晶體輻射THz波物理機(jī)制的密度泛函理論及缺陷對晶體光譜影響分析.pdf

1、太赫茲電磁波(頻率為0.1-10THz)是波長介于毫米波和紅外光之間相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域。與其相鄰頻段的光學(xué)和微波技術(shù)相比,太赫茲技術(shù)還處于探索階段。當(dāng)前限制太赫茲電磁輻射技術(shù)發(fā)展的一個(gè)很重要因素是缺乏一種有效的太赫茲輻射源。本文基于光學(xué)方法從入射激光光場與晶體中大量原子相互作用的角度,研究了太赫茲電磁波產(chǎn)生的物理機(jī)制。通過其內(nèi)在機(jī)制分析,為下一步設(shè)計(jì)基于LiNbO3和GaP晶體的太赫茲輻射源,優(yōu)化太赫茲電磁輻射性能作出理論基礎(chǔ)工作

2、。本文首先簡要介紹了太赫茲電磁波的特性、太赫茲的產(chǎn)生、探測技術(shù)及其廣泛應(yīng)用。其次,提出了非線性晶體輻射太赫茲電磁波的物理機(jī)制：入射激光與非線性晶體的橫向晶格振動(dòng)模的相互耦合作用形成了一種新的元激發(fā),即極化激元,并伴隨有極化激元的拉曼散射。在這個(gè)過程中,極化激元輻射太赫茲頻段的電磁波。非線性晶體的極化激元色散特性是其輻射太赫茲電磁波的物理基礎(chǔ),決定了可以通過參變過程,參變振蕩過程或拉曼散射過程輻射太赫茲電磁波,同時(shí)決定了該種晶體輻射太赫茲

3、電磁波的頻率范圍。一種晶體的極化激元色散特性主要反映在其色散特性曲線上。論文利用密度泛函理論對LiNbO3和GaP兩種晶體的拉曼光譜及色散曲線作了分析,并在此基礎(chǔ)上從理論上預(yù)測了LiNbO3和GaP能夠輻射THz電磁波。對LiNbO3晶體極化激元色散曲線分析表明,LiNbO3晶體在0°-5°散射角范圍內(nèi),能夠輻射出頻率范圍在0-7.5 THz (0 cm-1-250 cm-1)的電磁波,該頻段在太赫茲頻段內(nèi)。分析還表明,GaP晶體在散射

4、角為0°-10°范圍內(nèi),能夠輻射出頻率范圍在0-8.6THz (0 cm-1-288 cm-1)的電磁波,該頻段在太赫茲頻段內(nèi)。本論文還結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)從晶格結(jié)構(gòu)的角度,研究了摻雜引入的缺陷結(jié)構(gòu)對晶體光譜的影響,其中包括拉曼光譜和THz光譜的。分析表明對于LiNbO3晶體,摻入MgO和ZnO后,LiNbO3晶體的拉曼光譜譜線寬度發(fā)生變化,會(huì)出現(xiàn)局域模,摻入合適的元素,會(huì)提高晶體的抗光折變性能和拉曼增益。此外,實(shí)驗(yàn)分析還表明,摻入Mg元素后,