CN102386549A - 基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法 - Google Patents

基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非线性光学频率变换。为实现输出可连续调谐的高功率THz波，并能够在室温下稳定运转，本发明采取的技术方案是，基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源，由激光器，倍频晶体，双波长参量振荡器、谐波镜、偏振滤波片、合束镜、柱透镜和差频晶体组成，倍频晶体与双波长参量振荡器之间放置有谐波镜；双波长参量振荡器为II类相位匹配KTP晶体OPO；在参量振荡器与差频晶体之间设置有偏振滤波片、合束镜和柱透镜；差频晶体为掺氧化镁铌酸锂晶体，分子式为MgO:LiNbO3或MgO:LN，产生的THz波由差频晶体侧面的Si棱镜耦合输出。本发明主要应用于光学频率变换。

Description

基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法
技术领域
本发明涉及非线性光学频率变换，特别涉及利用铌酸锂晶体中光学Cherenkov效应实现太赫兹波调谐输出，具体讲，涉及基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)辐射源是THz领域科技发展的关键核心技术，它是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，具有一系列特殊的性质。特别是宽调谐THz相干辐射源在材料科学、固体物理、分子分析、大气探索、生命科学、化学气体追踪、材料测试、食品检测等国民和国防安全等领域具有广泛的应用价值。
通过非线性光学频率变换技术是获得可调谐单色相干THz辐射的有效方法之一。目前光学THz辐射源多采用非共线参量振荡技术和双折射相位匹配差频技术。THz波参量振荡技术，基于铁电晶体的受激电磁偶子散射机理，只需要一个固定波长的泵浦光。在非线性相位匹配形式下，通过调整谐振腔结构，改变匹配角度，来实现调谐输出。THz波差频产生需要双波长泵浦光，其中至少一个波长连续可调，这种泵浦光可以利用近简并点的双波长参量振荡器实现。THz波差频产生通常采用双折射相位匹配形式，这种形式下的调谐还需要改变差频晶体的相位匹配角。因此，这两种角度调谐方法的调谐操作都比较复杂，而且调谐范围受到相位匹配角的限制。
利用铌酸锂晶体中差频Cherenkov效应，因为其相位匹配形式的优点，可以简化调谐的操作，避免了相位匹配角对调谐范围的限制，实现宽带连续调谐输出。优化双波长泵浦系统可以提高泵浦光的利用效率，使光学系统更简单，从而提高了辐射源的输出稳定性，易于实现小型化、全固化。目前已报道采用非共线THz波参量振荡器实现THz波的输出。但是这种调谐方式限制了调谐范围和输出稳定性，制约了其在科研领域、国防安全的实际应用。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法，实现输出可连续调谐的高功率THz波，并能够在室温下稳定运转。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源，包括：
基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源，由激光器，倍频晶体，双波长参量振荡器、谐波镜、偏振滤波片、合束镜、柱透镜和差频晶体组成，所述激光器为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器；倍频晶体为II类相位匹配的KTP晶体；倍频晶体与双波长参量振荡器之间放置有谐波镜；双波长参量振荡器为II类相位匹配KTP晶体OPO；在参量振荡器与差频晶体之间设置有偏振滤波片、合束镜和柱透镜；差频晶体为掺氧化镁铌酸锂晶体，分子式为MgO:LiNbO3或MgO:LN，产生的THz波由差频晶体侧面的Si棱镜耦合输出。
所述的掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器的构成为，全反镜、输出镜、灯泵Nd:YAG棒，以及KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关。输出波长为1064nm，偏振态为45°线偏振的ns脉冲。
所述的谐波镜为532nm高透、1064nm高反，将倍频过程剩余的基频光分离，用于后面的差频过程。
所述的谐波镜反射出的1064nm光经偏振转换偏振片变为垂直偏振后投射到合束镜合束。
所述的双波长参量振荡器是由532nm倍频光泵浦，工作在简并点1064nm附近，采用KTP晶体II类相位匹配，晶体角度可旋转。
所述的偏振滤波片的输出光沿垂直方向偏振，柱透镜焦线方向平行于偏振方向。
所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol％，泵浦光沿水平方向通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光，晶轴方向与焦线和差频光偏振方向平行。
所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角约为50°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部与掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源调制方法，借助于所述的基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源实现，包括以下过程：采用Nd:YAG调Q激光器倍频产生的532nm绿光，泵浦工作在近简并点处的双波长参量振荡器，产生1064nm附近的双波长脉冲λ1、λ2，λ1与λ2偏振方向垂直，经偏振滤波片后，剩余垂直偏振的λ1；同时倍频过程剩余的1064nm基频光，经过偏振片变为垂直偏振；基频光与λ1合束后，由柱透镜聚焦至MgO:LiNbO3晶体中，产生的差频电极化强度作为的波源，以Cherenkov辐射形式辐射THz波，由晶体侧面的Si棱镜耦合输出；调节双波长参量振荡器中KTP晶体的角度，可以改变差频光波长λ1，从而实现太赫兹波的连续调谐输出。
本发明具有如下特点：
本发明由于采用Cherenkov(切伦科夫)型相位匹配形式，克服了角度相位匹配调谐操作复杂和调谐范围有限的缺点；
本发明由于采用了优化的泵浦系统，能提高泵浦光的利用效率，并且降低了系统的复杂性，提高了系统的稳定性，可实现THz波高效稳定输出；
本发明还具备体积小巧，整个系统能够在室温下运转的特点。
附图说明
图1为THz波辐射产生的流程图。
图2为THz波辐射源装置示意图。
图3为LiNbO3晶体中差频Cherenkov辐射Si棱镜耦合示意图。
图中：1.Nd:YAG激光器输出1064nm基频光；2.倍频产生532nm绿光；3.谐波镜分离基频光与倍频光；4.双波长参量振荡器产生1064nm附近双波长λ1和λ2；5.偏振滤波片滤掉水平偏振光λ2；6.偏振片将倍频过程中剩余的基频光变为垂直偏振；7.偏振方向相同的1064nm激光和波长为λ1的激光合束；8.差频Cherenkov辐射产生THz波。9.Nd:YAG调Q激光器；10.KTP倍频晶体；11.谐波镜；12.双波长参量振荡器；13.偏振滤波片；14.偏振片；15.合束镜；16.柱透镜；17.Si棱镜耦合的差频晶体MgO:LiNbO3。
具体实施方式
基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源，由激光器，倍频晶体，双波长参量振荡器和差频晶体组成。所述激光器为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器；倍频晶体为II类相位匹配的KTP晶体；倍频晶体与参量振荡器之间放置有谐波镜；双波长参量振荡器为II类相位匹配KTP晶体OPO；在参量振荡器与差频晶体之间设置有偏振滤波片、合束镜和柱透镜；差频晶体为掺氧化镁铌酸锂(MgO:LiNbO3或MgO:LN)晶体，产生的THz波由晶体侧面的Si棱镜耦合输出。
所述的掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器的构成为，全反镜、输出镜、灯泵Nd:YAG棒，以及KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关。输出波长为1064nm，偏振态为45°线偏振的ns脉冲。
所述的谐波镜为532nm高透、1064nm高反，将倍频过程剩余的基频光分离，用于后面的差频过程。
所述的双波长参量振荡器是由532nm倍频光泵浦，工作在简并点1064nm附近，采用KTP晶体II类相位匹配，晶体角度可旋转。
所述的偏振滤波片的输出光沿垂直方向偏振。柱透镜焦线方向平行于偏振方向。
所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol％，泵浦光沿水平方向通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光。晶轴方向与焦线和差频光偏振方向平行。
所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角约为50o，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部与掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源使用方法，借助于权利要求1所述的基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源实现，包括以下过程：采用Nd:YAG调Q激光器倍频产生的532nm绿光，泵浦工作在近简并点处的双波长参量振荡器，产生1064nm附近的双波长脉冲(λ1，λ2)。λ1与λ2偏振方向垂直，经偏振滤波片后，剩余垂直偏振的λ1。同时倍频过程剩余的1064nm基频光，经过偏振片变为垂直偏振。基频光与λ1合束后，由柱透镜聚焦至MgO:LiNbO3晶体中，产生的差频电极化强度作为的波源，以Cherenkov辐射形式辐射THz波，由晶体侧面的Si棱镜耦合输出。调节双波长参量振荡器中KTP晶体的角度，可以改变差频光波长λ1，从而实现太赫兹波的连续调谐输出。
本发明的目的在于提供一种基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源及方法，采用该装置及方法可以简化THz波的调谐操作，使太赫兹输出频率的调谐范围更宽，增强系统的稳定性，并能够在室温下稳定运转。
本发明通过下述技术方案加以实现的，一种基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源。其技术特征在于，该THz辐射源主要包括Nd:YAG调Q激光器9、倍频晶体10、双波长参量振荡器12和Si棱镜耦合的差频晶体17。参量产生的λ1与1064nm基频光经柱透镜聚焦，在铌酸锂晶体中通过差频Cherenkov效应辐射THz波，由Si棱镜耦合输出。
采用上述的Cherenkov辐射实现THz波调谐输出的方法，其特征包括以下过程：采用Nd:YAG调Q激光器倍频产生的532nm绿光，泵浦工作在近简并点处的双波长参量振荡器，产生1064nm附近的双波长脉冲(λ1，λ2)。其中垂直偏振的λ1与倍频过程剩余的1064nm基频光，由柱透镜聚焦至MgO:LiNbO3晶体中，通过差频Cherenkov效应辐射THz波，由晶体侧面的Si棱镜耦合输出。调节双波长参量振荡器中KTP晶体的角度，可以改变差频光波长λ1，从而实现太赫兹波的调谐输出。
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明的具体实施方案体现在一种如图2所示的基于差频Cherenkov效应的THz辐射源中，采用该装置只需调整双波长参量振荡器的晶体角度，即可实现连续调谐输出。这样不仅简化了调谐操作，扩大了调谐范围，还增强了辐射源的系统稳定性，可以实现0.1～5THz波段的高效稳定调谐输出。
本发明的具体技术方案如下：泵浦源采用Nd:YAG调Q激光器；倍频晶体为II类相位匹配KTP晶体；谐波镜镀532nm高透、1064nm高反膜；双波长参量振荡器采用KTP晶体II类相位匹配。差频晶体为掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体，其掺杂浓度为5mol％，长方体，对侧面进行光学抛光。晶轴方向与焦线和差频光偏振方向平行，产生的THz波由晶体侧面的Si棱镜耦合输出。硅棱镜底角近似为50°，棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将棱镜底部与MgO:LiNbO3晶体的侧面相紧密接触。
由于铌酸锂晶体的色散特性，差频电极化强度(波源)的移动速度，即双波长近红外泵浦脉冲的群速度，大于产生THz辐射波的相速度。根据惠更斯原理，从泵浦光传播路径上各点产生的THz波在某一角度的方向上相干相长，从而形成类似带电粒子Cherenkov辐射的锥形(或楔形)波阵面(如图3)。这种侧向辐射形式，也可以认为是在这一方向上自动满足相位匹配。因此，调谐过程只需改变差频光波长，而无需旋转差频晶体，调谐操作更加简单。为避免THz波在晶体侧面发生全反射，采用折射率较高吸收较小的材料高阻硅作为耦合器件，提高耦合效率。
本发明的优点在于，整个系统能够在室温下运转，体积小，利用差频Cherenkov效应，简化调谐操作，实现THz波宽带调谐稳定输出，THz波的频率调谐范围达到0.1～5THz，可广泛应用于成像、光谱分析、材料科学及医疗诊断等领域。

Claims (7)

1.一种基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源，其特征是，包括：基于差频Cherenkov效应的可调谐太赫兹辐射源，由激光器，倍频晶体，双波长参量振荡器、谐波镜、偏振滤波片、合束镜、柱透镜和差频晶体组成，所述激光器为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器；倍频晶体为II类相位匹配的KTP晶体；倍频晶体与双波长参量振荡器之间放置有谐波镜；双波长参量振荡器为II类相位匹配KTP晶体OPO；在参量振荡器与差频晶体之间设置有偏振滤波片、合束镜和柱透镜；差频晶体为掺氧化镁铌酸锂晶体，分子式为MgO:LiNbO3或MgO:LN，产生的THz波由差频晶体侧面的Si棱镜耦合输出。
2.如权利要求1所述辐射源，其特征是，所述的掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器的构成为，全反镜、输出镜、灯泵Nd:YAG棒，以及KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关。输出波长为1064nm，偏振态为45°线偏振的ns脉冲。
3.如权利要求1所述辐射源，其特征是，所述的谐波镜为532nm高透、1064nm高反，将倍频过程剩余的基频光分离，用于后面的差频过程。
4.如权利要求1所述辐射源，其特征是，所述的谐波镜反射出的1064nm光经偏振转换偏振片变为垂直偏振后投射到合束镜合束。
5.如权利要求1所述辐射源，其特征是，所述的双波长参量振荡器是由532nm倍频光泵浦，工作在简并点1064nm附近，采用KTP晶体II类相位匹配，晶体角度可旋转；所述的偏振滤波片的输出光沿垂直方向偏振，柱透镜焦线方向平行于偏振方向；所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol％，泵浦光沿水平方向通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光，晶轴方向与焦线和差频光偏振方向平行。
6.如权利要求1所述辐射源，其特征是，所述的掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面与阵列硅棱镜耦合，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角约为50°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部与掺氧化镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
7.一种基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源调制方法，其特征是，借助于所述的基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源实现，包括以下过程：采用Nd:YAG调Q激光器倍频产生的532nm绿光，泵浦工作在近简并点处的双波长参量振荡器，产生1064nm附近的双波长脉冲λ1、λ2，λ1与λ2偏振方向垂直，经偏振滤波片后，剩余垂直偏振的λ1；同时倍频过程剩余的1064nm基频光，经过偏振片变为垂直偏振；基频光与λ1合束后，由柱透镜聚焦至MgO:LiNbO3晶体中，产生的差频电极化强度作为的波源，以Cherenkov辐射形式辐射THz波，由晶体侧面的Si棱镜耦合输出；调节双波长参量振荡器中KTP晶体的角度，可以改变差频光波长λ1，从而实现太赫兹波的连续调谐输出。
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