CN102244334A - 基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其包括激光器、环行器、光束分离器、基于超声光栅移频的循环移频环节、光束合成器、光隔离器及带太赫兹辐射天线的光电转换器，所述激光器输出的光经过环行器后被光束分离器分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节后产生循环移频光，光束合成器中将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器接收并辐射出相干太赫兹波。本发明提供的发生器体积小，光学元件少因而易集成，调谐范围大，调谐效率高，太赫兹产生效率高。

Description

基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器

技术领域

本发明涉及一种宽带调谐太赫兹波发生器，特别涉及一种基于超声光栅移频、循环移频和拍频原理的宽带调谐太赫兹波光源。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波是指工作频率处于0.1～10THz范围内的电磁波。太赫兹波之所以能引起科学工作者浓厚的研究兴趣，并不是因为它神秘而鲜为人知的电磁辐射，更主要是因为它具有很多独特的性质，正是这些独特的性质赋予了太赫兹科学广泛的应用前景。太赫兹波的独特的性质主要表现在：透视性、安全性、光谱分辨本领。太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，因此可以对非透明物体进行透视成像，另外由于太赫兹的波长大于空气中悬浮烟雾颗粒的尺度，瑞利散射损耗极小，所以能较好地穿透烟尘和浓雾，是火灾救护或风尘环境监测中成像的理想光源。相比X射线具有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏，该能量比各种化学键的键能都低，所以不会发生电离反应，即不会破坏化合物分子结构，因此可以应用到安检和生物检测等场所，这是太赫兹的安全性的体现，大量的分子，尤其是有机分子的振动和转动的跃迁谱，均处于太赫兹频谱范围内，因而可以利用光谱分辨率特性实现物体形貌和组成成分的分析。

由于太赫兹波具有上述重要的应用前景，目前国际上已有多个小组开展了相干太赫兹波领域的科学研究工作，尤其是关于可调谐相干太赫兹波的产生方面的研究。在韩国，N.J.Kim小组于2009年实现了基于双波长分布式反馈激光二极管(Distributed Feedback Laser Diodes，DFB LDs)泵浦的可调谐连续波太赫兹辐射，并于2010年将太赫兹波的调谐宽度扩大到0.5THz。在加拿大，S.L.Pan小组于2009年实现了基于双波长掺饵光纤激光(Erbium-Doped Fiber Laser，EDFL)的可调谐微波信号输出。在美国，Y.J.Ding小组于2010年实现了基于双波长差频(Difference Frequency，DF)产生了紧凑、便携式太赫兹辐射源，其体积可以缩小到30.48×15.24×10.16cm³，唯一不足的是：不可调谐。在德国，波恩大学的I.Breunig小组从2007年至2010年期间不断完善基于内腔光学参量振荡器(Internal Cavity Optical Parametric Oscillator，ICOPO)的可调谐太赫兹波产生方案，最终其调谐宽度达到2THz，但加热炉的温度稳定性成为影响准相位匹配(QPM)的关键问题。在法国，法国科学研究中心(CNRS)的J.Mangeney小组最近几年一直致力于利用某些非线性材料(如In_0.53Ga_0.47As)的光混合器(PM)产生可调谐连续太赫兹波的研究，最大调谐宽度为0.9THz。在日本，H.Ito小组利用UTC-PD(Uni-Traveling-Carrier Photodioed)光混合器实现了连续太赫兹波的产生，最高频率可以达到1.5THz。

获得太赫兹波的方式很多，原理也各异，目前产生可调谐相干太赫兹波的方式大致可以分为三大类。第一类是基于双波长泵浦源研究和设计的可调谐相干太赫兹辐射；第二类是泵浦源波长固定，基于非线性级联过程的ICOPO产生太赫兹波的研究和设计。第三类是基于PM的可调谐太赫兹辐射源。对于第一类而言，目前主要涉及基于DFB LDs、EDFLs、DF双波长泵浦源的可调谐相干太赫兹辐射源研究和设计。利用DFB LDs产生的太赫兹调谐范围较窄，一般不到0.5THz；利用EDFLs方式产生的太赫兹调谐范围虽然可以达到0.5THz，但其结构相当复杂；而利用DF方式产生的太赫兹调谐范围虽然较宽，可以达到20THz，但这种方式的太赫兹辐射源装置相当庞大，尽管2010年，Y.J.Ding实现了30.48×15.24×10.16cm³紧凑的太赫兹辐射源，然而却不可调谐。对于第二类而言，虽然目前其调谐宽度可以达到2THz，但由于温度稳定性原因，满足准相位匹配条件并不是件容易的事，从而使得调谐效率较低。对于第三类而言，目前最高调谐宽度为0.9THz，显然其调谐宽度较窄。

总之，上述方法或调谐宽度较窄，或体积庞大，或调谐效率低，或转换效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑、便携，易于集成，宽调谐且调谐效率高的宽带调谐太赫兹发生器。

解决本发明技术问题的技术方案是：提供一种基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其包括激光器、第一环行器、光束分离器、基于超声光栅移频的循环移频环节、第一光束合成器、光隔离器及带太赫兹辐射天线的光电转换器，所述激光器输出的光经过第一环行器后被光束分离器分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节后产生循环移频光，第一光束合成器将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器接收并辐射出相干太赫兹波。

进一步地，所述激光器为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。

进一步地，所述第一环行器为三端口环行器，其第一端口连接激光器，第二端口连接光束分离器，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光束分离器的反射光。

进一步地，所述带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。

进一步地，所述基于超声光栅移频的循环移频环节的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。

进一步地，所述光束分离器的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值，再次佳值为1以外的其它正整数值，所述光束分离器的分光比为参考光功率除以基于超声光栅移频的循环移频环节的输入光功率。

进一步地，所述基于超声光栅移频的循环移频环节包括第二光束合成器、超声光栅、L₁透镜、L₂透镜、第二环行器、第一反馈式布喇格光栅、可调谐滤波器、光放大器和光幅度衰减器，所述光放大器和光幅度衰减器组成增益可调的光放大器。

进一步地，所述超声光栅为透射超声光栅，用于相位调制。

进一步地，所述第二环行器为三端口环行器，其第一端口接收来自L₂透镜的光，第二端口连接第一反馈式布喇格光栅，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收第一反馈式布喇格光栅的反射光。

进一步地，所述基于超声光栅移频的循环移频环节中各部件、第一光束合成器、光隔离器和带太赫兹辐射天线的光电转换器的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率。

进一步地，所述环行器、光束分离器、基于超声光栅移频的循环移频环节中各部件、第一光束合成器、光隔离器和带太赫兹辐射天线的光电转换器的工作波段与激光器的工作波段一致。

进一步地，所述可调谐滤波器为窄带滤波器，其允许一窄带光输出到第一光束合成器的输入端，而将其它频率的光反射到光放大器的输入端，所述可调谐滤波器的窄带输出光的频率与所述激光器的输出光的频率之差等于所需要的太赫兹波的频率，输出的太赫兹波的频率调节范围不大于可调谐滤波器的窄带输出光的频率调谐范围。

进一步地，所述可调谐滤波器为带缺陷层的一维光子晶体可调谐滤波器或布喇格光栅-全反射镜组合体。

进一步地，所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化，所述一维光子晶体可调谐滤波器的表面与其入射波的方向成45度夹角，所述一维光子晶体可调谐滤波器的窄带透射波进入到第一光束合成器的输入端，所述一维光子晶体可调谐滤波器的反射光进入到光放大器的输入端。

进一步地，所述布喇格光栅-全反射镜组合体包括一个与入射光方向成45度夹角的第二反馈式布喇格光栅和一个反射面与入射光方向成45度夹角的全反射镜，在所述第二反馈式布喇格光栅和全反射镜之间为一空气或介质层，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光为该可调谐滤波器的窄带输出光，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光进入第一光束合成器中，所述全反射镜的反射光沿另一光路进入到光放大器的输入端，所述第二反馈式布喇格光栅的晶格参数通过压电效应、磁致伸缩效应、热胀冷缩效应、电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变方式来进行调节，以实现所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光的频率的调节。

本发明提供的宽带调谐太赫兹发生器体积小，光学元件少因而易集成，调谐范围大，调谐效率高，太赫兹产生效率高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明基于超声光栅移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的系统结构示意图。

图2为本发明基于超声光栅移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的第一个实施例的示意图。

图3为本发明基于超声光栅移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的另一个实施例的示意图，其中的短虚线框内的斜条纹填充框和黑色填充框分别为反馈式布喇格光栅和全反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，如图1所示，其包括激光器1、环行器2、光束分离器3、基于超声光栅移频的循环移频环节4、光束合成器5、光隔离器6及带太赫兹辐射天线的光电转换器7。激光器1输出的光经过环行器2后被光束分离器3分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节4后产生循环移频光，光束合成器5将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器6后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器7接收并辐射出相干太赫兹波。

激光器1为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。环行器2为三端口环行器，其第一端口连接激光器1，第二端口连接光束分离器3，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光束分离器3的反射光。带太赫兹辐射天线的光电转换器7为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。

基于超声光栅移频的循环移频环节4包括光束合成器41、超声光栅42、L₁透镜43、L₂透镜44、环行器45、第一反馈式布喇格光栅46、可调谐滤波器47、光放大器48和光幅度衰减器49，光放大器48和光幅度衰减器49组成增益可调的光放大器。环行器2、光束分离器3、基于超声光栅移频的循环移频环节4中各部件、光束合成器5、光隔离器6和带太赫兹辐射天线的光电转换器7的工作波段与激光器1的工作波段一致。

基于超声光栅移频的循环移频环节4的闭环增益系数(或称整体增益系数)的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。基于超声光栅移频的循环频移环节4的输出光的幅度最佳值等于参考光的幅度，即光束分离器3的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值，再次佳值为1以外的其它正整数值，也即光束分离器3的分光比与基于超声光栅移频的循环移频环节的闭环增益系数的乘积最佳值为1。光束分离器3的分光比等于参考光功率除以基于超声光栅移频的循环移频环节4的输入功率。

超声光栅42为透射超声光栅，用于相位调制。超声光栅42的频移原理是：超声波在透明介质中传播时将引起介质的弹性应变而作时间和空间上的周期性变化，导致介质的折射率也作相应变化。若声光作用距离较小时，光波通过介质主要引起空间周期性变化，最终光波的位相受到调制。不失一般性，设声光介质中的超声波是沿着x方向传播的平面纵波，其角频率为ω_s，波矢量为k_s(＝2π/λ_s)，其中λ_s为超声波波长；入射光为沿z方向传播的平面波，其角频率为ω，波矢量为k(＝2π/λ)，其中λ为真空中光波波长。当介质的弹性应变较小时，折射率n随x和时间t的变化关系为

n(x，t)＝n₀+(Δn)_msin(ω_st-k_sx)      (1)

其中n₀表示无超声波时介质的折射率，(Δn)_m表示折射率的变化幅值。当光波通过厚度为L的超声光栅时，引起的相位变化为

ΔΦ(x，t)＝kn(x，t)L＝ΔΦ₀+ΔΦ_msin(ω_st-k_sx)    (2)

其中ΔФ₀表示无超声波时光通过L厚度超声光栅的相位差，ΔФ_m表示位相差的变化幅度。假设光第一次通过超声光栅时，在z＝-L/2平面上的电矢量为

E＝Ae^iωt         (3)

则光第一次通过超声光栅后，在z＝L/2平面上的电矢量为

$E={\mathrm{Ae}}^{i[\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\Δ\Φ}}_0-{\mathrm{\Δ\Φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)]}---\left(4\right)$

利用数学恒等式

$e^{\mathrm{i\β}\sin \mathrm{\θ}}=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(\mathrm{\β}\right)e^{\mathrm{in\θ}},J_{-n}\left(\mathrm{\β}\right)={(-1)}^n{J}_n\left(\mathrm{\β}\right)---\left(5\right)$

(5)式中，J_n(β)为第一类贝塞尔函数。利用(5)式可以将(4)式变化为

$E={\mathrm{CJ}}_0\left(\mathrm{\β}\right)e^{\mathrm{i\ωt}}$

$+{\mathrm{CJ}}_1\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_s)t}-{\mathrm{CJ}}_1\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_s)t}$

$+{\mathrm{CJ}}_2\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-2{\mathrm{\ω}}_s)t}+{\mathrm{CJ}}_2\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{2\mathrm{\ω}}_s)t}---\left(6\right)$

......

$+{\mathrm{CJ}}_n\left(\mathrm{\β}\right)e^{i(\mathrm{\ω}-{\mathrm{n\ω}}_s)t}+{\mathrm{CJ}}_n\left(\mathrm{\β}\right){(-1)}^n{e}^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{n\ω}}_s)t}$

其中，C＝Aexp[i(-Δφ₀+k_xx)]，β＝ΔΦ_m。式(6)表示n级衍射的平面波电矢量叠加。另外上述变形过程中，已假定

k_x＝ksinα＝nk_s       (7)

其中，α表示衍射角。若将(7)式改写为

λ_ssinα＝nλ(n＝0，±1，±2，......)   (8)

观察(8)式可发现该式与熟知的光栅方程的表达式非常相似，其中λ_s相当于光栅常数。从该式可以确定超声光栅常数(即超声波波长)、光波波长、不同级次衍射角三者之间的关系。

结合实际情况，只取第一级衍射作为循环对象，即只关心(6)式中第二行，尤其是第二项表达式。则光第N次通过超声光栅后第一级衍射的高频部分的电矢量可以写为-(CJ₁(β))^Nexp[i(ω+Nω_s)t]，从频率部分可以发现有Nω_s的频率增加。

由此可见，在基于超声光栅的循环移频环节中，光波经过N次循环移频后获得Nω_s的频移量，只要该频移量未使光的频率达到可调谐滤波器的选取频率，则光波会被反馈回循环移频环节中不断循环，直到频移量使光的频率达到滤波器的选取频率为止。

另外，由于第一级衍射角与光波波长和超声光栅常数存在一定的比例关系即sinα＝λ/λ_s，所以必须确定当循环移频后光波波长变化时角度的变化范围。假定超声光栅常数确定为34000nm(取声速为340m/s，超声波频率为10MHz)，那么当光波波长从一定值(例如，1550nm)上下波动20nm时角度的变化范围为0.045至0.046rad，即2.58°至2.65°角度范围。显然，当光波波长变化时一级衍射的角度变化不大，这对循环移频具有重要帮助，避免了光学元件的随时调节，利于光学集成。

环行器45为三端口环行器，其第一端口接收来自L₂透镜44的光，第二端口连接第一反馈式布喇格光栅46，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载将吸收第一反馈式布喇格光栅46的反射光。所述基于超声光栅移频的循环移频环节4中各部件、光束合成器5、光隔离器6和带太赫兹辐射天线的光电转换器7的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率，即工作频率带宽不小于所述基于超声光栅移频的循环移频环节的最大频移范围。

可调谐滤波器47为窄带滤波器，其允许一窄带光输出到光束合成器5的输入端，而将其它频率的光反射到光放大器48的输入端，所述可调谐滤波器47的窄带输出光的频率与所述激光器1的输出光的频率之差等于所需要的太赫兹波的频率，输出的太赫兹波的频率通过调节可调谐滤波器47的窄带输出光的频率来实现，太赫兹波的频率调节范围不大于可调谐滤波器47的窄带输出光的频率调谐范围。

优选地，可调谐滤波器47为带缺陷层的一维光子晶体可调谐滤波器(如图2所示)或布喇格光栅-全反射镜组合体(如图3所示)；所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的太赫兹波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化，实现可调谐滤波的功能。优选地，所述一维光子晶体可调谐滤波器的表面与其入射波的方向成45度夹角，所述一维光子晶体可调谐滤波器的窄带透射波进入到光束合成器5的输入端，所述一维光子晶体可调谐滤波器的反射光进入到光放大器48的输入端；所述布喇格光栅-全反射镜组合体包括一个与入射光方向成45度夹角的第二反馈式布喇格光栅和一个反射面与入射光方向成45度夹角的全反射镜，在所述第二反馈式布喇格光栅和全反射镜之间为一空气或介质层，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光为该可调谐滤波器的窄带输出光，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光进入光束合成器5中，所述全反射镜的反射光沿另一光路进入到光放大器48的输入端，所述第二反馈式布喇格光栅的晶格参数通过压电效应、磁致伸缩效应、热胀冷缩效应、电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变方式来进行调节，以实现所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光的频率的调节。

下面是一个实施例的各组成部分及其工作参数。激光器1选用1550nm超窄线宽半导体连续激光器，该激光器在25℃时的工作波长为1550nm，输出功率为5mW，连续工作模式，最大线宽为50kHz，输出光纤类型为SMF-28单模光纤(9/125μm)。超声光栅42的声光介质为纯净水，工作频率为10MHz，衍射级次可以达到3级，衍射效率为96％，超声频率最大可以达到30MHz，衍射头体积为4×4×2cm³。所选用的可调谐滤波器47对中心波长的调谐宽度达到40nm，几乎覆盖了整个C-band(1528nm～1610nm)，插入损耗为4.0dB，该滤波器的体积为24×8.8×35cm³。所选用的光放大器48的工作带宽为40nm，覆盖了整个C-band。所选用的光束分离器3为响应1550nm波长的10/90的光学元件，其中10表示参考光部分，90表示信号光部分。所选用的环行器2、45是接吸波负载的光学器件，起到光隔离效果，同时对反射回来的光利用吸波负载加以吸收，该器件既起到光隔离又起到环保作用，其响应波长在1550nm附近。所选用的第一反馈式布喇格光栅46对载波波长1550nm起到反射抑制作用。所选用的光束合成器5、41为响应1550nm波长的光纤耦合器。所选用的L₁透镜43和L₂透镜44为增透1550nm附近波长的缩束系统，便于将光束耦合到光纤中。所选用的带太赫兹辐射天线的光电转换器7为响应太赫兹波段的光导天线。

光束分离器3将光纤输出的1550nm激光分为两路，一路作为参考光，另一路作为超声光栅42的调制信号光，在超声波频率信号驱动下超声光栅42改变信号光的频率，使信号光的频率发生偏移，当信号光的频率达到可调谐滤波器47的选取频率时，可调谐滤波器的窄带光输出端便输出一窄带光到光束合成器5的输入端，否则信号光会沿另一光路被反射到光放大器48的输入端，经过光放大后进入光束合成器41再次反馈到超声光栅42中进行频率移动。此频率移动过程不断重复，最终获得任意大小的频率移动，这是本方案的关键优势之一。参考光和可调谐滤波器47输出的信号光经过光束合成器5后在响应太赫兹波的光导天线7中产生出太赫兹波，并辐射出频率调节范围为5THz的相干太赫兹波。

为了保证两拍频信号光等幅度相干叠加，在光放大器48的输出端接上幅度衰减器49。

本发明相对现有太赫兹波光源具有以下突出的优点：

(1)价格低廉。该方案中产生太赫兹波的装置中并没有利用非线性效应，故不需要使用非线性晶体，极大地降低了成本。

(2)紧凑、便携。基于超声光栅移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器利用市售组件组装后的体积不超过40×10×35cm³，重量不超过8kg。

(3)光路简单。在整个装置中，只有光束分离器及L₁、L₂透镜为可动光学元件，其它部分均已固定，优选光束合成器为光纤耦合器。该装置方便光集成。

(4)调谐范围或调谐宽度大。即便中心波长(例如，1550nm)受可调谐滤波器和光放大器的带宽限制。对于工作带宽为40nm的可调谐滤波器和光放大器，即能获得5THz太赫兹波的调谐宽度。这比以往大多数太赫兹辐射源的调谐宽度都要大。随着可调谐滤波器和带通放大器的调谐宽度的增大，输出太赫兹波的波长调节范围会相应地增加。

(5)调谐效率高。该方案中的调谐主要通过超声光栅实现频率移动，当调节后的信号频率达到可调谐滤波器的选取频率时，可调谐滤波器的窄带光输出端便输出一窄带光到光束合成器5的输入端，否则信号光被反射进入光放大器，经过放大后，再反馈到超声光栅的输入端，经过超声光栅再次进行频率移动。这个过程不需要人工或计算机干预，其调谐效率相当高。

(6)太赫兹产生效率高。例如，采用1550nm的光纤激光器作为输入光源，则该方案中太赫兹波是通过1550nm附近的两束光在光束合成器5产生拍频光，经过光隔离器后再经光电转换器产生出太赫兹拍频波，并由太赫兹天线辐射出来。优选光电转换器，例如采用高效率的光导天线，转换效率能达到80％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：其包括激光器(1)、环行器(2)、光束分离器(3)、基于超声光栅移频的循环移频环节(4)、光束合成器(5)、光隔离器(6)及带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)，所述激光器(1)输出的光经过环行器(2)后被光束分离器(3)分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节(4)后产生循环移频光，光束合成器(5)将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器(6)后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)接收并辐射出相干太赫兹波。

2.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述激光器(1)为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述环行器(2)为三端口环行器，其第一端口连接激光器(1)，第二端口连接光束分离器(3)，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光束分离器(3)的反射光。

4.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。

5.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述基于超声光栅移频的循环移频环节(4)的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。

6.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述光束分离器(3)的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值，再次佳值为1以外的其它正整数值，所述光束分离器(3)的分光比为参考光功率除以基于超声光栅移频的循环移频环节(4)的输入光功率。

7.根据权利要求1所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述基于超声光栅移频的循环移频环节(4)包括光束合成器(41)、超声光栅(42)、L₁透镜(43)、L₂透镜(44)、环行器(45)、第一反馈式布喇格光栅(46)、可调谐滤波器(47)、光放大器(48)和光幅度衰减器(49)，所述光放大器(48)和光幅度衰减器(49)组成增益可调的光放大器。

8.根据权利要求7所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述超声光栅(42)为透射超声光栅，用于相位调制。

9.根据权利要求7所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述环行器(45)为三端口环行器，其第一端口接收来自L2透镜(44)的光，第二端口连接第一反馈式布喇格光栅(46)，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收第一反馈式布喇格光栅(46)的反射光。

10.根据权利要求7所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述基于超声光栅移频的循环移频环节(4)中各部件、光束合成器(5)、光隔离器(6)和带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率。

11.根据权利要求7所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述环行器(2)、光束分离器(3)、基于超声光栅移频的循环移频环节(4)中各部件、光束合成器(5)、光隔离器(6)和带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)的工作波段与激光器(1)的工作波段一致。

12.根据权利要求7所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述可调谐滤波器(47)为窄带滤波器，其允许一频率可调的窄带光输出到光束合成器(5)的输入端，而将其它频率的光反射到光放大器(48)的输入端，所述可调谐滤波器(47)的窄带输出光的频率与所述激光器(1)的输出光的频率之差等于所需要的太赫兹波的频率，输出的太赫兹波的频率调节范围不大于可调谐滤波器(47)的窄带输出光的频率可调范围。

13.根据权利要求12所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述可调谐滤波器(47)为带缺陷层的一维光子晶体可调谐滤波器或布喇格光栅-全反射镜组合体。

14.根据权利要求13所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的太赫兹波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化，所述一维光子晶体可调谐滤波器的表面与其入射波的方向成45度夹角，所述一维光子晶体可调谐滤波器的窄带透射波进入到光束合成器(5)的输入端，所述一维光子晶体可调谐滤波器的反射光进入到光放大器(48)的输入端。

15.根据权利要求13所述基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于：所述布喇格光栅-全反射镜组合体包括一个与入射光方向成45度夹角的第二反馈式布喇格光栅和一个反射面与入射光方向成45度夹角的全反射镜，在所述第二反馈式布喇格光栅和全反射镜之间为一空气或介质层，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光为该可调谐滤波器的窄带输出光，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光进入光束合成器(5)中，所述全反射镜的反射光沿另一光路进入到光放大器(48)的输入端，所述第二反馈式布喇格光栅的晶格参数通过压电效应、磁致伸缩效应、热胀冷缩效应、电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变方式来进行调节，以实现所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光的频率的调节。

Images