CN102082386A - 单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法及其产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法及其产生装置，以解决现有光生太赫兹辐射技术中辐射输出位置单一、设备结构复杂、成本较高且稳定性较低的问题。本发明是基于两个参量下转换过程的THz波产生系统和一个参量下转换的THz波长检测系统，该产生系统包括泵浦源同时泵浦THz波参量振荡器，THz波参量发生器和THz波长检测系统，THz波参量振荡器产生的信号光为THz波参量发生器提供差频用信号光，THz波参量振荡器和THz波参量发生器同时输出波长同步变化的同为闲频光的THz波，达到单泵浦源双太赫兹波输出的目的，并通过THz波长检测系统反馈控制THz波参量振荡器，达到控制双输出的THz波长的目的。
Description
技术领域
本发明属于光生太赫兹辐射技术，具体涉及一种单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法及其产生装置。
背景技术
太赫兹(THz)辐射通常指的是频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，其波段在微波和远红外之间。THz电磁辐射具有非常独特的性质，它可以透过各种生物体、电介质材料以及气相物质，这些介质在THz波段具有丰富的吸收和色散性质，通过测量并分析样品的THz信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息。太赫兹频域在高数据率通信、保密通信、精确制导和隐藏武器探测等方面有重要的应用。因此，太赫兹(THz)技术在国家安全、国民经济和科学研究等领域有多方面的应用前景。THz辐射源研究是THz科学技术发展和应用的重要环节，如何有效的产生高功率(高能量)、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调谐的小型化和实用化THz辐射源，已经成为THz技术与应用领域研究及发展的关键问题。光学THz辐射源技术是目前解决这一关键问题的主要途径和重要趋势。
传统的光学THz辐射源采用光电导开关、光整流、光学差频和光学振荡器等技术。相比之下光学差频技术(ωTHz＝ω泵浦光-ω信号光)可以获得更高的THz波产生，并且具有能在室温下运转、宽带可调谐和小型化潜力的优点。
目前运用光学差频产生THz波技术主要采用以下两种方案：一、需要两个光源，一个作为泵浦源另一个作为信号源，泵浦光波长与信号光波长相近但是比信号光波长略短，用这两束光在非线性晶体中差频；二、一个光源，需要一个倍频装置，将泵浦光倍频后作为一个光学振荡器的抽运源得到可调谐的与泵浦光波长相近但是波长略长的信号光，然后将两束光注入非线性晶体中完成差频过程。其中，第一种方案需要两个光源增加了结构和成本，并且每个光源的稳定性和指向性不同增加了不稳定因素；第二种方案虽然只使用一个光源，但是需要搭建倍频系统和一个光参量振荡器，同样增加结构和成本，降低了稳定性。这两类产生THz波的光学差频产生系统输出位置单一且产生的THz波长无法实时自检，不能精确控制产生的太赫兹波长，应用困难。
发明内容
本发明旨在提供一种单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法及其产生装置，以解决现有光生太赫兹辐射技术中辐射输出位置单一、设备结构复杂、成本较高且稳定性较低的问题。
本发明的技术方案如下：
单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，包括以下实现步骤：
(1)泵浦源输出竖直偏振的泵浦光在同一光路上依次经过THz波参量振荡器、THz波参量发生器；所述THz波参量振荡器接收直接来自泵浦源的泵浦光，输出第一级闲频光和第一级信号光；
(2)经过THz波参量振荡器后剩余的泵浦光与所述第一级信号光在THz波参量发生器内差频；
(3)THz波参量发生器输出第二级闲频光和第二级信号光；实际上在这里，第一级的信号光在THz波参量发生器内是被放大的过程，同时产生第二级闲频光；
所述第一级闲频光和第二级闲频光即所需的两路光生太赫兹辐射输出。
考虑到波长实时准确自检，输出波长精确控制，该方法还包括步骤(4)：采样THz波参量发生器输出的第二级闲频光，与步骤(2)分出的另一部分剩余的泵浦光差频，得到的近红外光(可视为第三级闲频光，只是波长不再是太赫兹而是近红外波)转换后以电信号形式反馈控制THz波参量振荡器。实际上，也可以将第一级闲频光作为检测对象，只是其信号强度较弱，使得TWM产生的近红外光也很弱，因而难以检测变送。
上述步骤(4)的检测过程是采样第二级闲频光(一般可选取10％左右；若采样比例过大，输出太赫兹功率损失较大；若采样比例小于2％，采样信号较弱，不利于稳定准确地反馈控制)，采用一个背向相位匹配的参量下转换过程。
上述步骤(1)是采用由半波片和偏振片组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振。
上述步骤(1)所述THz波参量振荡器输出单脉冲能量2-4mJ、波长宽范围连续可调谐纳秒脉冲光作为所述第一级信号光；该第一级信号光峰值功率设定为105W量级，以增加下一级TPG的THz输出功率和实现增益饱和来提高THz波的输出稳定性。
单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，包括泵浦源以及设置于同一光路上泵浦光依次经过的THz波参量振荡器和THz波参量发生器；其中THz波参量振荡器和THz波参量发生器均具有太赫兹辐射输出端口；所述THz波参量振荡器还设置有用以对THz波参量发生器输出差频用信号光的第一级信号光输出端口，所述THz波参量发生器还设置有相应的第一级信号光输入端口。
考虑到波长实时准确自检，输出波长精确控制，该太赫兹辐射产生装置还包括THz波长检测系统，所述THz波长检测系统的采样检测输入端与THz波参量发生器太赫兹辐射输出端口构成THz波束空间耦合(比如可通过从输出端用两个特殊反射镜耦合到输入端)，THz波长检测系统的反馈信号输出端与THz波参量振荡器的电控制模块连接。
上述泵浦源为纳秒级或皮秒级泵浦源。
上述THz波参量振荡器包括第一全反镜、半波片、偏振控制器、光学准直缩束系统、周期极化钽酸锂晶体、高精密旋转平台和固定设置于周期极化钽酸锂晶体两侧的两块腔镜，通过高精密旋转平台控制两块腔镜相对PPsLT晶体旋转。
上述THz波参量产生器包括空间光束整形及分束装置、磷锗锌晶体ZGP和聚氯乙烯滤波器。
作为公知的技术概念，光学差频的过程即：泵浦光-信号光＝闲频光，是泵浦光子将能量复制给信号光子同时剩下的能量作为闲频光子辐射出来。这里的闲频光就是我们需要的太赫兹波。
本发明具有以下优点：
1、性能稳定、增益较高、具有两个输出位置THz输出峰值功率远高于市面上所有国内外产品的性能指标；
2、单泵浦源结构节省成本，使系统结构更加紧凑；
3、具有两个THz发射源，并且波长同步变化，可以满足特殊场合需求。如该系统在测量使用时前一级的TPO产生的THz波由于耦合器的关系输出的波束成矩形且长边是短边的十倍，在无需光束整形的前提下提高了对样品的扫描速度。后一级TPG具有输出THz脉冲峰值功率高线宽窄的特点，在对样品进行扫描测量和指纹光谱对比时具有高信噪比高分辨率的优点，能与前一级的测量信号做光谱同步对比，提高测量结果的准确性和可靠性；
4、波长准确自检，输出波长精确控制。
附图说明
图1为本发明的原理框架图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例的THz波长随闲频光变化示意图；
图4为本发明实施例的光生THz波的输出功率随THz波长变化示意图；
图5为本发明实施例的光生THz波的输出功率随ZGP晶体长度的变化示意图。
附图标号说明：
1-单纵模调Q Nd:YAG激光器、2-45°全反镜、3-半波片、4-偏振控制器、5-光学准直缩束系统、6-PPsLT(周期极化钽酸锂晶体)、7-高精密旋转平台、8-腔镜、9-腔镜、10-45°全反镜、11-1/2波片、12-45°全反镜、13-光学准直扩束系统、14-光学准直扩束系统、15-45°全反镜、16-50％分束镜、17-45°全反镜、18-磷锗锌晶体(ZGP)、19-磷锗锌晶体(ZGP)(这里用的是同一种非线性晶体)、20-聚氯乙烯滤波器、21-透过率10％45°THz波高反镜、22-精密旋转平台、23-45°THz波全反镜、24-45°THz波全反镜、25-检偏器、26-电脑、27-近红外光谱仪、28-泵浦源系统、29-太赫兹波参量振荡器(TPO)、30-太赫兹波参量发生器(TPG)、31-太赫兹波长测量系统(TWM)、32-TPO的相位匹配方式、33-TPG的相位匹配方式、34-TWM的相位匹配方式。
具体实施方式
本发明是基于两个参量下转换过程的THz波产生系统和一个参量下转换的THz波长检测系统，如图1所示，该THz波产生系统的泵浦源28同时泵浦THz波参量振荡器29、THz波参量发生器30和THz波长检测系统31，THz波参量振荡器29产生的信号光为THz波参量发生器30提供差频用信号光，THz波参量振荡器29和THz波参量发生器30同时输出波长同步变化的THz波(闲频光)，达到单泵浦源双太赫兹波输出的目的；同时由THz波长检测系统31得到此时的THz波长并反馈控制THz波参量振荡器29，达到控制29、30输出的THz波长的目的。
其中泵浦源28采用ns级或ps级泵浦源，如Seeded PR II 8010型大能量单纵模调Q Nd:YAG激光器。THz波参量振荡器29包括2-9，腔镜8、腔镜9分别设置在PPsLT晶体6两侧，高精密旋转平台7控制腔镜8和腔镜9相对PPsLT晶体6的位置(改变输出的THz波和近红外信号光的波长)。THz波参量产生器30包括10-16、18、20。THz波长实时监测系统31包括17、19、21-27。
本发明是将种子注入的单纵模调Q的Nd:YAG激光器作为抽运光源，该激光器的主要指标为：单纵模(线宽0.003cm-1)，波长1064nm，脉宽8ns，单脉冲能量大于150mJ。用半波片和偏振片组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振。
采用高光学非线性系数的PPsLT晶体搭建第一级太赫兹光参量振荡器(TPO)。该TPO的主要技术性能为：输出脉宽5ns、单脉冲能量2-4mJ、波长宽范围连续可调谐纳秒脉冲光作为信号光，经过合理的腔型和腔长选择提高了光束质量，经准直和缩束后入射到后一级非线性晶体中；控制高精密旋转平台改变非共线角，同时由硅棱镜耦合输出波长在1.5-2.5THz连续可调谐的峰值功率在数百毫瓦级的THz波；信号光峰值功率优化选择为105W量级以增加THz输出功率和实现增益饱和来提高THz波的输出稳定性。
采用技术成熟且具有高二阶非线性系数及对THz波吸收系数最低的ZGP晶体作为后一级差频(TPG)非线性晶体。将前一级TPO剩余的泵浦光作为后一级TPG的泵浦光，和前一级TPO产生的近红外信号光在ZGP晶体中完成TPG。该TPG的主要技术性能为：输出的THz波长与前一级的TPO产生的THz波长相同，并且同步变化，输出的峰值功率在数十瓦量级。
选取一部分THz波在最后的TWM中采用一个背向相位匹配的参量下转换过程，简化了光路结构，在相同的泵浦波长条件下，得到的闲频光波长与前两个参量过程产生的信号光波长相同。由于采用了背向参量过程晶体放置的相位匹配角与TPG中不同，因此从ZGP晶体左边入射的两束近红外光无法进行如同TPG中的差频过程，其中的信号光还经过了ZGP晶体的吸收损耗。从ZGP晶体右侧入射的THz波和泵浦光经过背向相位匹配差频过程产生闲频光，其偏振不同于左侧入射信号光，采用检偏器排除左侧入射的信号光对测量的干扰后，用近红外光谱仪精确测出背向差频产生闲频光的波长，由此通过图3的关系得到THz波长。
TPO经一个耦合输出装置产生第一级闲频光，图2可看出。在THz波参量振荡器中由于PPsLT晶体本身结构特征和匹配的硅棱镜组输出耦合装置外型的关系，输出的THz波束成矩形且长边是短边的十倍，在无需光束整形的前提下，增大了对样品扫描面积，提高了扫描速度。
Claims (10)
1.单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)泵浦源输出竖直偏振的泵浦光在同一光路上依次经过THz波参量振荡器、THz波参量发生器；所述THz波参量振荡器接收直接来自泵浦源的泵浦光，输出第一级闲频光和第一级信号光；
(2)经过THz波参量振荡器后，剩余的泵浦光分成两部分，其中一部分与所述第一级信号光在THz波参量发生器内差频；
(3)THz波参量发生器输出第二级闲频光和第二级信号光；
所述第一级闲频光和第二级闲频光即所需的两路光生太赫兹辐射输出。
2.根据权利要求1所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，其特征在于，该方法还包括步骤(4)：
采样THz波参量发生器输出的第二级闲频光，与步骤(2)分出的的另一部分剩余的泵浦光差频，得到的近红外光转换后以电信号形式反馈控制THz波参量振荡器。
3.根据权利要求1或2所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，其特征在于：所述步骤(4)的检测过程是采样第二级闲频光，采用一个背向相位匹配的参量下转换过程。
4.根据权利要求3所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，其特征在于：步骤(1)是采用由半波片和偏振片组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振。
5.根据权利要求4所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射方法，其特征在于：步骤(1)所述THz波参量振荡器输出单脉冲能量2-4mJ、波长宽范围连续可调谐纳秒脉冲光作为所述第一级信号光，其峰值功率设定为105W量级。
6.应用权利要求1所述方法的单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，其特征在于：该太赫兹辐射产生装置包括泵浦源以及设置于同一光路上泵浦光依次经过的THz波参量振荡器和THz波参量发生器；其中THz波参量振荡器和THz波参量发生器均具有太赫兹辐射输出端口；所述THz波参量振荡器还设置有用以对THz波参量发生器输出差频用信号光的第一级信号光输出端口，所述THz波参量发生器还设置有相应的第一级信号光输入端口。
7.根据权利要求6所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，其特征在于：该太赫兹辐射产生装置还包括THz波长检测系统，所述THz波长检测系统的采样检测输入端与THz波参量发生器太赫兹辐射输出端口构成THz波束空间耦合，THz波长检测系统的反馈信号输出端与THz波参量振荡器的电控制模块连接。
8.根据权利要求7所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，其特征在于：所述泵浦源为纳秒级或皮秒级泵浦源。
9.根据权利要求8所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，其特征在于：所述THz波参量振荡器包括第一全反镜、半波片、偏振控制器、光学准直缩束系统、周期极化钽酸锂晶体、高精密旋转平台和固定设置于周期极化钽酸锂晶体两侧的两块腔镜，通过高精密旋转平台控制两块腔镜相对PPsLT晶体旋转。
10.根据权利要求9所述的单泵浦双输出光生太赫兹辐射产生装置，其特征在于：所述THz波参量产生器包括空间光束整形及分束装置、磷锗锌晶体ZGP和聚氯乙烯滤波器。
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