲前沿倾斜方式相位匹配条件中的倾斜角对THz辐射转换效率的影响非常大；THz辐射转换效率随着飞秒激光脉宽的增大呈现先增大后减小的规律，且随飞秒激光强度的增大而增大。此外，THz辐射转换效率不仅随着晶体吸收系数的增大而急剧减小，而且随着晶体厚度的增加呈现先逐渐增长，到达一定晶体厚度后，则几乎不随晶体厚度的增长而变化的规律。由此可见，在实际应用中，不仅要求采取措施尽可能满足位相匹配条件和减小晶体对THz辐射的吸收，而且还需要合理选取飞秒激光参数和非线性晶体参数。
非线性光学 转换效率 光整流 脉冲前沿倾斜 吸收 nonlinear optics conversion efficiency optical rectification tilted-pulse-front pumping absorption
1 中国工程物理研究院 a.流体物理研究所
2 b.微系统与太赫兹研究中心，四川 绵阳 621999
基于光整流效应，通过倾斜泵浦光波前 (TPFP)在铌酸锂晶体中实现相位匹配，是一种有效的产生太赫兹辐射的方法。建立了一种更完备的基于波面倾斜的产生太赫兹波的理论模型，用于分析不同泵浦光偏振下产生太赫兹波的转换效率。搭建了基于铌酸锂晶体光整流效应的高峰值功率太赫兹源和太赫兹时域光谱系统，并利用太赫兹面阵探测器对获得的太赫兹辐射进行了分析。结果表明，所获得的太赫兹辐射单脉冲峰值功率达到 0.56 MW，频谱宽度为 0.1 THz~2 THz，转换效率为 0.56‰，与理论模拟结果相符。
太赫兹 高峰值功率 光整流 铌酸锂晶体 波面倾斜 terahertz high -peak-power optical rectification LiNbO 3 crystal tilted -pulse-front 太赫兹科学与电子信息学报
2015, 13(2): 189
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术教育部重点实验室， 天津 300072
2 航天恒星科技有限公司信息传输与处理研究室， 北京 100086
基于非共线相位匹配的波面倾斜技术是目前采用飞秒激光产生超快太赫兹波最有效的手段，使用接触式光栅直接产生抽运飞秒脉冲的波面倾斜能够克服成像系统引入的畸变从而进一步提高该技术的效率。提出并利用简化的模态法设计了制备于铌酸锂晶体中用于波面倾斜技术产生高能量太赫兹波的内嵌式接触光栅。将Littrow角入射条件下的光栅衍射理论简化为光栅内双模式的干涉过程，极大地简化了光栅的参数设计。确定了满足波面倾斜条件的光栅常数，系统研究了衍射效率与光栅占空比和刻槽深度的关系，通过内嵌式光栅结构降低反射损耗,理论上能达到90%以上的-1级衍射效率，给出了合适的光栅加工参数。该系统设计方法对基于其他太赫兹波产生晶体的接触光栅设计具有参考意义。
光学器件 太赫兹波 光学整流 波面倾斜 接触光栅 模态法
