CN102331650B - 一种基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其谐振腔由两个直角棱镜构成，并以直角棱镜的斜面作为通光面；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体表面安放有硅棱镜阵列；泵浦光入射谐振腔与谐振腔腔轴成1.5°夹角，且不通过两个直角棱镜；泵浦光激励MgO:LiNbO3晶体产生宽带太赫兹波和在谐振腔中振荡的宽带斯托克斯光，宽带太赫兹波通过硅棱镜阵列出射。本发明是一种高能量、高效率、体积小、结构简单、价格低廉的宽带全固态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子技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝1012Hz)，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射具有低能性、高穿透性等特点，因此它在各种基础研究领域和应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。近年来，作为一种新兴的光电子技术——太赫兹波光电子技术发展迅速，目前已经成为世界各国科研领域中的研究热点，究其原因，一方面是由于科学研究与实际应用领域的迫切需求，另一方面主要是由于太赫兹波产生技术与探测技术的快速发展。
太赫兹波辐射源的性能在很大程度上决定了太赫兹波光电子技术发展的快慢。根据太赫兹波带宽特性，太赫兹波辐射源主要分为两大类：一类是利用光泵太赫兹波激光器技术、非线性光学差(混)频技术，以及与晶体振动有关的太赫兹波参量振荡等方法，产生相干窄带、可连续(或离散)调谐的太赫兹波辐射源；另一类是以超短激光脉冲为激发源，利用光整流效应、光电导天线、等离子体四波混频等技术，产生超宽带、皮秒量级脉宽的太赫兹波辐射源。而目前在太赫兹波技术应用中，使用最多的太赫兹波辐射源就是后者。
科研工作者通常利用飞秒激光作为激发源，采用光整流效应或光电导天线技术产生宽带太赫兹波，以此组成太赫兹波时域光谱系统，该系统被广泛用于物质检测、生物医学成像、光谱分析、安全反恐等各种科学研究活动和实际应用中。然而，这种宽带太赫兹波辐射源所需的激发源——飞秒激光器，价格昂贵、维护较为繁琐，其输出稳定性直接决定了所激发产生的太赫兹波辐射的带宽特性，而且产生的太赫兹波空间方向性差，发散角很大，输出能量很低，需要利用包括时间延迟线、锁相放大器等仪器设备对其进行间接探测，致使探测系统不仅操作复杂、体积较大，而且探测速度慢。
基于受激电磁耦子散射过程的太赫兹波参量发生器(Terahertz-wave ParametricGenerator--TPG)，虽然也可以产生宽带的太赫兹波辐射，并且方向性相对较好，但是这种单程增益参量过程导致其太赫兹波产生阈值较高，三波转换效率和太赫兹波的输出能量都很低。虽然可以通过使用多块非线性晶体(例如LiNbO3晶体或MgO:LiNbO3晶体)级联的方式以增加增益长度，以及通过提高泵浦能量的方法来提高太赫兹波的输出能量，但这很容易造成晶体的光损伤，而且提高太赫兹波输出能量的效果不明显。通过对TPG加谐振腔的方法使其组成太赫兹波参量振荡器(Terahertz-wave Parametric Oscillator--TPO)，其谐振腔一般多为平-平腔型结构，这样虽然可以大幅度降低太赫兹波的产生阈值，提高其输出能量，但此时产生的却是一种线宽极窄，接近单频的太赫兹波辐射。
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，提供一种高能量、高效率、体积小、操作简单、工作稳定性高、方向性好、相干宽带的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，包括一个谐振腔，其特征在于，所述的谐振腔由第一直角棱镜和第二直角棱镜构成；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体表面安放有硅棱镜阵列；泵浦光入射谐振腔与谐振腔腔轴夹角成1.5°，且不通过两个直角棱镜；泵浦光激励MgO:LiNbO3晶体产生宽带太赫兹波和在谐振腔中振荡的宽带斯托克斯光；宽带太赫兹波通过硅棱镜阵列出射。
所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的通光面为其直角所对应的斜面，且斜面上镀有增透膜。
所述泵浦光是紧贴于作为宽带太赫兹波输出面的MgO:LiNbO3晶体的X-Z面入射。
所述硅棱镜阵列由若干硅棱镜组成，硅棱镜各角的角度分别为40°，50°和90°。
本发明的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，与现有常见的太赫兹波宽带辐射源相比，具有以下优点：
(1)产生的宽带太赫兹波输出能量高、效率高、方向性好，发散角小，可以对其进行直接探测或非相干探测，而且整个太赫兹波辐射源装置体积小、结构简单紧凑、价格低廉、维护方便。
(2)由于是基于MgO:LiNbO3晶体晶格振动模的受激电磁耦子散射过程，该过程也是前向拉曼散射过程，不存在所谓的双折射相位匹配过程，因此对泵浦源波长的选取较为宽泛，可见光和近红外光都可以作为泵浦源，只要不被MgO:LiNbO3晶体吸收即可。
(3)所采用的谐振腔由两个直角棱镜组成，这种谐振腔不仅具有自准直、安装调试简单、抗失谐性较高等显著特点，使得该宽带太赫兹波辐射源能在一定“干扰”条件下稳定运转，而且由于是基于全反射原理实现光的反射振荡，因此适合任何波长成腔，避免了介质膜的选择；
(4)当直角棱镜的斜面作为通光面时，将具有一定的全内反平行反射特性，且反射光与入射光的偏振方向相同，没有像角锥棱镜那样的“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，从而对工作物质的光学质量要求不高。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图及三波非共线相位匹配示意图。
图2是晶体切割方式。
图3是产生的宽带斯托克斯光的空间色散特性示意图。
图4是硅棱镜切割方式示意图。
图中的标记分别表示：1、Nd:YAG激光器，2、望远镜缩束系统，3、第一直角棱镜，4、泵浦光，5、硅棱镜阵列，6、MgO:LiNbO3晶体，7、出射的宽带太赫兹波，8、振荡的宽带斯托克斯光，9、第二直角棱镜。
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(a)，图1(a)是本发明的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源整体结构示意图，利用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器1的基频光(1064nm)输出作为该宽带太赫兹波辐射源的泵浦源，其泵浦光4的偏振方向平行于太赫兹波辐射源的工作物质MgO:LiNbO3晶体6(掺杂浓度为5％mol)的Z轴方向。利用望远镜系统2将泵浦光光斑直径缩束成2mm，然后沿X轴方向垂直入射工作物质MgO:LiNbO3晶体6，并尽量靠近MgO:LiNbO3晶体6的用作太赫兹波输出面的X-Z面，以缩短太赫兹波在晶体中的传输路径。
如图2所示，MgO:LiNbO3晶体6切割方式及尺寸为：60mm(X轴)×10mm(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；MgO:LiNbO3晶体6的X-Z面亦进行光学抛光。由于在太赫兹波产生过程中，泵浦光波矢kPump、振荡的斯托克斯光波矢kStokes和产生的太赫兹波波矢kTHz满足非共线相位匹配过程(如图1(b)所示)，因此产生的太赫兹波7将从MgO:LiNbO3晶体6的X-Z面处出射。
为了避免太赫兹波在晶体中发生全反射，提高其输出效率，利用高电阻率硅(＞10KΩ·cm-1)制成由若干个棱镜组成的棱镜阵列5作为太赫兹波输出耦合器。如图3所示，硅棱镜按90°、50°和40°切割，棱镜底面长度为10mm，厚度为5mm，对斜面和50°角所对的直角面进行光学抛光。将硅棱镜阵列的底面紧贴于MgO:LiNbO3晶体6用作太赫兹波出射的X-Z面。此时，太赫兹波7将基本垂直于硅棱镜50°角所对的直角面耦合输出。
将第一直角棱镜3的斜面和第二直角棱镜9的斜面调节平行，组成的双直角棱镜谐振腔，并使其谐振腔腔轴相对于泵浦光4的方向成1.5°放置，腔长为160mm。MgO:LiNbO3晶体6位于谐振腔中间。泵浦光一次性通过晶体6，而不通过第一直角棱镜3和第二直角棱镜9。第一直角棱镜3和第二直角棱镜9都为K9玻璃或熔融石英制成，其厚度和两个直角边长都为5mm，斜面上镀有中心波长为1070nm的增透膜。
直角棱镜具有如下光学性能：以直角棱镜的斜面为通光面，当光垂直于棱镜的直角棱以小于5°的入射角进入直角棱镜时，入射光将在其内部的两个直角面发生全反射后从斜面射出。此时，出射光方向与入射光方向平行，且偏振方向不发生变化。当双直角棱镜谐振腔中任一直角棱镜绕直角棱方向发生小于±5°旋转时，反射光仍始终与入射光平行。因此，由直角棱镜组成的谐振腔在一定程度上具有较高的抗失谐能力。
由于该宽带太赫兹波辐射源的工作原理，是基于MgO:LiNbO3晶体A1对称性晶格振动模(ωTO≈250cm-1)的受激电磁耦子散射过程来产生太赫兹波辐射，该散射过程也是前向拉曼散射过程，因此产生的斯托克斯光在Y轴方向具有一定的空间角度色散特性，如图4所示。如果当波长为1064nm的泵浦光入射工作物质MgO:LiNbO3晶体时，那么会激发产生发散角约为2°、覆盖1067nm-1076nm带宽的斯托克斯光。如果对斯托克斯光加一个双直角棱镜谐振腔，那么该宽带斯托克斯光将在谐振腔中形成稳定的参量振荡放大。根据动量守恒和能量守恒条件，此时可以产生带宽为0.8THz～3.1THz、高能量的太赫兹波辐射，其输出能量要比传统的太赫兹波参量发生器TPG高出至少1～2个数量级，而产生阈值则要比TPG低1～2个数量级。由于硅在太赫兹波波段色散较小，因此从硅棱镜阵列5耦合输出的太赫兹波方向性好，发散角小于1°。
因此，本实施例给出的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，不仅可以产生高能、高效率、方向性好、发散角小的宽带太赫兹波辐射，而且还可在一定“干扰”环境下实现稳定工作运转。这种高能量、高效率、体积小、结构简单、价格低廉的宽带全固态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子技术领域。
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，所作出的添加和等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其特征在于，所述的谐振腔由第一直角棱镜(3)和第二直角棱镜(9)构成；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体(6)，MgO:LiNbO3晶体(6)表面安放有硅棱镜阵列(5)；泵浦光(4)入射谐振腔与谐振腔腔轴成1.5°夹角，且不通过两个直角棱镜；泵浦光激励MgO:LiNbO3晶体(6)产生宽带太赫兹波(7)和在谐振腔中振荡的宽带斯托克斯光(8)；宽带太赫兹波(7)通过硅棱镜阵列(5)出射。
2.如权利要求1所述的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其特征在于，所述第一直角棱镜(3)和第二直角棱镜(9)的通光面为其直角所对应的斜面，且斜面上镀有增透膜。
3.如权利要求1所述的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其特征在于，所述硅棱镜阵列(5)由多个硅棱镜组成，每个硅棱镜的底角分别为40°，50°和90°。
4.如权利要求1所述的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其特征在于，所述泵浦光(4)紧贴于作为宽带太赫兹波输出面的MgO:LiNbO3晶体(6)的X-Z面入射。
5.如权利要求1所述的基于直角棱镜谐振腔的宽带太赫兹波辐射源，其特征在于，所述硅棱镜阵列(5)紧贴于MgO:LiNbO3晶体(6)的X-Z面。
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