CN101924318A - 基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置 - Google Patents

基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，包括全反镜(1)、侧泵激光头(2)、声光Q开关(3)、平凹镜(4)、周期极化晶体(5)、控温炉(6)和平面输出镜(7)，其中控温炉(6)用于控制周期极化晶体(5)的工作温度，全反镜(1)、侧泵激光头(2)、声光Q开关(3)、平凹镜(4)、周期极化晶体(5)和平面输出镜(7)依次排列于同一光路上，平凹镜(4)的平面S1朝向声光Q开关(3)，平凹镜(4)的凹面S2朝向周期极化晶体(5)。本发明使用单块周期极化晶体，可同时实现双波长中红外激光输出和太赫兹辐射，整个装置结构简单紧凑，光路易于调节，且太赫兹辐射转换效率高。

Description

基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置
技术领域
本发明涉及中红外激光和太赫兹辐射源技术领域，尤其涉及一种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置。
背景技术
太赫兹(0.1-10THz)技术在物体成像、环境监测、射电天文、卫星通信和军用雷达方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。光参量振荡器(OPO)产生双波长激光输出后再利用非线性差频(DFG)过程是获得太赫兹辐射的一种重要手段，该方法的优点是没有阈值、实验设备简单、容易实现差频转换等。
申请号为“200510014484.6”的发明专利申请公开了一种非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，该装置使用基频激光泵浦一块非周期极化晶体组成光参量振荡器，输出波长接近的双波长激光，然后再使用光学耦合透镜组将双波长激光聚焦到另一块周期极化晶体中，从而发生差频过程以获得太赫兹辐射源。该方法的缺点在于，装置中需要使用两块周期极化晶体，光学系统较为复杂，光路较难调节。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决背景技术中的问题，本发明的目的是要提供一种基于单块周期极化晶体便可同时输出双波长中红外激光和太赫兹辐射源的装置。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，该装置包括全反镜1、侧泵激光头2、声光Q开关3、平凹镜4、周期极化晶体5、控温炉6和平面输出镜7，其中控温炉6用于控制周期极化晶体5的工作温度，全反镜1、侧泵激光头2、声光Q开关3、平凹镜4、周期极化晶体5和平面输出镜7依次排列于同一光路上，平凹镜4的平面S1朝向声光Q开关3，平凹镜4的凹面S2朝向周期极化晶体5。
上述方案中，所述全反镜1的表面镀对1064nm高反的薄膜，所述声光Q开关3的表面镀对1064nm增透的薄膜，所述平凹镜4的平面S1镀对1064nm增透的薄膜，所述平凹镜4的凹面S2镀对1064nm增透、1450～1550nm高反、3500～4000nm高反的薄膜，所述周期极化晶体5两端面镀对1064nm、1450～1550nm和3500～4000nm增透的薄膜，所述平面输出镜7的表面镀对1064nm和1450～1550nm高反且对3500～4000nm增透的薄膜。
上述方案中，所述周期极化晶体5采用的材料为PPMgLN晶体，其尺寸为50×5×1mm3，工作于100℃。
上述方案中，所述周期极化晶体5在长度方向上分为L1、L2和L3三个区域，L1区域长度为15mm，极化周期Λ1为29.5μm，畴壁垂直于光轴；L2区域长度为15mm，极化周期Λ2为29.8μm，畴壁垂直于光轴；L3区域长度为20mm，极化周期Λ3为20.9μm，畴壁与光轴方向夹角α为23.3°。
上述方案中，所述全反镜1、侧泵激光头2、声光Q开关3、平凹镜4和平面输出镜7构成1064nm激光谐振腔，其中平凹镜4插入到1064nm谐振腔中可补偿侧泵激光头2的热透镜效应，提高1064nm激光的光束质量。
上述方案中，所述平凹镜4、周期极化晶体5和平面输出镜7构成光参量振荡器谐振腔，该光参量振荡器谐振腔对信号光单共振。
上述方案中，所述1064nm激光谐振腔振荡产生的1064nm激光对周期极化晶体5的L1区域和L2区域进行腔内泵浦，产生双信号光λs1、λs2和双闲频光λi1、λi2；信号光λs1、λs2波长分别为1.488μm和1.507μm，双闲频光λi1、λi2波长分别为3.734μm和3.620μm；当1064nm激光超过双信号光λs1、λs2的振荡阈值时，双信号光λs1、λs2在光参量振荡器谐振腔的作用下开始振荡并在光参量振荡器谐振腔内往返传播，双闲频光λi1、λi2则从平面输出镜7透射出去，获得双波长中红外激光输出。
上述方案中，所述双信号光λs1、λs2，当双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔内振荡时，会在腔内产生很高的功率；由于光参量振荡器谐振腔为凹面—平面谐振腔结构，腔内振荡的双信号光λs1、λs2在周期极化晶体5的L3区域附近聚焦，因此双信号光λs1、λs2在L3区域会发生腔内差频过程，转换为太赫兹辐射；太赫兹辐射的频率为2.54THz，从周期极化晶体5的L3区域的两侧面以垂直于周期极化晶体5侧面的方向辐射出去。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
1、本发明使用单块周期极化晶体便可同时实现双波长中红外激光输出和太赫兹辐射，整个装置结构简单紧凑，光路易于调节，而且太赫兹辐射转换效率高。
2、本发明基于单块周期极化晶体便可实现双波长差频输出太赫兹辐射源，大大简化了实验装置，光路易于调节。
3、本发明使用腔内差频输出太赫兹辐射源，基频光功率很高，所以太赫兹辐射源的转换效率高。
4、本发明在实现太赫兹辐射的同时，还能同时输出双波长中红外激光，增加了该装置的功能。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为单块周期极化晶体产生太赫兹辐射的示意图；
图3为单块周期极化晶体产生太赫兹辐射的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参见图1、图2和图3所示，本发明提供的这种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，使用单块周期极化非线性晶体即可实现双波中红外激光输出及太赫兹辐射。该装置包括：
全反镜1，采用的材料为石英，为平面镜，表面镀对1064nm高反的薄膜；
侧泵激光头2，采用100W激光二极管侧泵模块，其晶体棒材料为Nd:YAG，尺寸为
Figure BSA00000235056000041
，两端面镀1064nm增透膜，整个模块采用循环水冷机冷却，工作温度为18℃；
声光Q开关3，重复频率1至50kHz可调，表面镀1064nm的增透膜；
平凹镜4，采用的材料为石英，平凹镜4的平面S1镀对1064nm增透的薄膜，平凹镜4的凹面S2镀对1064nm增透、1450～1550nm高反、3500～4000nm高反的薄膜，凹面S2的曲率半径为80mm；平凹镜4的平面S1朝向声光Q开关3，平凹镜4的凹面S2朝向周期极化晶体5。
周期极化晶体5，采用的材料为PPMgLN晶体，其尺寸为50×5×1mm3，工作于100℃，两端面镀对1064nm、1450～1550nm和3500～4000nm增透的薄膜。周期极化晶体5在长度方向上分为L1、L2和L3三个区域。L1区域长度为15mm，极化周期Λ1为29.5μm，畴壁垂直于光轴，用于在光参量振荡过程中产生信号光λs1(波长1.488μm)和闲频光λi1(波长3.734μm)；L2区域长度为15mm，极化周期Λ2为29.8μm，畴壁垂直于光轴，用于在光参量振荡过程中产生信号光λs2(波长1.507μm)和闲频光λi2(波长3.620μm)；L3区域长度为20mm，极化周期Λ3为20.9μm，畴壁与光轴方向夹角α为23.3°，用于在差频过程中产生太赫兹辐射(频率2.54THz)；
控温炉6，用于控制周期极化晶体5的工作温度，使用Pt100为温度传感器，控制精度为±0.1℃；
平面输出镜7，采用的材料为CaF2，为平面镜，表面镀对1064nm和1450～1550nm高反、对3500～4000nm增透的薄膜；
其中全反镜1、侧泵激光头2、声光Q开关3、平凹镜4、周期极化晶体5和平面输出镜7依次排列于同一光路上。
其中全反镜1、侧泵激光头2、声光Q开关3、平凹镜4和平面输出镜7构成1064nm激光谐振腔。其中平凹镜4插入到1064nm谐振腔中可以补偿侧泵激光头2的热透镜效应，有效地提高了1064nm激光的光束质量。高光束质量1064nm激光作为光参量振荡器(OPO)的泵浦源可以获得较高的转换效率；
其中平凹镜4、周期极化晶体5和平面输出镜7构成OPO谐振腔，OPO谐振腔对信号光单共振；
其中1064nm激光谐振腔振荡产生的高光束质量1064nm脉冲激光对周期极化晶体5的L1区域和L2区域进行腔内泵浦，产生双信号光λs1、λs2和双闲频光λi1、λi2。当1064nm激光超过双信号光λs1、λs2的振荡阈值时，双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔的作用下开始振荡并在OPO谐振腔内往返传播，双闲频光λi1、λi2则从平面输出镜7透射出去，获得双波长中红外激光输出；
其中当双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔内振荡时，会在腔内产生很高的功率。由于OPO谐振腔为凹面—平面谐振腔结构，腔内振荡的双信号光λs1、λs2在周期极化晶体5的L3区域附近聚焦，因此双信号光λs1、λs2在L3区域会发生腔内差频过程，转换为太赫兹辐射。腔内振荡的双信号光λs1、λs2的功率很高，所以差频过程转换为太赫兹辐射的效率较高。太赫兹辐射的频率为2.54THz，从周期极化晶体5的L3区域的两侧面以垂直于周期极化晶体5侧面的方向辐射出去。由于双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔内往返传播，所以太赫兹辐射会从周期极化晶体5的L3区域的两个侧面辐射出去；
其中双闲频光λi1、λi2虽然也有一部分在周期极化晶体5的L3区域参与差频过程，但由于闲频光功率较低，所以差频过程转换效率很低。双闲频光λi1、λi2大部分还是从平面输出镜7透射出去。
实施例
下面结合附图具体介绍各光学器件的参数。全反镜1为平面镜，表面镀对1064nm的高反膜。侧泵激光头2为北京心润心公司生产的100W激光二极管侧泵模块，其晶体棒材料为Nd:YAG，尺寸为
Figure BSA00000235056000051
，两端面镀1064nm增透膜，整个模块采用循环水冷机冷却，工作温度为18℃。侧泵激光头2靠近全反镜1右端放置。声光Q开关3重复频率1至50kHz可调，表面镀对1064nm的增透膜，声光Q开关3靠近侧泵激光头2的右端放置。
平凹镜4的平面S1镀对1064nm的增透膜，平凹镜4的凹面S2镀对1064nm增透、1450～1550nm高反、3500～4000nm高反的薄膜，平凹镜4的凹面S2的曲率半径为80mm。平凹镜4距离侧泵激光头右侧为200mm。周期极化晶体5，材料为PPMgLN晶体，其尺寸为50×5×1mm3，两端面镀对1064nm、1450～1550nm和3500～4000nm的增透膜，工作温为100℃。周期极化晶体5在长度方向上分为L1、L2和L3三个区域。L1区域长度为15mm，极化周期Λ1为29.5μm，畴壁垂直于光轴；L2区域长度为15mm，极化周期Λ2为29.8μm，畴壁垂直于光轴；L3区域长度为20mm，极化周期Λ3为20.9μm，畴壁与光轴方向夹角为23.3°。
周期极化晶体5左侧距离平凹镜4的距离为45mm。控温炉6用来控制周期极化晶体5的工作温度，采用Pt100为温度传感器，控制精度为±0.1℃；平面输出镜7的材料为CaF2，表面镀对1064nm和1450～1550nm的高反、3500～4000nm增透的薄膜，靠近周期极化晶体5放置。整个装置的长度约为380mm。
实验时，逐步增加侧泵激光头2的泵浦电流。当泵浦电流超过1064nm激光谐振腔的振荡阈值之后，1064nm激光谐振腔内开始产生高光束质量1064nm脉冲激光。继续增加侧泵激光头2的泵浦电流，当1064nm脉冲激光功率增加到一定程度后，OPO谐振腔开始振荡并产生双信号光λs1、λs2和双闲频光λi1、λi2。双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔内往返传播并且在周期极化晶体5的L3区域附近聚焦，所以二者会在周期极化晶体5的L3区域发生腔内差频过程，转换为太赫兹辐射。
太赫兹辐射的频率为2.54THz，从周期极化晶体5的L3区域的两侧面以垂直于周期极化晶体5侧面的方向辐射出去，具体情况如图2，图3所示。双闲频光λi1(波长3.734μm)、λi2(波长3.620μm)则大部分从平面输出镜7透射出去，获得双波长中红外激光输出。由此，使用单块周期极化晶体即可同时实现双波长中红外激光输出及太赫兹辐射。
综上所述，本发明提供的这种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，使用一块周期极化晶体便可实现双波长中红外激光输出和太赫兹辐射。整个装置结构简单紧凑，光路易于调节，而且太赫兹辐射转换效率高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，该装置包括全反镜(1)、侧泵激光头(2)、声光Q开关(3)、平凹镜(4)、周期极化晶体(5)、控温炉(6)和平面输出镜(7)，其中控温炉(6)用于控制周期极化晶体(5)的工作温度，全反镜(1)、侧泵激光头(2)、声光Q开关(3)、平凹镜(4)、周期极化晶体(5)和平面输出镜(7)依次排列于同一光路上，平凹镜(4)的平面S1朝向声光Q开关(3)，平凹镜(4)的凹面S2朝向周期极化晶体(5)。
2.根据权利要求1所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述全反镜(1)的表面镀对1064nm高反的薄膜，所述声光Q开关(3)的表面镀对1064nm增透的薄膜，所述平凹镜(4)的平面S1镀对1064nm增透的薄膜，所述平凹镜(4)的凹面S2镀对1064nm增透、1450～1550nm高反、3500～4000nm高反的薄膜，所述周期极化晶体(5)两端面镀对1064nm、1450～1550nm和3500～4000nm增透的薄膜，所述平面输出镜(7)的表面镀对1064nm和1450～1550nm高反且对3500～4000nm增透的薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述周期极化晶体(5)采用的材料为PPMgLN晶体，其尺寸为50×5×1mm3，工作于100℃。
4.根据权利要求1或2所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述周期极化晶体(5)在长度方向上分为L1、L2和L3三个区域，L1区域长度为15mm，极化周期Λ1为29.5μm，畴壁垂直于光轴；L2区域长度为15mm，极化周期Λ2为29.8μm，畴壁垂直于光轴；L3区域长度为20mm，极化周期Λ3为20.9μm，畴壁与光轴方向夹角α为23.3°。
5.根据权利要求1所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述全反镜(1)、侧泵激光头(2)、声光Q开关(3)、平凹镜(4)和平面输出镜(7)构成1064nm激光谐振腔，其中平凹镜(4)插入到1064nm谐振腔中可补偿侧泵激光头(2)的热透镜效应，提高1064nm激光的光束质量。
6.根据权利要求1所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述平凹镜(4)、周期极化晶体(5)和平面输出镜(7)构成光参量振荡器谐振腔，该光参量振荡器谐振腔对信号光单共振。
7.根据权利要求5和6所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述1064nm激光谐振腔振荡产生的1064nm激光对周期极化晶体(5)的L1区域和L2区域进行腔内泵浦，产生双信号光λs1、λs2和双闲频光λi1、λi2；信号光λs1、λs2波长分别为1.488μm和1.507μm，双闲频光λi1、λi2波长分别为3.734μm和3.620μm；当1064nm激光超过双信号光λs1、λs2的振荡阈值时，双信号光λs1、λs2在光参量振荡器谐振腔的作用下开始振荡并在光参量振荡器谐振腔内往返传播，双闲频光λi1、λi2则从平面输出镜(7)透射出去，获得双波长中红外激光输出。
8.根据权利要求7所述的基于单块周期极化晶体输出双波长激光和太赫兹波的装置，其特征在于，所述双信号光λs1、λs2，当双信号光λs1、λs2在OPO谐振腔内振荡时，会在腔内产生很高的功率；由于光参量振荡器谐振腔为凹面—平面谐振腔结构，腔内振荡的双信号光λs1、λs2在周期极化晶体(5)的L3区域附近聚焦，因此双信号光λs1、λs2在L3区域会发生腔内差频过程，转换为太赫兹辐射；太赫兹辐射的频率为2.54THz，从周期极化晶体(5)的L3区域的两侧面以垂直于周期极化晶体(5)侧面的方向辐射出去。
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