中文摘要：

基于我们在飞秒激光、超快THz波产生和光子晶体光纤飞秒激光技术研究方面的优势和经验积累，针对国内外出现的高效率、高功率产生宽带THz波的需求和趋势，确定研究目标为大幅度提高光学整流产生THz波的转化效率。围绕达到目标的关键技术深入研究系统实现高效运转的核心问题（1）提高光子晶体光纤飞秒激光系统输出的单脉冲能量和压缩脉冲宽度的技术；（2）泵浦光的时间复用技术和相应的复用产生的THz脉冲在时间上的相位相干合成；（3）泵浦光的空间复用技术；（4）与泵浦光时空复用技术相匹配的复用光脉冲之间的同步和复用光啁啾特性的色散回归等；（5）提高相干长度的光子晶体波导型THz发射器的设计和发射器对THz的抗反射方法。这些关键技术的实现将把现有光学整流产生THz波系统的效率提高2-3个数量级。

结论摘要：

本项目研究了提高光学整流产生THz波转化效率的若干关键技术，取得了如下主要成果（1）实现了基于非线性放大技术的大模场面积光子晶体光纤的高平均功率飞秒激光放大器；在70W泵浦下，获得了34W、42MHz、52fs的高平均功率飞秒激光输出。（2）实验发现采用双脉冲泵浦的光学整流效应中双脉冲间的时间延迟对产生的THz波功率具有调制作用，当双脉冲泵浦光入射时，产生的THz波在相干相长条件下可以提高到只有单路泵浦光时的3倍。（3）理论和实验均证明双脉冲泵浦光入射条件下对产生的THz波的时域信号和频谱均有强烈的调制作用，该方法是对THz脉冲进行相干控制的有效手段。（4）提出使用微机械加工工艺在GaP晶体发射器表面刻划微四棱锥抗反射层结构的思想，进一步通过离子注入方法对材料表面进行改性，制备了结构良好的微四棱锥抗反射层，实验结果表明能够将GaP晶体发射器的出射THz波效率提高16%。（5）提出了设计宽带抗反射微结构的三步法通过遗传算法设计宽带高透射多层薄膜，将各层薄膜转换为光栅结构，最后将多层光栅边缘连接平滑为微四棱台结构。结果表明，在0.5-5THz宽带范围内，该结构对GaP晶体能达到90%的透射效率。（6）研究设计了基于GaP晶体的光子晶体波导型THz发射器；通过改变包层空气孔的间距或大小，能够很好地控制传导的THz波的折射率曲线，在大范围内实现输出THz波的调谐。（7）建立了考虑晶体群速度色散对于飞秒泵浦脉冲展宽效应的非线性晶体辐射THz波的动力学模型，详细分析了晶体辐射THz波的转换效率与泵浦脉冲啁啾特性的关系，通过数值分析以及相应实验数据证明在负啁啾脉冲泵浦条件下，能有效抑制晶体的群速度色散效应，进一步提高晶体辐射THz波的效率；泵浦需预设的最佳负啁啾量近似等于晶体总群速度色散量的一半，且与泵浦脉冲的光谱宽度无关。（8）利用光子晶体光纤飞秒激光放大系统结构紧凑、性能优良、重复频率高等优势，基于晶体辐射THz波动力学模型理论，通过优化泵浦脉冲参数，在21W泵浦功率条件下，141fs负啁啾飞秒脉冲泵浦3mm <110> GaP晶体产生了0.3mW的宽带THz波输出。据我们所知，这是在共线相位匹配条件下，实验中能获得的最高平均功率的宽带THz波输出。本项目的研究成果对于继续提升基于光学整流效应的超快THz波系统的功率水平打下了坚实的基础。