CN101609243A - 一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其谐振腔由直角三面体角锥棱镜和输出镜构成，直角三面体角锥棱镜能绕谐振腔的腔轴旋转；谐振腔内设有MgO:LiNbO₃晶体，MgO:LiNbO₃晶体表面安放有硅棱镜阵列，在直角三面体角锥棱镜与MgO:LiNbO₃晶体之间按布儒斯特角放置偏振镜；泵浦光入射谐振腔，激励MgO:LiNbO₃晶体产生太赫兹波，太赫兹波通过硅棱镜阵列出射。本发明无需整体旋转谐振腔，只需旋转输出镜就可实现太赫兹波的频率调谐输出。本发明是一种体积小、结构紧凑、工作稳定性高、连续可调谐的全固态太赫兹波相干辐射源，可广泛用于医学诊断、精细光谱分析、生物医学成像、太赫兹通讯等太赫兹光电子技术领域。

Description

一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器

技术领域

本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种太赫兹波参量振荡器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。然而，太赫兹波的产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，这就成为限制现代太赫兹技术发展的最主要因素之一。因此，研制出性能优良的太赫兹波辐射源，已经成为科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

产生太赫兹波辐射的方法很多，而利用非线性光学方法产生连续可调谐、相干窄带太赫兹波辐射的方法凭借其独特的优点，逐渐为科研工作者所青睐。基于受激电磁耦子散射过程的太赫兹波参量振荡器，是一种性能优良的太赫兹波辐射源，可以产生具有高相干性、连续可调谐、单色性好的太赫兹波。与利用非线性差频方法产生太赫兹波辐射相比，它只需一个固定波长的泵浦源和一块价格相对低廉的非线性晶体(如LiNbO₃晶体)，并且非线性转换效率相对较高，频率调谐简单迅速，实验设备更为简单、结构更为紧凑、成本低，因此近十几年来倍受人们所瞩目，逐渐成为国际上研究的热点。目前，众多国内外科研工作者分别对基于LiNbO₃晶体及其掺杂晶体MgO:LiNbO₃晶体组成的太赫兹波参量振荡器，进行了详细而大量的创新性研究工作，实现了1-3THz的调谐范围，峰值功率达到百毫瓦量级，并利用它们作为辐射源成功进行了很多的应用性研究，充分证明了太赫兹波参量振荡器是一种性能优良、实用性很强的太赫兹波波辐射源。

太赫兹波参量振荡器是基于极性晶体(如LiNbO₃晶体)在前向拉曼散射过程中，其晶格振动模电磁耦子的角度色散特性来实现太赫兹波的连续调谐受激辐射的。基于此原理，目前太赫兹波参量振荡器通常采用角度调谐技术来实现太赫兹波的频率调谐，即通过在一个很小角度范围内连续转动放置太赫兹波参量振荡器谐振腔的旋转平台，以改变入射泵浦光与太赫兹波参量振荡器谐振腔腔轴夹角的方法，来实现太赫兹波的连续调谐输出。在此调谐过程中，泵浦光、振荡的斯托克斯光以及太赫兹波满足非共线相位匹配过程。

太赫兹波参量振荡器的谐振腔通常采用平面镜组成的直腔型结构，即谐振腔一端为平面全反镜，另一端为平面部分透过率镜。平-平腔型的太赫兹波参量振荡器虽然具有结构简单、直观，振荡光模体积较大，比较容易获得单模振荡等优点，但平-平腔型对于太赫兹波参量振荡器这种非共线参量振荡过程来说，调整精度要求极高，在通过机械方式转动放置谐振腔的平台来实现太赫兹波调谐输出时，谐振腔很容易受到诸如振动、冲击或温度突变等外界因素的干扰而导致其严重失调，其苛刻的谐振腔平行度严重影响了太赫兹波参量振荡器的工作稳定性，限制了其在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工作稳定性高，谐振腔无需整体转动就可实现太赫兹波调谐输出的太赫兹波参量振荡器。

本发明采用的技术方案是：

一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其谐振腔由直角三面体角锥棱镜3-1和输出镜9构成，直角三面体角锥棱镜3-1能绕谐振腔的光轴旋转；谐振腔内设有MgO:LiNbO₃晶体6，MgO:LiNbO₃晶体6表面安放有硅棱镜阵列，在直角三面体角锥棱镜3-1与MgO:LiNbO₃晶体6间按布儒斯特角放有偏振镜4；泵浦光入射谐振腔，激励MgO:LiNbO₃晶体6产生太赫兹波7和振荡的斯托克斯光8，太赫兹波7通过硅棱镜阵列出射，偏振镜4保证振荡的斯托克斯光8的线偏振方向。

所述输出镜9为多半圆形。

所述直角三面体角锥棱镜3-1固定于半圆形金属卡具3-2上，两者的圆心重合，半圆形金属卡具3-2固定于可旋转的光学镜架上。

本发明与常见的太赫兹波参量振荡器相比，具有以下优点：

(1)无需整体旋转太赫兹波参量振荡器谐振腔，只需转动输出镜9就可实现太赫兹波调谐输出，调谐方法更为简单、迅捷；

(2)由于该谐振腔的腔型结构具有自准直、安装调试简单、抗失调性高等显著特点，使得太赫兹波参量振荡器能在“干扰”条件下稳定运转；

(3)由于角锥棱镜3-1具有全内反平行反射和准相位共轭的特性，使得角锥棱镜谐振腔能克服工作物质MgO:LiNbO₃晶体6内部因掺杂浓度不均匀所导致的折射率、密度、应力等不均匀性和参量增益非对称性所造成的增益分布不均匀，利用其“匀光效应”可对腔内增益进行重新分配，从而可改善太赫兹波参量振荡器的运转特性；

(4)在不改变泵浦光能量的前提下，通过沿谐振腔腔轴旋转角锥棱镜装置3来控制腔内斯托克斯光偏振性，就可以改变输出太赫兹波的强度、脉宽等特性，为改变太赫兹波输出特性提供了一种有效手段。

附图说明

图1是本发明原理示意图，图1(a)为本实用新型整体结构示意图，图1(b)为三波非共线相位匹配示意图；

图2是硅棱镜切割方式示意图；

图3是晶体与硅棱镜安装方式；

图4是角锥棱镜装置示意图；

图5是多半圆形输出镜示意图。

图中，1为Nd:YAG激光器，2为望远镜缩束系统，3为角锥棱镜装置，4为偏振镜，5为硅棱镜，6为MgO:LiNbO₃晶体，7为出射的太赫兹波，9为多半圆形输出镜。其中，3-1为角锥棱镜，3-2为角锥棱镜卡具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详述。

图1(a)为本发明整体结构示意图，利用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器1的基频光(1064nm)输出作为太赫兹波参量振荡器的泵浦源，其泵浦光的偏振方向平行于太赫兹波参量振荡器的工作物质MgO:LiNbO₃晶体6(掺杂浓度为5％mol)的Z轴方向。利用望远镜系统2将泵浦光光斑直径缩束成2-3mm，然后沿X轴方向垂直入射工作物质MgO:LiNbO₃晶体6，并尽量靠近MgO:LiNbO₃晶体6用作太赫兹波输出的X-Z面，以缩短太赫兹波在晶体中的传输路径。

MgO:LiNbO₃晶体6切割方式及尺寸为60mm(X轴)×10mm(Y轴)×5mm(Z轴)，对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1070nm增透膜；晶体6的两个X-Z面亦进行光学抛光。由于在太赫兹波参量振荡过程中，泵浦光k_Pump、振荡的斯托克斯光k_Stokes和产生的太赫兹波K_THz满足非共线相位匹配过程(如图1(b)所示)，因此产生的太赫兹波7将从MgO:LiNbO₃晶体6的用作太赫兹波输出的X-Z面处出射。

为了避免太赫兹波在晶体中发生全反射，提高其输出效率，利用高电阻率硅(＞10KΩ·cm^-1)制成的棱镜5组成的阵列作为太赫兹波输出耦合器。如图2所示，硅棱镜按90°、50°和40°切割，棱镜底面长度为10mm，厚度为5mm，对斜面和50°角所对的直角面进行光学抛光。将由多个硅棱镜组成的阵列固定于金属板上，将MgO:LiNbO₃晶体6用作太赫兹波出射的X-Z面紧贴于硅棱镜阵列的底面，并用螺丝固定，如图3所示。此时，耦合输出的太赫兹波7将基本垂直于硅棱镜50°角所对的直角面输出。

将由直角三面体角锥棱镜装置3和输出镜9组成的谐振腔调节平行，并相对于泵浦光方向成1.5°放置，腔长为160mm。泵浦光一次性通过晶体6，而不通过角锥棱镜装置3和输出镜9。角锥棱镜装置3由角锥棱镜3-1和半圆形金属卡具3-2组成，两者的圆心重合，然后将角锥棱镜装置固定于光学镜架上，且可绕圆心旋转，如图4所示。角锥棱镜3-1的圆形弦面直径为5mm，镀中心波长为1070nm的增透膜。输出镜9镀中心波长为1070nm的部分透过率膜，透过率为5％，其形状为多半圆形(如图5所示)，直径为20mm，其弦长在15mm-20mm之间。采用这种形状的输出镜，便于泵浦光在紧挨多半圆形输出镜9的弦边通过时，振荡的斯托克斯光和泵浦光可以有效分离。在角锥棱镜装置3和MgO:LiNbO₃晶体6之间按布儒斯特角放置一偏振镜4，使得腔内振荡的斯托克斯光8始终为沿Z轴方向的线偏振光，以提高其三波转换效率。

角锥棱镜3-1具有如下光学性能：从多半圆形输出镜9反射的振荡斯托克斯光8入射至角锥棱镜时，经过三个直角面反射出后，其方向仍与入射光方向平行，也就是说，只要入射光方向不变，无论角锥棱镜绕其顶点或其顶点附近如何晃动，其反射光始终与入射光平行。因此，在调节谐振腔时，只需将多半圆形输出镜9与角锥棱镜3-1的弦面近似平行即可。此外，在太赫兹波参量振荡器中，三波的偏振方向都与Z轴方向平行，此时具有最大的三波转换效率。由于角锥棱镜所特有的退偏效应，因此当入射光为线偏振光时，其反射光将变为椭圆偏振光，而当角锥棱镜绕谐振腔光轴方向旋转时，从角锥棱镜出射的斯托克斯光8经过偏振镜4后，其在Z轴方向的分量将发生周期性的变化。因此，此时产生的太赫兹波的输出特性(如能量、脉宽等)也将发生周期性的变化，这就为在不改变泵浦光特性情况下，调节太赫兹波参量振荡器输出特性提供了一种有效手段。

由于由MgO:LiNbO₃晶体组成太赫兹波参量振荡器，是基于晶体A₁对称性晶格振动模(ω_TO≈250cm^-1)受激电磁耦子散射过程，在Y轴方向具有一定的空间角度色散特性，并满足三波非共线相位匹配条件。因此，当多半圆形输出镜9绕Z轴方向在一定小角度内(≈±1°)旋转时，不同波长的斯托克斯光8将在角锥棱镜装置3与输出镜9之间形成稳定的参量振荡。根据能量守恒条件和动量守恒条件，这时就可以实现1-3THz的太赫兹波连续调谐输出。

本发明所提出的基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，不仅可使其在“干扰”环境下实现稳定工作运转，而且提供了一种更为简洁、便利的太赫兹波频率调谐输出方法。本发明所涉及的这种体积小、结构紧凑、连续可调谐的全固态太赫兹波相干辐射源，可广泛用于医学诊断、精细光谱分析、生物医学成像、太赫兹通讯等太赫兹光电技术领域。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实例的方式来描述发明。实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应属于本发明的范围内。

Claims (5)

1、一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其谐振腔由直角三面体角锥棱镜(3-1)和输出镜(9)构成，直角三面体角锥棱镜(3-1)能绕谐振腔的光轴旋转；谐振腔内设有MgO:LiNbO₃晶体(6)，MgO:LiNbO₃晶体(6)表面安放有硅棱镜阵列，在直角三面体角锥棱镜(3-1)与MgO:LiNbO₃晶体(6)间按布儒斯特角放有偏振镜(4)；泵浦光入射谐振腔，激励MgO:LiNbO₃晶体(6)产生太赫兹波(7)和振荡的斯托克斯光(8)，太赫兹波(7)通过硅棱镜阵列出射，偏振镜(4)保证振荡的斯托克斯光(8)的线偏振方向。

2、根据权利要求1所述的基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其特征在于，通过绕MgO:LiNbO₃晶体(6)的Z轴方向旋转输出镜(9)实现太赫兹波的频率调谐。

3、根据权利要求2所述的基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述旋转输出镜(9)的旋转角度为±1°。

4、根据权利要求1或2所述的基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述输出镜(9)为多半圆形。

5、根据权利要求1或2所述的基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述直角三面体角锥棱镜(3-1)固定于半圆形卡具(3-2)上，两者的圆心重合，半圆形卡具(3-2)固定于可旋转的光学镜架上。

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