CN102331649A - 一种多波长太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长太赫兹波参量振荡器，包括激光泵浦腔和太赫兹波参量振荡腔，其激光泵浦腔由全反镜、四分之一波片、电光调Q装置、偏振片、脉冲激光泵浦源模块、小孔光阑和激光器输出镜组成。太赫兹波参量振荡腔包括两个由直角棱镜、反射镜、在小孔光阑与激光器输出镜之间放置的MgO:LiNbO₃晶体，和多半圆形输出镜组成的直角棱镜谐振腔，在MgO:LiNbO₃晶体表面安放有两个硅棱镜阵列。在激光泵浦腔内来回振荡的泵浦光垂直入射于MgO:LiNbO₃晶体，在两个直角棱镜谐振腔内分别激励产生两束振荡的斯托克斯光，以及两组四束太赫兹波，从硅棱镜阵列出射。可实现两组四束太赫兹波的连续调谐输出，且输出能量基本相等。

Description

一种多波长太赫兹波参量振荡器

技术领域

本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种多波长太赫兹波参量振荡器。

背景技术

处于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波——太赫兹波，是一个非常具有科学研究价值的电磁波辐射。凭借其所处频段特殊位置以及其低能性、高穿透性等特性，太赫兹波技术目前被广泛应用于各种基础研究领域和应用研究领域中。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。

太赫兹波参量振荡器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。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晶体组成的太赫兹波参量振荡器，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，充分证明了太赫兹波参量振荡器是一种性能优良、实用性很强的太赫兹波波辐射源。

太赫兹波参量振荡器是基于极性晶体(如LiNbO₃晶体)的受激电磁耦子散射过程来实现太赫兹波辐射的，该散射过程同时也是一种前向拉曼散射过程。在该散射过程中，其晶格振动模电磁耦子具有一定的空间角度色散特性，在满足泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波非共线相位匹配条件情况下就可实现太赫兹波的连续调谐输出。基于此原理，目前常见的太赫兹波参量振荡器，通常采用一个平-平型谐振腔和外腔泵浦方式，利用角度调谐技术来实现单束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太赫兹波参量振荡器谐振腔的旋转平台，以改变入射泵浦光与太赫兹波参量振荡器谐振腔腔轴夹角的方法，来实现单光束太赫兹波的相干窄线宽、连续调谐输出。

中国专利申请(申请号：200910069519.4)，公开了一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法，所采用的腔型结构为平-平腔型，抗失谐性能较差，谐振腔很容易受到外界因素的干扰而导致其失调，限制了其在实际中的应用。所产生的双波长太赫兹波，如该专利中所述，一束是泵浦光与一阶斯托克斯光相互作用产生的太赫兹波，另一束是泵浦光与二阶斯托克斯光相互作用产生太赫兹波。然而，二阶斯托克斯光的输出能量要比一阶斯托克斯光的能量低至少1-2个数量级，从而导致该束太赫兹波输出功率比第一束太赫兹波的输出功率低很多，并且二阶斯托克斯光的产生，对第一束太赫兹波的产生有一定的负面影响。

中国专利申请(申请号：200910063264.0)，公开了一种基于角锥棱镜谐振腔的太赫兹波参量振荡器，采用角锥棱镜作为斯托克斯光谐振腔的一个全反镜，不仅可提高了太赫兹波参量振荡器的抗失谐性，并且只需旋转谐振腔输出镜就可以实现太赫兹波的调谐输出。然而，这种太赫兹波参量振荡器只能输出单束太赫兹波，且角锥棱镜的“退偏效应”导致参量振荡的三波转换效率有所下降。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种抗失谐性能高，波长调谐方式简单迅速，并可同时实现两组四束输出能量基本相等、可连续调谐输出太赫兹波的多波长太赫兹波参量振荡器。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种多波长太赫兹波参量振荡器，包括激光泵浦腔和太赫兹波参量振荡腔；其特征在于：

所述的激光泵浦腔由全反镜、四分之一波片、电光调Q装置、起偏器、脉冲激光泵浦源模块、小孔光阑、激光器输出镜组成；其中，脉冲激光泵浦源模块由漫反射陶瓷聚光腔、Nd:YAG晶体棒和单个脉冲氙灯组成。

所述的太赫兹波参量振荡腔包括在小孔光阑和激光器输出镜之间放置MgO:LiNbO₃晶体，在MgO:LiNbO₃晶体上下表面分别安放有第一硅棱镜阵列和第二硅棱镜阵列；第一直角棱镜、第一反射镜和第一多半圆形输出镜，以及第二直角棱镜、第二反射镜和第二多半圆形输出镜，分别组成两个直角棱镜谐振腔。

在激光泵浦腔内形成的来回振荡的泵浦光垂直入射于MgO:LiNbO₃晶体，在两个直角棱镜谐振腔内分别激励产生振荡的两束斯托克斯光，以及两组四束太赫兹波，分别从第一硅棱镜阵列和第二硅棱镜阵列出射。

所述Nd:YAG晶体棒6是两端平行抛光，并镀增透膜。

所述的直角棱镜谐振腔是折叠腔型，且两个谐振腔腔轴与激光泵浦腔的腔轴成1.5°夹角对称放置。

所述第一、第二直角棱镜以其直角所对的斜面为通光面，且斜面上镀有增透膜。

所述的MgO:LiNbO₃晶体是按照X-Y-Z方式切割，两个通光面Y-Z面和侧面X-Z面都进行光学抛光，且在Y-Z面上镀泵浦光增透膜。

所述的第一、第二硅棱镜阵列是由多个硅棱镜组成，每个硅棱镜的两个底角都为40°，且硅棱镜的底面和两个斜面都进行光学抛光。

所述的第一、第二输出镜为多半圆形，且可绕MgO:LiNbO₃晶体Z轴方向旋转±1°。

本发明的多波长太赫兹波参量振荡器，与常见的太赫兹波参量振荡器相比，具有以下优点：

1)无需整体旋转太赫兹波参量振荡器谐振腔，只需转动两个输出镜，就可实现两组四束太赫兹波的连续调谐输出，不仅调谐方法更为简单、迅捷，而且两组太赫兹波之间互不干扰，输出强度较高，且基本相同。

2)激光泵浦腔内的泵浦光在一个振荡过程中的两个传播方向上都可以产生太赫兹波，这种对泵浦光的充分利用，大大提高了太赫兹波的输出能量。此外，采用这种内腔式泵浦方式使得太赫兹波参量振荡器可以有效利用腔内的高功率密度，降低了振荡阈值，提高了三波转换效率。

3)所采用的直角棱镜谐振腔腔型结构，具有一定的自准直、抗失谐性能好等显著特点，使得太赫兹波参量振荡器能在“干扰”条件下稳定运转。

4)直角棱镜在一定情况下具有与角锥棱镜相似的全内反平行反射特性，但是直角棱镜对入射光并没有“退偏效应”，因此将其用于太赫兹波参量振荡这种具有偏振相关增益特性的非线性作用时，三波转换效率不会有明显的影响。

5)由于直角棱镜具有一定的全内反平行反射和准相位共轭的特性，使得直角棱镜谐振腔能克服工作物质MgO:LiNbO₃晶体内部因掺杂浓度不均匀所导致的折射率、密度、应力等不均匀性和参量增益非对称性所造成的增益分布不均匀，利用其“匀光效应”可对腔内增益进行重新分配，从而可改善太赫兹波参量振荡器的运转特性。

6)由于采用的是脉冲氙灯泵浦的激励源，所以该多波长太赫兹波发生装置成本低廉。

附图说明

图1是本发明的多波长太赫兹波参量振荡器整体结构示意图；

图2是晶体切割方式；

图3是三波非共线相位匹配示意图；

图4是硅棱镜切割方式示意图；

图5是多半圆形输出镜示意图。

图中的标记分别表示：1、全反镜，2、四分之一波片，3、加压式电光调Q装置，4、偏振片，5、漫反射陶瓷聚焦腔，6、Nd:YAG晶体棒，7、脉冲氙灯，8、小孔光阑，9、泵浦光，10、第一全反镜，11、第二全反镜，12、第一直角棱镜，13、第二直角棱镜，14、MgO:LiNbO₃晶体，15、第一硅棱镜阵列，16、第二硅棱镜阵列，17、18、19和20为太赫兹波，21和23为斯托克斯光，22、第一多半圆形太赫兹波参量振荡器输出镜，24、第二多半圆形太赫兹波参量振荡器输出镜，25、激光器输出镜。

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详述。

具体实施方式

参见图1，图1是本发明的多波长太赫兹波参量振荡器整体结构示意图。包括激光泵浦腔和太赫兹波参量振荡腔；激光泵浦腔采用平-平腔型结构，全长30cm，由全反镜1、四分之一波片2、加压式电光调Q装置3、起偏器4、脉冲激光泵浦源模块、小孔光阑8和激光器输出镜25组成。

其中，脉冲激光泵浦源模块由漫反射陶瓷聚光腔5、Nd:YAG晶体棒6和单个脉冲氙灯7组成。

Nd:YAG晶体6棒长110cm，直径5mm，两端光学抛光并镀1064nm增透膜，掺杂浓度为1％mol。漫反射陶瓷聚光腔5采用陶瓷制成，其漫散射效应会对Nd:YAG晶体泵浦均匀，使得激光振荡模式较好。采用加压式电光调Q装置3，可以延长电光调Q晶体的寿命。虽然需要插入四分之一波片而导致一定的插入损耗，但适当提高腔内损耗会使得激光的振荡模式变好。为了获得较小的光直径，小孔光阑的直径为2mm。激光器输出镜25镀1064nm的部分透过率膜，透过率为85％。

将太赫兹波参量振荡器的工作物质MgO:LiNbO₃晶体14(掺杂浓度为5％mol)置于小孔光阑8和激光器输出镜25之间。如图2所示，MgO:LiNbO₃晶体的切割方式及尺寸为60mm(X轴)×3mm(Y轴)×5mm(Z轴)，对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1070nm增透膜；对晶体的两个X-Z面亦进行光学抛光。

由于在太赫兹波参量振荡过程中，泵浦光k_P、振荡的斯托克斯光k_S和产生的太赫兹波k_T满足非共线相位匹配过程(如图3所示)，产生的太赫兹波将从MgO:LiNbO₃晶体14的两个X-Z面处出射。为了避免太赫兹波在晶体中发生全反射，提高其耦合输出效率，利用高电阻率硅(＞10KΩ·cm^-1)制成的第一、第二硅棱镜阵列(15，16)作为太赫兹波输出耦合器，紧贴于MgO:LiNbO₃晶体14的两个X-Z面。如图4所示，硅棱镜按100°、40°和40°切割，棱镜底面长度为10mm，厚度为5mm，对三个角所对应的面进行光学抛光。此时，产生的太赫兹波基本上垂直于硅棱镜两个40°底角所对应的面出射。

将由第一直角棱镜12、第一反射镜10和第一多半圆形输出镜22，以及第二直角棱镜13、第二反射镜11和第二多半圆形输出镜24组成的两个直角棱镜谐振腔作为太赫兹波参量振荡器谐振腔，相对于泵浦光9成1.5°夹角对称放置，腔长都为160mm。直角棱镜的尺寸为：两个直角边长度和直角棱长度都为5mm。以直角棱镜的直角所对的斜面为通光面，且镀中心波长为1070nm的增透膜。第一、第二多半圆形输出镜(22，24)镀中心波长为1070nm的部分透过率膜，透过率为5％，其形状为多半圆形(如图5所示)，直径为20mm，其弦长在15mm-20mm之间。采用这种形状的输出镜，便于泵浦光9在紧挨两个输出镜(22，24)的弦边通过时，振荡的两束斯托克斯光(21，23)与泵浦光9可以有效分离。

直角棱镜具有如下光学性能：当经过第一、第二反射镜(10、11)的两束振荡斯托克斯光(21、23)入射至两个直角棱镜(12、13)时，只要两束斯托克斯光(21、23)垂直于两个直角棱镜的直角棱且相对于斜面的入射角小于5°，那么在两个直角棱镜内部经过两个直角面全反射出射后，其方向仍与入射光方向平行，也就是说，只要入射光方向不变，当直角棱镜绕其直角棱在±5°内旋转时，其反射光始终与入射光平行。值得注意的是，此时出射光与入射光的偏振方向不变，这与角锥棱镜有很大的不同。因此，由直角棱镜组成的谐振腔不仅提高了太赫兹波参量振荡器的抗失谐特性，而且也不会明显降低三波的转换效率。

由于太赫兹波参量振荡过程是基于MgO:LiNbO₃晶体A₁对称性晶格振动模(ω_TO≈250cm^-1)受激电磁耦子散射过程，该过程也是前向拉曼散射过程。在该散射过程中，会激发产生两束斯托克斯光，它们不仅相对于晶体的X轴方向对称分布，而且各自在Y轴方向具有一定的空间角度色散特性，并满足三波非共线相位匹配条件。如图3所示，当泵浦光从左向右传播时，泵浦光k_P1、斯托克斯光k_S1、k`<sub>S1</sub>和太赫兹波k<sub>T1</sub>、k`_T1满足非共线相位匹配过程(如图3(a)所示)，产生的太赫兹波是图1中的太赫兹波(18，20)；当泵浦光反向传播时，泵浦光k_P2、斯托克斯光k_S2、k`<sub>S2</sub>和太赫兹波k<sub>T2</sub>、k`_T2满足非共线相位匹配过程(如图3(b)所示)，产生的太赫兹波是图1中的太赫兹波(17，19)。因此，当两个多半圆形输出镜(22，24)分别绕MgO:LiNbO₃晶体14的Z轴方向在一定小角度内旋转时，不同波长的斯托克斯光将在直角棱镜与多半圆形输出镜之间形成稳定的参量振荡，根据能量守恒和动量守恒条件，便可产生相干窄线宽、连续可调谐的太赫兹波。例如，当第一多半圆形太赫兹波参量振荡器输出镜22绕Z轴方向旋转±1°时，这时将产生一组可同时连续调谐输出的两束太赫兹波(17，20)；当第二多半圆形太赫兹波参量振荡器输出镜24绕Z轴方向旋转±1°时，此时将产生另一组可同时连续调谐输出的两束太赫兹波(18，19)。这两组太赫兹波可分别实现0.8THz～3.1THz范围的独立调谐输出，互不干扰，并且两组四束太赫兹波的输出能量基本相等。

综上所述，本发明的多波长太赫兹波参量振荡器，不仅可使其在一定“干扰”环境下实现多波长、等能量稳定工作运转，而且提供了一种更为简洁、便利的太赫兹波频率调谐输出方法。这种体积小、结构紧凑、连续可调谐的全固态多波长太赫兹波相干辐射源，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技术领域。

需要说明的是，上述以实施例是本发明的技术方案的一种优选方式，本发明不限于上述实施例。应当理解为通过给出实例的方式来实现本发明，并不是对本发明的限定，本领域的技术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所做出的添加和等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波长太赫兹波参量振荡器，包括激光泵浦腔和太赫兹波参量振荡腔；其特征在于：

所述的激光泵浦腔由全反镜(1)、四分之一波片(2)、电光调Q装置(3)、起偏器(4)、脉冲激光泵浦源模块、小孔光阑(8)、激光器输出镜(25)组成；

所述的太赫兹波参量振荡腔包括在小孔光阑(8)和激光器输出镜(25)之间放置MgO:LiNbO₃晶体(14)，该MgO:LiNbO₃晶体(14)两个表面分别安放有第一硅棱镜阵列(15)和第二硅棱镜阵列(16)；第一直角棱镜(12)、第一反射镜(10)和第一输出镜(22)，以及第二直角棱镜(13)、第二反射镜(11)和第二输出镜(24)，分别组成两个直角棱镜谐振腔；

在激光泵浦腔内形成的来回振荡的泵浦光(9)垂直入射于MgO:LiNbO₃晶体(14)，在两个直角棱镜谐振腔内分别激励产生振荡的两束斯托克斯光(21，23)，以及四束太赫兹波(17，18，19，20)，其中，两束太赫兹波(17、20)构成一组，另外两束太赫兹波(18、19)构成另一组，而两束太赫兹波(17，18)从第一硅棱镜阵列(15)出射，另外两束太赫兹波(19，20)从第二硅棱镜阵列(16)出射。

2.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的第一、第二输出镜(22，24)可以绕MgO:LiNbO₃晶体(14)Z轴方向旋转±1°。

3.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的两个直角棱镜谐振腔的腔轴分别与激光泵浦腔的腔轴成1.5°夹角对称放置。

4.如权利要求1或3所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的第一、第二直角棱镜(12，13)以其直角所对应的斜面为通光面，且斜面上镀有增透膜。

5.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的第一、第二硅棱镜阵列(15，16)中的每个硅棱镜的两个底角都为40°。

6.如权利要求1或5所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的第一、第二硅棱镜阵列(15，16)紧贴于MgO:LiNbO₃晶体(14)的两个X-Z面。

7.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的脉冲激光泵浦源模块是由漫反射陶瓷聚光腔(5)、Nd:YAG晶体棒(6)和单个脉冲氙灯(7)组成。

8.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的电光调Q装置(3)为加压式电光调Q装置。

9.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的第一、第二输出镜(22，24)为多半圆形。

10.如权利要求1所述的多波长太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述的MgO:LiNbO₃晶体(14)按照X-Y-Z方向切割。

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