太赫兹产生在一个电偏压光纤:理论研究

文摘

我们建议和理论研究的新方法产生太赫兹辐射在标准单模光纤(太赫兹)。光纤是由一个静电场,导致一个有效的二阶非线性系数通过克尔效应。太赫兹的一代是基于差频代(DFG)。色散光纤布喇格光栅(FBG)是利用相位匹配相互作用的两个光学载体。环谐振器是用来增加偏置光纤的光强度。一个数学模型是开发支持数值分析和模拟。结果表明,广泛可调的太赫兹辐射可以生成,提供一个合适的光纤光栅的设计和光学运营商。

1。介绍

由于缺乏生产和检测仪器、红外线和微波辐射之间的电磁波谱,传统上称为太赫兹(太赫兹)差距,尚未完全研究[1]。太赫兹辐射是传统上的应用局限于天文学和分析的科学。

最近的光子学的发展奠定了基础为实现太赫兹源和探测器的应用在生物医学成像2)和超快的通信(3]。随着太赫兹源变得更容易获得,太赫兹技术被越来越多地用于各种领域,包括信息和通信技术、生物学和医学科学,无损评估、国土安全、质量控制的食品和农业、全球环境监测和超快的计算,提几个例子4]。太赫兹波的广泛和重要应用是由于其独特的与材料相互作用的方式。例如,在医学科学,太赫兹波来探测分子间相互作用的能力使得它能够提供结构和功能信息。因此,并考虑其安全、准确、经济的特点,太赫兹辐射promisesto替代其他扫描方法如高频超声、磁共振成像和近红外成像(4]。这个有前途的技术有可能导致许多疾病的诊断方式,最终治愈。

在过去的几年里,一些技术已经提出产生太赫兹波。代的连续波和脉冲太赫兹波调查。技术来产生连续波太赫兹波包括量子级联激光器(QCL) [5),直接乘以源(6),返波振荡器(回波振荡器)[7],锗激光[8),和硅杂质状态激光(9]。同样,技术来产生脉冲太赫兹波包括非线性光学来源(它也可以用来生成连续波太赫兹波)(10),光泵浦太赫兹激光器(11)和自由电子激光(12]。太赫兹生成基于QCL实现基于intersubband在量子井的转换。尽管QCL可以提供强大的太赫兹波,它的可调性是有限的(5]。产生太赫兹波利用直接乘以源是通过submillimetre波乘法的意思6]。乘法可以做在一个有偏见的砷化镓晶体。这种方法主要是局限于在低频率下产生太赫兹波。回波振荡器来源少动力从实用的观点,因为它有一个严格的供电要求。此外,回波振荡器还有一个真空管,是脆弱的。太赫兹代基于光泵浦太赫兹激光器,另一方面,有一个小的效率(少于0.1%)导致显著的热负荷。一个锗与窄线宽激光能产生太赫兹波,但它需要液氦和脉冲磁体系统使系统成本。硅杂质状态激光能产生太赫兹波功率数十兆瓦,但它通常是操作温度低于20 K,仅限于一个脉冲模式和操作。自由电子激光能产生太赫兹波可调范围大,但它有诸如大尺寸、高成本、复杂性。另一方面,产生太赫兹辐射的主要非线性光学方法(4)包括光学整流(13),参数转换(14)和激光产生等离子体丝(15]。光学整流技术可以用来产生太赫兹波的频率范围从0.3到30太赫兹,它是一种常见的装置在室温下宽带太赫兹的一代。参数转换技术是基于混合激光束产生拍频,在太赫兹范围内。太赫兹波的频率可调,能在窄线宽的连续波体制。使用激光产生等离子体细丝产生太赫兹波技术是通过四波混合的均值(光)的过程。一个密集的激光输入是必要的。

开发一个高功率、低成本、快速可调,高可靠的太赫兹源是在太赫兹系统中最具挑战性的问题之一。医疗应用程序,例如,太赫兹源必须有一个频率介于0.3和3太赫兹除了上面提到的所有其他特性。在目前太赫兹源中,参数转换技术可以提供一个太赫兹源窄线宽,可以在室温下操作。也快速调整以相对低的成本(16]。然而,phase-mismatching困境是一个问题,降低发电效率。一个常见的提高效率的方法是提高泵功率的脉冲源的使用。不幸的是,这种方法是有限的双光子吸收(17]。另一方面,利用周期性结构是一种有效的方式来达到quasi-phase匹配,从而提高了转换效率。通常,noncentrosymmetric晶体在自由空间几何受聘13- - - - - -17]。尽管生成的实现高功率,该方案缺乏兼容性的优势与纤维和集成光学和对环境影响很敏感。

在本文中,我们提出一个新颖的方法来生成一个基于参数转换利用太赫兹波光纤。事实上,太赫兹代光纤最近报道(18]。在那里,太赫兹生成实现基于photo-Dember的效果。然而,实现可调谐性是有限的。在计划工作,光纤是静电偏见诱导有效的二阶非线性系数通过克尔效应(19]。因此,可以实现多种frequency-tunable克尔效应的考虑到共振性质。光纤布喇格光栅(FBG)用于相位匹配两个光波相互作用,由于光纤光栅的色散特性。另一方面,由于光纤的弱非线性,预计代效率相对较低。效率提高了通过增加偏置静电场。最大静电场可以很高,只有有限的电场强度(即光纤材料。,30 kV / mm石英光纤)。此外,光纤的双光子吸收可以忽略不计,因此一个密集的光输入也可以用来提高生成效率。在本文中给出的方案,环谐振器,结合偏振光束耦合器,用于提高光强度。我们这里需要注意的是,对于一个实际的系统,与内部连接的纤维静电场(也可以是强大的电场强度材料)可以使用而不是外部静电场的偏见(20.]。该方案使用为太赫兹光纤一代的优势与其他光纤设备的兼容性,简单,低成本,高集成的潜力。即时,该系统可以找到应用程序已太赫兹扫描。

本文的其余部分安排如下。节2,提出了一个理论模型中,太赫兹辐射的产生的静电偏光纤建模。节3提出了一种数值模拟。现实的模拟参数选择和使用。最后,在得出结论部分4。

2。理论建模

考虑两个光学运营商正在传播的光纤,光纤是由一个静电场。光纤内部的电场从而可以写成 在哪里,和,振幅和频率的两个光学载体。这里的静电场是共线传播光的偏振模式。

生成的非线性极化场,克尔型非线性介质,如光纤,可以写成(21] 在哪里介电常数和自由空间吗是三阶介质磁化率。

用(1)(2),我们有频率的非线性极化,,,表示为 在这里 在哪里,,的比例吗在纤维(即模式。,the ratio of the fiber to the unguided模式横截面)。注意在(3(即),所有其他极化条件。,the second harmonic, the third harmonic, and the sum frequency terms) suffer from the phase mismatching and can thus be neglected. However, a proper technique will be utilized to phase match the difference frequency polarization term。非线性极化可以被认为是一个源的新领域频率。然后,一个太赫兹波可以生成,因为之间的频率间隔光学航空公司吗和是在太赫兹范围内。然而,不能引导产生太赫兹波光纤和衍射到自由空间。

我们第一次模型太赫兹波的生成,然后空间衍射效应将被考虑。控制光束传播的非线性波动方程,光纤,可以转换为表单: 在哪里电位移,是自由空间渗透,光在真空中的传播速度。用(1)和(3)(5),我们有三波的慢变化振幅,给出的 在哪里是产生太赫兹波的振幅。

我们可以看到在6),相位失配的困境将限制了太赫兹波的一代。的相位匹配条件 我们因此提出利用太赫兹的保证相匹配光纤光栅的一代。如图1两个光学运营商的频率和光纤光栅的反射带之外,但光学的航空公司之一是足够接近反射带,因此,光纤光栅的色散的影响。然后,光学载体的有效传播常数是由(22,23] 在哪里光纤光栅的传播常数,,,中心频率、有效折射率和光纤光栅的耦合系数,分别。在这里。因此,通过适当的设计的光纤光栅的位置两个光学载体,可以满足相位匹配条件。

让我们假设现在太赫兹辐射产生的纤维,因此期刊的太赫兹辐射到自由空间。太赫兹辐射传播模型,生成纤维分成小段,每一段的长度。然后,衍射的太赫兹辐射,这是生成的段,可以描述使用高斯光束模型(24), 在哪里是传播一段距离后波束宽度吗,和。在这里,单模光纤的有效面积模式。

的力量所产生的太赫兹辐射纤维的长度收集利用透镜的半径的话,是 在哪里收集到的权力,之间的距离吗pth段和镜头生成的权力吗p段。

3所示。数值模拟

进行数值模拟来评估太赫兹的一代。现实的光纤参数用于仿真。具体地说,我们认为,(19),和一个3厘米有偏见的光纤。我们还假设光纤光栅中心频率太赫兹的带宽GHz,耦合系数。

下面的表达式(8)和条件(7),可以生成4太赫兹波在偏置光纤混合两个光学频率的运营商太赫兹和太赫兹。

收集的力量太赫兹辐射是模拟,结果如图2。在这里,我们解决数值的波方程(6光纤)考虑3厘米。然后,我们计算每一个1毫米长度和使用所产生的力量(9)和(10)计算收集到的太赫兹辐射的力量。在计算中,镜头的直径5厘米。考虑到这些参数,收集到的权力是生成总数的14.5%。

从数值模拟可以看出,光输入功率越高,越高产生太赫兹辐射。这是由于光纤非线性相对较弱。因此,我们提出利用环谐振器,将极化耦合器,积累和提高光功率。光功率在此可以有效地增加,但使用低功率光学输入源。拟议的结构如图3。结构的偏振控制器的输出调整激光源的光学航空公司直接从手臂武装。然而,调整环谐振器的偏振控制器,光学航空公司直接从手臂武装。因此,当两家航空公司躺在光纤光栅传输频带内,环谐振腔内的光功率可以累积。保证一个建设性的积累,可调延时(TD)线环谐振器内部的整合。使用几何级数表达式,可以得到环形谐振腔内的光功率,给出的 在哪里和的振幅在手臂两光学航母吗和,的透射系数极化耦合器从手臂武装,,的反射系数的手臂吗武装,是全损的戒指,Z环的长度,是有效的传播常数,是有效的光的数量在谐振器旋转。

让我们假设,太赫兹,。光学功率比定义为环形谐振腔内的光功率之间的比例和输入光功率,计算,如图4。这里的功率比是计算的函数。可以看到,可以促进细胞的光功率最大化这个参数,这意味着一个条件的低损失在环谐振器和强反射的手臂极化的耦合器。

另一方面,谐振腔内的力量积累取决于光载波频率。在图所示的结构3然而,雇佣了两个光学载体。优化谐振器内的总光功率和提高光携带的总功率比,可调光学延时(TD)。图5显示了两个光的光功率比航空公司太赫兹和太赫兹,而环谐振器的长度变化。从图可以看出5,谐振腔内的总光强(这是两个光的强度和运营商)可以提高相关环谐振器长度的选择。这可以通过控制来实现可调光时间延迟。

我们注意,其他几个方案可以实现提高太赫兹波产生的力量。首先,可以利用一个密集的脉冲激光输入光携带的提高太赫兹辐射,由于疲软的双光子吸收(TPA)和瞬时非线性光纤。第二,太赫兹波导也可以用来提高太赫兹集中,导致收集产生太赫兹辐射的提高效率。

虽然外部静电场以上考虑,不一定是这样。例如,一个连接的光纤,内部的静电场,可以利用。我们强调,利用连接的纤维有一个巨大的优势。对于即时,解决避免偏压波动;导致生成高质量的太赫兹波。同时,拥有一个内部的静电场使至关重要的应用,如体内太赫兹扫描。此外,避免外部电路提高系统的兼容性和可移植性。

产生太赫兹辐射的频率可以通过控制调整两者之间的频率间隔光学载体。然而,随着系统设计阶段与太赫兹代在给定的频率(例如,4太赫兹在上面模拟),生成效率将其他太赫兹频率下降。减轻这种影响,实现大范围的frequency-tunability,我们选择保持光学载体(这是接近光纤光栅中心频率)不变,调整光学载体(位于远离光纤光栅中心频率)。图6显示了数值模拟规范化太赫兹电力而产生太赫兹波的频率。这里,相同的参数(光纤光栅规范等)的模拟图2一直以为。我们可以看到的太赫兹辐射可以生成在一个大范围从1到30太赫兹。实现最大效率4太赫兹,而30太赫兹效率仅为22%的下降。然而,效率大大降低频率低于4太赫兹。这可以解释为指出,频率高于4太赫兹,承运人距光纤光栅中央转移频率,因此光纤光栅的色散只会影响承运人和相位匹配条件总是满意的。然而,对于太赫兹频率低于4,光学载体转向光纤光栅中心频率,因此光纤光栅的色散将在航空公司产生影响和,相位匹配条件不再满足。

4所示。结论

我们已经提出并从理论上研究了一种新颖的方式产生太赫兹辐射光纤。外部静电场应用于光纤产生二阶光学非线性克尔效应。两个光学运营商光纤,从而可以产生太赫兹辐射的差频的一代。光纤光栅是利用强大的分散元素来实现相位匹配条件下,提高发电效率。此外,环谐振器,将极化耦合器(PLC),用于提高光功率,导致太赫兹的增加力量。

生成的太赫兹波可以覆盖一个宽频率范围内利用给定的光纤光栅。关键在实现这一巨大的可调范围(对于一个给定的光纤光栅)是一个光学载体被远离光纤光栅的中心频率。这光载波的频率调谐时,产生太赫兹波的频率调谐,但相位匹配条件总是保存在可调范围内,保证一个相对恒定的太赫兹的力量。我们终于注意到一个连接的光纤内部静电场可用于代替光纤与外部电偏压。系统的稳定性、兼容性和可移植性因此可以增强。

引用

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