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波装置。
解决本发明技术问题的技术方案是:提供一种循环超声光栅移频非线性差频式宽带调谐太赫兹波发生器,其包括激光器、第一环行器、光分束器、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、非线性元件及太赫兹滤波片,所述激光器输出的光经过第一环行器后被光分束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,所述参考光和循环移频光经第一光束合成器合束后,再经过光隔离器在非线性元件中进行差频,最后经过太赫兹滤波片滤波辐射出相干太赫兹波。
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。
所述第一环行器为三端口环行器,其第一端口连接激光器,第二端口连接光分束器,第三端口连接吸收负载,所述吸收负载吸收光分束器的反射光。
所述非线性元件为非线性材料和线性材料交替排列的周期结构,或由非线性材料和线性材料交替排列构成的光学超晶格结构,或由非线性材料和线性材料交替排列构成的慢变周期结构,或由非线性材料和线性材料排列构成的斐波纳契(Fibonacci)结构,它满足系统的太赫兹输出波频率调谐范围所对应的非线性差频过程所要求的相位匹配条件范围。
所述太赫兹滤波片为太赫兹带通透射式滤波器或太赫兹带阻反射式滤波器;对于带通透射式滤波器,透射波输出为太赫兹波,其它波长的波会被该滤波器反射;对于带阻反射式滤波器,反射波输出为太赫兹波,其它波长的波会透过该滤波器。
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。
所述光分束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,所述光分束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。
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。
所述超声光栅为透射超声光栅,用于相位调制。
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。
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、光隔离器的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率。
所述环行器、光分束器、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、光隔离器的工作波段与激光器的工作波段一致。
所述可调谐滤波器为窄带滤波器,其允许一窄带光输出到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。
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。
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。
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。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)紧凑、便携。循环超声光栅移频非线性差频式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。
(2)光路简单。在整个装置中,只有光分束器及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。
(3)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。
(4)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第一光束合成器的输入端,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。
(5)太赫兹产生效率高。由于循环移频节中存在增益可调部分,所以移频光的输出功率会比较高,这比以往任何一种移频方式的效率都要高,进而太赫兹辐射的转换效率也相应比较高。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
本发明提供了一种循环超声光栅移频非线性差频式宽带调谐太赫兹波发生器,如图1所示,其包括激光器1、第一环行器、光分束器3、基于超声光栅移频的循环移频环节4、第一光束合成器、光隔离器6、非线性元件7及太赫兹滤波片8。激光器1输出的光经过第一环行器后被光分束器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,所述参考光和循环移频光经第一光束合成器合束后,再经过光隔离器6在非线性元件7中进行差频,最后经过太赫兹滤波片8滤波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。第一环行器为三端口环行器,其第一端口连接激光器1,第二端口连接光分束器3,第三端口连接吸收负载,所述吸收负载吸收光分束器3的反射光。
基于超声光栅移频的循环移频环节4包括第二光束合成器、超声光栅42、L1透镜43、L2透镜44、第二环行器、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。第一环行器、光分束器3、基于超声光栅移频的循环移频环节4中各部件、第一光束合成器、光隔离器6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,即光分束器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,也即光分束器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。光分束器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ωs,波矢量为ks(=2π/λs),其中λs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(ωst-ksx) (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+ΔΦmsin(ωst-ksx) (2)
其中ΔΦ0表示无超声波时光通过L厚度超声光栅的相位差,ΔΦm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=Aeiωt (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
利用数学恒等式
(5)式中,Jn(β)为第一类贝塞尔函数。利用(5)式可以将(4)式变化为
其中,C=Aexp[i(-Δφ0+kxx)],β=ΔΦm。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
kx=ksinα=nks (7)
其中,α表示衍射角。若将(7)式改写为
λssinα=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λs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+Nωs)t],从频率部分可以发现有Nωs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Nωs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/λs,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。
第二环行器为三端口环行器,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、第一光束合成器、光隔离器6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。
差频原理:如图4所示,光学差频产生是三波相互作用的参量过程;频率分别为ω1和ω2的泵浦光在非线性元件内相互作用,产生的参量光的频率是这两束泵浦光频率之差ω1-ω2;当每消耗一个ω1光子,必然同时产生一个ω2光子,这三个频率必须满足能量守恒关系ω3=ω1-ω2;在差频过程中,频率较高的ω1光被消耗,频率较低的ω2光将会被放大。如果要有效地产生差频场,极化波和电磁波的相速度必须相同,即非线性元件内相互作用的三个平面波必须满足相位匹配条件Δk=k1-k2-k3。为了实现宽带调谐太赫兹波输出,需要有宽的相位匹配范围,通过由非线性材料和线性材料交替排列的周期结构,或由非线性材料和线性材料交替排列构成的光学超晶格结构,或由非线性材料和线性材料交替排列构成的慢变周期结构,或由非线性材料和线性材料排列构成的斐波纳契(Fibonacci)结构,即能获得系统的太赫兹输出波频率调谐范围所对应的非线性差频过程所要求的相位匹配条件范围。
下面是一种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。所选用的光分束器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。所选用的第一环行器、第二环行器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。所选用的第一光束合成器、第二光束合成器为响应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。所选用的非线性元件7为慢变斜式周期性极化铌酸锂晶体(PPLN),太赫兹滤波片8为响应太赫兹波段、全反射或全透射参考光和移频光的树脂材料。
光分束器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第一光束合成器的输入端,否则信号光会沿另一光路被反射到光放大器48的输入端,经过光放大后进入第二光束合成器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输出的信号光经过第一光束合成器合束后在非线性元件7中进行差频,最后经太赫兹滤波片8滤波辐射出频率调节范围为5THz的相干太赫兹波。
为了保证参考光和移频光等幅度相干叠加,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。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处,不应当理解为对本发明的限制。