CN101614930A

CN101614930A - 一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法

Info

Publication number: CN101614930A
Application number: CN200910063263A
Authority: CN
Inventors: 孙博; 刘劲松; 姚建铨
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2009-12-30

Abstract

本发明提供了一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法，通过连续改变太赫兹波参量振荡器的泵浦波长，而不需改变泵浦光的入射角度，就可实现相干窄带的太赫兹波高精度的连续调谐输出。本发明频率调谐精度高(尤其是在长波长部分)，能够克服角度调谐技术中由于三波互作用区间的变化所导致太赫兹波参量振荡器振荡特性的改变，并且将本发明与角度调谐技术相结合，可以显著扩展太赫兹波参量振荡器的频率调谐范围，有望达到远小于1THz的低频区域，这是单独使用角度调谐技术所难以达到的。基于此调谐技术的太赫兹波参量振荡器，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

一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波参量振荡器领域，具体涉及一种对太赫兹波参量振荡器的频率调谐方法。

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。该波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。

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显著的优点，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(Terahertz-wave Parametric Oscillator---TPO)，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辐射。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TPO，都已进行了详细而大量的创新性研究工作，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TPO是一种性能优良、实用性很强的太赫兹波波辐射源。

目前，TPO通常采用角度调谐方法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TPO谐振腔的旋转平台，以改变入射泵浦光与TPO谐振腔腔轴夹角的方法，来实现太赫兹波的连续调谐输出，而谐振腔通常采用平面镜组成的直腔型结构。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。这种调谐方法具有简单、迅速、直观等优点，但也具有明显的缺点：

1、为了获得高频太赫兹波辐射而增大相位匹配角时，三波有效互作用长度将变小，从而提高了振荡阈值，降低了输出功率；

2、虽然通过减小泵浦光与TPO腔轴的夹角可获得低频太赫兹波，但较小的夹角会造成泵浦光和产生的Stokes光在有限腔长距离内空间分布过于紧密，不仅不利于朝太赫兹低频方向调谐，而且增大了从TPO输出镜反射至太赫兹波硅耦合棱镜上的泵浦光的可能性，这样会在硅耦合棱镜上激发产生大量的自由电子，从而严重影响太赫兹波的有效耦合输出；

3、借助机械方式改变泵浦光的入射角度，使得这种技术的调谐精度仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法，克服角度调谐技术中由于三波互作用区间的变化导致太赫兹波参量振荡器振荡特性的改变，提高了调谐精度。

一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法，通过连续改变太赫兹波参量振荡器的泵浦波长，实现相干窄带太赫兹波的连续调谐输出。

作为改进，该方法同时采用角度调谐方法来改变泵浦光入射谐振腔的角度。

本发明与现有TPO角度调谐技术相比，具有以下优点：

(1)泵浦光波长的连续变化可导致三波相位匹配条件连续变化，因此相对角度调谐技术而言，泵浦波长调谐技术的最大优点是调谐精度高，尤其是在长波长部分；

(2)由于在泵浦波长调谐技术中，泵浦光与谐振腔腔轴的夹角为一固定值，因此本发明调谐方法能够克服角度调谐技术中由于三波互作用区间的变化所导致TPO装置振荡特性的改变；

(3)将本发明泵浦波长调谐方法与角度调谐方法相结合，可以显著扩展TPO装置的频率调谐范围，并有望达到远小于1THz的低频区域，这是单独使用角度调谐技术所难以达到的。

附图说明

图1是本发明泵浦波长调谐方法的基本原理图；

图2是本发明实施例的TPO装置结构示意图；

图3是基于泵浦波长调谐技术情况下，入射泵浦光调谐范围为710nm～1500nm、且与TPO谐振腔腔轴为不同固定夹角时的频率调谐特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

TPO是基于极性晶体(如MgO:LiNbO₃晶体)在前向拉曼散射过程中，其A₁对称性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。在此过程中，泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波同时满足能量守恒条件与动量守恒条件。泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的三波非共线相位匹配曲线与晶格振动模电磁耦子的色散曲线之间的相对关系，可以确定TPO频率调谐特性，这与常见的双折射相位匹配过程有着本质的不同。

当泵浦光与谐振腔中振荡的斯托克斯光之间的相位匹配角为某一固定值时，在不同泵浦光波长条件下，其三波相位匹配曲线与电磁耦子的色散曲线的交点会发生变化，而该交点的位置决定了产生太赫兹波的频率输出特性。如图1所示，当泵浦光波长分别为532nm、694.3nm和1064nm，并且与谐振腔中振荡的斯托克斯光之间的相位匹配角为0.7°时，三波的相位匹配曲线与MgO:LiNbO₃晶体的A₁对称性晶格振动模电磁耦子色散曲线的相交情况。从图中可以看出，此时交点分别为108cm^-1、83.28cm^-1和54.61cm^-1，也就是说可以产生的太赫兹波的频率分别为3.24THz、2.5THz和1.64THz。从图中可以看出，当泵浦光与谐振腔腔轴的夹角为某一固定值的情况下，连续改变泵浦光的波长会导致三波相位匹配曲线与电磁耦子色散曲线的交点发生连续的变化。因此，利用波长可连续调谐的泵浦光以固定角度入射TPO装置，就可实现相干窄带、连续可调谐的太赫兹波输出。

实施例

TPO装置的泵浦源可为基于BBO晶体的光学参量振荡器、掺钛蓝宝石脉冲可调谐激光器、脉冲染料激光器等，优选基于BBO晶体的光学参量振荡器。

如图2所示，利用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器1的三倍频光输出，泵浦由BBO晶体组成的光学参量振荡器2，可以获得连续调谐范围为710nm～1500nm的参量光输出，其偏振方向与TPO的工作物质MgO:LiNbO₃晶体7的Z轴方向相同。利用望远镜缩束系统3对该连续可调谐泵浦光进行缩束以提高其能量密度。

TPO装置由直角三面体角锥棱镜4、工作物质MgO:LiNbO₃晶体7和输出镜9组成，将其准直成腔并固定于一旋转平台10上，腔长为160mm。角锥棱镜4的圆形弦面直径为5mm，镀宽带增透膜；输出镜镀宽带部分透过率膜，透过率为5％。MgO:LiNbO₃晶体7切割方式及尺寸为60mm(X)×10mm(Y)×5mm(Z)，其两个通光面Y-Z进行光学抛光，并镀宽带增透膜；晶体两个侧面(X-Z面)亦进行光学抛光。在晶体侧面放置硅棱镜阵列6来耦合输出太赫兹波。

在角锥棱镜4和MgO:LiNbO₃晶体7之间加装一按布儒斯特角放置的偏振镜5，使得腔内振荡的斯托克斯光始终为沿Z轴方向的线偏振光，以提高其三波转换效率。转动旋转平台10使得谐振腔腔轴与入射的连续可调谐泵浦光保持一较小的夹角。入射的连续可调谐泵浦光一次性通过TPO的谐振腔，切边通过输出镜9，并尽量靠近MgO:LiNbO₃晶体7的用于太赫兹波输出的X-Z面，以缩短太赫兹波在晶体中的传输路径。在满足非共线相位匹配条件的情况下，产生的斯托克斯光在角锥棱镜4和输出镜9之间形成振荡。

实施例的TPO装置所采用的由角锥棱镜和平面镜组成的谐振腔结构，具有自准直、安装调试简单、抗失调性高等显著特点，可以显著缓解由于连续可调谐泵浦光束指向稳定性不高所造成的TPO运转稳定性不高等不利影响。角锥棱镜的等光程全波段反射特性，不产生附加相位畸变，因此适合任何波长成腔。

图3为在该实验装置情况下，基于泵浦波长调谐技术的TPO装置产生太赫兹波的理论频率调谐特性曲线。从图中可以看出，当泵浦光从短波长向长波长调谐时，太赫兹波的输出频率由高频向低频方向调谐。当泵浦光在短波长范围调谐时，太赫兹波的频率调谐速度较快，而当泵浦光在长波长范围调谐时，频率调谐速度相对较慢，但整体而言，泵浦波长调谐技术的调谐精度要高于角度调谐技术。在当泵浦光与谐振腔腔轴的夹角不同时，其调谐范围亦不相同：当其夹角分别为0.4°、0.8°和1.2°情况下，其调谐范围分别为0.78THz、1.43THz和1.88THz。泵浦源的调谐范围越宽，太赫兹波的频率调谐范围就越宽。如果将此调谐技术与角度调谐技术相结合，可以显著扩展TPO装置的频率调谐范围，并有望达到远小于1THz的低频区域，这是单独使用角度调谐技术所难以达到的。

本发明所提出的这种TPO泵浦波长调谐技术，在本实施例中不仅可以克服现行TPO角度调谐技术中存在的主要缺点，而且为TPO装置在“干扰”环境下实现稳定工作运转，产生高精度连续可调谐的太赫兹波辐射提供了一种行之有效的手段，从而将为TPO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，在医学诊断、精细光谱分析、生物医学成像等领域展示了更为广阔的应用前景。

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

1、一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法，通过连续改变泵浦光波长实现相干窄带太赫兹波的连续调谐输出。

2、一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法，其特征在于，该方法同时采用角度调谐方法来改变泵浦光入射谐振腔的角度。