CN101592845A - 双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法 - Google Patents

双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光器。为提供一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法，实现输出可连续调谐的双波长高功率THz波，并能够在室温下稳定运转。本发明采用的技术方案是：由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG5激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线，掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波。本发明主要用于制作激光器。

Description

双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法
技术领域
本发明涉及激光器，特别涉及利用太赫兹参量振荡器实现双波长太赫兹调谐输出，即双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)辐射源是THz领域科技发展的关键核心技术，它是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，具有一系列特殊的性质。特别是宽调谐THz相干辐射源在材料科学、固体物理、分子分析、大气探索、生命科学、化学气体追踪、材料测试、食品检测等国民和国防安全等领域具有广泛的应用价值。
通过铁电晶体太赫兹参量振荡(Terahertz Parametric Generation/Terahertz ParametricOscillator，简称TPG/TPO)技术是获得相干可调谐THz光子辐射的主要方法之一。太赫兹参量振荡的原理是基于铁电晶体的受激拉曼极化声子散射机理，当泵浦足够强时，入射的近红外的泵浦光子与晶体中同时具有红外和拉曼活性的A1对称最低光学软模发生作用，激发出一个频率相近的近红外斯托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，导致THz波的产生。这个散射过程包括二阶和三阶非线性过程，同时兼有参量和拉曼散射效应。目前多采用外腔泵浦太赫兹参量振荡和种子注入技术，但存在着耦合泵浦难度大，系统效率低以及设备操作复杂等缺点。
内腔泵浦太赫兹参量振荡技术可以有效利用腔内的高功率密度，提高光学参量振荡转换效率，实现低阈值输出。并且可以避免外腔泵浦太赫兹参量振荡由于泵浦光功率密度低，需要用长焦距透镜聚焦或进行缩束，从而使光学系统复杂，且对光学镀膜和非线性晶体损伤危险性较大的缺点，易于实现小型化、全固化。目前已报道采用端面泵浦激光器作为泵浦源内腔泵浦太赫兹参量振荡实现THz波的输出。但是端面泵浦结构限制了泵浦功率的增加，输出的THz波功率较低，且只能实现单一波长的调谐输出，调谐范围较窄。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种双波长可调谐太赫兹内腔光学参量振荡器及其使用方法，实现输出可连续调谐的双波长高功率THz波，并能够在室温下稳定运转。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线，TPO谐振腔两个腔镜中靠近激光器一侧的腔镜为斯托克斯光全反镜，两个腔镜中靠近输出镜一侧的腔镜为斯托克斯光输出镜，掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面即水平-竖立面与阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波。
所述的准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器的构成为，泵浦源采用多个准连续二极管泵浦，多个准连续二极管按照三角形等间距侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG棒，掺钕钇铝石榴石Nd:YAG为圆柱体，侧面打毛，端面即轴向两端磨成平面，镀1064nm的增透膜。
所述的掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合是，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角为40°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部与掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
所述的泵浦光谐振腔是直通式平平腔，输出镜为平面镜，镀1064nm的增透膜。
所述的掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol％，泵浦光沿水平方向通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光。
双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器使用方法，借助于权利要求1所述的双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器实现，包括以下过程：采用准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG作为泵浦源，采用电光调Q技术，将THz参量振荡器置于泵浦光腔内，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，实现THz波的输出；继续增大泵浦能量，入射激光与一阶斯托克斯光通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射激光与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的太赫兹波输出；调节一阶斯托克斯光和泵浦光在掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体中的角度，实现双波长太赫兹波的连续调谐输出。
本发明具备下列技术效果：
本发明由于采用侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器作为泵浦源，克服了端面泵浦技术输入功率低的缺点；
本发明由于采用了侧面泵浦，相对于端面泵浦而言，能提高泵浦功率，实现高功率、高转换效率的THz波输出，并且当泵浦能量使太赫兹参量振荡器在阈值以上运转时，可实现双波长THz波的同时连续调谐输出；
本发明采用内腔泵浦技术，有效的利用腔内的高功率密度，提高光学参量振荡转换效率，实现低阈值输出，并且易于实现小型化、全固化；
本发明还具备体积小巧，整个系统能够在室温下运转的特点。
附图说明
图1为双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡激光器结构示意图。
图2为MgO:LiNbO3晶体的光轴方向示意图。
图3为阵列硅棱镜形状示意图。
图4为泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波动量守恒示意图。
图5为双波长THz波产生的动量守恒示意图。
图中：1.平面全反镜；2.KD*P晶体；3.偏振片；4.高功率半导体激光器泵浦组件；5.Nd:YAG棒(Φ5×115mm)；6.斯托克斯光全反镜；7.MgO:LiNbO3晶体；8.阵列硅棱镜。9.斯托克斯光输出镜；10.1064nm输出镜；11.泵浦光波矢
Figure A20091006951900051
；12.斯托克斯光波矢
Figure A20091006951900052
；13.太赫兹波波矢
Figure A20091006951900053
；14.泵浦光和斯托克斯光在MgO:LiNbO3晶体中的夹角θ；15.二阶斯托克斯光波矢
Figure A20091006951900054
；16.一阶斯托克斯光波矢
Figure A20091006951900055
；17.THz波波矢；18.THz波波矢
Figure A20091006951900057
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种双波长可调谐太赫兹内腔光学参量振荡器及方法，采用该装置及方法可使太赫兹激光器输出频率分别为0.26～4.07THz和0.51～8.15THz的可连续调谐的双波长THz波，并能够在室温下稳定运转。
本发明通过下述技术方案加以实现的，一种双波长可调谐内腔泵浦太赫兹参量振荡器。其技术特征在于，该THz参量振荡器包括一个准连续半导体激光器阵列4侧面泵浦Nd:YAG5激光器，配置KD*P晶体2和偏振片3组成的退压式电光Q开关，MgO:LiNbO3晶体7和腔镜6、9组成的TPO谐振腔置于泵浦光腔内，与泵浦光谐振腔非共线，阵列硅(Si)棱镜8耦合输出THz波。
采用上述的内腔THz参量振荡器实现双波长THz调谐输出的方法，其特征在于包括以下过程：采用准连续二极管4侧面泵浦Nd:YAG5激光器作为泵浦源，电光调Q技术，将THz参量振荡器置于泵浦光腔内，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，实现THz波的输出。继续增大泵浦能量，入射激光与一阶斯托克斯光通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射激光与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的THz波输出。调节一阶斯托克斯光和泵浦光在MgO:LiNbO3晶体7中的角度，实现双波长THz波的连续调谐输出。
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡激光器中，采用该装置可使激光器同时输出双波长、可连续调谐的THz波，两个THz波的频率调谐范围分别为0.26～4.07THz和0.51～8.15THz。
本发明的具体技术方案如下：泵浦源采用150个100W准连续二极管激光器泵浦，按照三角形等间距侧面泵浦Nd:YAG棒的泵浦耦合技术，其总泵浦功率为15000W，泵浦脉宽设为200μs，调Q延时为175μs；激光介质为单晶Nd:YAG棒，尺寸为Φ5×115mm，侧面打毛，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜；采用KD*P退压式电光调Q，重复频率1-50Hz可调；泵浦光谐振腔采用直通式平平腔，腔长为500mm。参量振荡晶体采用MgO:LiNbO3晶体，其掺杂浓度为5mol％，尺寸为60×10×5mm3(X，Y，Z)，晶体的光轴方向如图2所示，泵浦光沿X方向通光，对通光面Y-Z面和侧面X-Z面进行光学抛光。采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出THz波，硅棱镜底角近似为40°(如图3所示)，棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将棱镜底部与MgO:LiNbO3晶体的X-Z面相紧密接触。斯托克斯光全反镜和斯托克斯光输出镜镀1064nm高反膜，与参量振荡晶体MgO:LiNbO3组成THz光学参量振荡的谐振腔，腔长215cm。
根据非线性光学能量守恒和动量守恒原理，泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波满足条件：ωp＝ωs+ωT， k → p = k → s + k → T , 其中，ωp、ωs、ωT分别表示泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的角频率，
Figure A20091006951900062
和
Figure A20091006951900063
分别表示泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的波矢；因此，基于MgO:LiNbO3晶体的太赫兹参量振荡器只能实现非共线相位匹配，通过改变泵浦光和斯托克斯光在MgO:LiNbO3晶体中的夹角θ(如图4所示)实现THz波的调谐输出，夹角θ也是THz光学参量振荡谐振腔与泵浦光谐振腔的夹角。当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子
Figure A20091006951900064
，同时产生受激电磁耦子，实现THz波
Figure A20091006951900065
的输出。继续增大泵浦能量(约500mJ)，入射激光与一阶斯托克斯光
Figure A20091006951900066
通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光
Figure A20091006951900067
，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射泵浦光
Figure A20091006951900068
与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的THz波输出，如图5所示。这两个波长的THz波在空间分布上有一定的夹角，通过改变一阶斯托克斯光与泵浦光的夹角θ，可以实现两个THz波波长的调谐输出，其调谐范围分别为0.26～4.07THz和0.51～8.15THz。在一阶斯托克斯光与泵浦光的夹角一定时，随着THz光学参量振荡谐振腔长度的缩短，光学参量振荡的阈值降低；当THz光学参量振荡的谐振腔长度不变，减小一阶斯托克斯光与泵浦光的夹角，双波长THz波产生的阈值降低，这是因为角度减小，增加了泵浦光和斯托克斯光在晶体中的作用长度。
本发明的优点在于，整个系统能够在室温下运转，体积小，利用腔内的高功率密度，实现高功率、低阈值的双波长可连续调谐THz波激光器，双波长THz波的频率调谐范围分别为0.26～4.07THz和0.51～8.15THz，可广泛应用于成像、光谱分析、材料科学及医疗诊断等领域。

Claims (6)

1.一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线，TPO谐振腔两个腔镜中靠近激光器一侧的腔镜为斯托克斯光全反镜，两个腔镜中靠近输出镜一侧的腔镜为斯托克斯光输出镜，掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面即水平-竖立面与阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器的构成为，泵浦源采用多个准连续二极管泵浦，多个准连续二极管按照三角形等间距侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG棒，掺钕钇铝石榴石Nd:YAG为圆柱体，侧面打毛，端面即轴向两端磨成平面，镀1064nm的增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合是，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角为40°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部与掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
4.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的泵浦光谐振腔是直通式平平腔，输出镜为平面镜，镀1064nm的增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol％，泵浦光沿水平方向通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光。
6.一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器使用方法，借助于权利要求1所述的双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器实现，包括以下过程：采用准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG作为泵浦源，采用电光调Q技术，将THz参量振荡器置于泵浦光腔内，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，实现THz波的输出；继续增大泵浦能量，入射激光与一阶斯托克斯光通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射激光与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的太赫兹波波输出；调节一阶斯托克斯光和泵浦光在掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体中的角度，实现双波长太赫兹波的连续调谐输出。
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