光学太赫兹辐射源：产生机制及生物医学应用

从本质上讲,光在介质中的传播过程就是光和介质相互作用的过程,是一种动态过程,这一过程可分为介质对光的响应和介质的辐射。在一非线性材料中,电位移矢量表示为[11]

式中,P L、P NL分别表示线性极化强度和非线性极化强度;E是光的电场强度矢量。非线性介质对光电场的响应特性,可用极化强度表示[12]：

式中,P(1)为线性极化强度;P(i)表示i阶极化强度;χ(1)=ε-1为第一阶极化率;χ(i)表示第i阶极化率。

当入射光的频率远小于非线性材料最低谐振频率时,非线性极化率与频率无关,二阶极化率可由非线性光学系数d表示[13]：

取有效值为

把式(3-8)代入式(3-12)可得非线性介质中的波动方程：

式中,D(1)=εE为一阶电位移矢量。

如果将一单频入射光电场分量表示为

式中c.c表示E e-jωt的复数共轭。若非线性晶体的二次极化率不为零,根据式(3-9)可得二阶极化强度为(www.xing528.com)

由式(3-15)可知,二阶非线性极化的第一项为直流分量(整流),可产生静态电场,但并不辐射出电磁波,第二项为和频的2ω分量,即产生二次倍频的电磁波。当一个超短激光脉冲入射到非线性晶体上时,其不同频率成分在非线性晶体中差频产生随时间变化的极化电场,从而辐射出太赫兹波。也就是说,光整流过程实际上是一种特殊的差频过程。

为简化分析,假设泵浦激光为一有限宽度的超短脉冲,其脉冲宽度为τ,中心频率为ω0,将其近似看成沿z轴单向传播的平面波,且时域波形呈高斯分布,则光电场可表示为

因此,其脉冲的光强包络I(t)与e-2t 2/τ2,脉冲的半高宽(at Half Maximum)为,一维非线性波动方程为

其中,假定入射光波的角频率为Ω,由其激发的低频电极化场辐射出来的太赫兹波的角频率为ω,则频域的非线性极化强度可表示为[14,15]

χ(2)为光整流过程的晶体的二阶非线性极化率。设晶体的长度为L,泵浦激光入射面位于z=0,即E(Ω,0)=0。光整流辐射出的太赫兹电场分量表达式为

其对应的太赫兹波强度为

由式(3-20)可看出,产生的太赫兹波强度不仅与入射光强度、晶体的二阶非线性系数有关,还与相位失配分量Δk等参数有关。