CN102566198B - 太赫兹波光学参量放大装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹波光学参量放大装置，包括泵浦源、THz波信号源及THz波参量放大器，THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口，THz波信号源发射的THz波入射至信号光输入端口，空间光束准直及分束装置的输出合成光入射至非线性光学晶体，非线性光学晶体输出THz波。本发明解决了现有光学太赫兹源技术中输出功率低、设备结构复杂、成本较高的问题。具有单通增益高、放大噪声低、可以级联，不断增大具有极高的功率提升潜力的优点。

Description

太赫兹波光学参量放大装置及其方法

技术领域

本发明属于太赫兹波光学参量放大技术，具体涉及一种太赫兹波光学参量放大方法及其装置。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，其波段在微波和远红外之间。THz电磁辐射具有非常独特的性质，它可以透过各种生物体、电介质材料以及气相物质，这些介质在THz波段具有丰富的吸收和色散性质，通过测量并分析样品的THz信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息。太赫兹频域在高数据率通信、保密通信、精确制导和隐藏武器探测等方面有重要的应用。因此，太赫兹(THz)技术在国家安全、国民经济和科学研究等领域有多方面的应用前景。THz辐射源研究是THz科学技术发展和应用的重要环节。如何产生高功率(高能量)、高效率的THz辐射源成为THz技术应用领域研究及发展的关键问题。目前，THz辐射源的直接输出功率都在毫瓦(平均功率)和千瓦(峰值功率)，光学THz波参量放大技术是目前解决这一关键问题的重要途径。

光学THz波参量放大技术基于光学差频过程(ω_THz＝ω_泵浦光-ω_信号光)，可以获得更高的THz波输出功率，并且具有能在室温下运转、增益宽带大和结构紧凑的优点。

发明内容

本发明旨在提供一种太赫兹波光学参量放大方法及其装置，以解决现有光学太赫兹源技术中输出功率低、设备结构复杂、成本较高的问题。

本发明的技术解决方案：

太赫兹波光学参量放大装置，其特殊之处在于：包括泵浦源、THz波信号源及THz波参量放大器，

所述THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，所述空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，所述非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，所述泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口，所述THz波信号源发射的THz波入射至信号光输入端口，所述空间光束准直及分束装置的输出合成光入射至非线性光学晶体，所述非线性光学晶体输出THz波。

还包括反馈系统，所述反馈系统包括THz波功率计、反馈电路、THz波反射镜以及设置在THz波反射镜底部的第二旋转平台，所述THz波反射镜设置在非线性光学晶体的光路上并与非线性光学晶体输出的THz波成45°夹角，

所述THz波参量放大器还包括设置在非线性光学晶体底部的第一旋转平台及电控制模块，

所述非线性光学晶体输出的THz波通过THz波反射镜将THz波反射至THz波功率计的采样检测输入端，所述反馈电路输出端与THz波功率计连接，所述反馈电路的输出端与电控制模块的输入端连接，所述电控制模块的输出端与第一旋转平台连接。

上述THz波参量放大器还包括THz波窗片，所述THz波窗片设置在非线性光学晶体和THz波反射镜之间。

上述泵浦源包括按照光路依次设置的激光器、全反镜、半波片、偏振控制器以及光学准直缩束系统，所述全反镜与激光器发射的光束成45°夹角，所述光学准直缩束系统的输出泵浦光输入至泵浦光的输入端口。

上述非线性光学晶体为GaP晶体、ZGP晶体、GaSe晶体、GaAs晶体或DAST晶体。

上述空间光束准直及分束装置为离轴抛物面反射镜。

太赫兹波光学参量放大装置的参量放大方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】泵浦源输出竖直偏振的泵浦光和THz信号源输出水平偏振的信号光以共线的方式发送给THz波参量放大器：THz波信号源16输出的信号光和泵浦光输出的泵浦光的脉冲宽度相同；

所述THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口：THz波信号源发射的信号光入射至信号光输入端口，泵浦光和信号光经空间光束准直及分束装置整形合束形成合成光；

2】空间光束准直及分束装置输出合成光入射至非线性光学晶体，合成光产生二阶非线性作用，输出功率放大的THz波和闲频光。

还包括步骤3】反馈调节步骤：

THz波功率计通过THz波反射镜的采集反射的THz波进行功率计算，将计算结果发送给反馈电路，反馈电路根据计算结果向电路控制模块发送控制信号，控制信号控制第一旋转平台旋转调节非线性光学晶体旋转。

上述泵浦光的产生方法为：

激光器发射激光束经过全反镜、半波片、偏振控制器以及光学准直缩束系统向空间光束准直及分束装置输入泵浦光，用半波片和偏振控制器组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振；

所述激光器为单纵模，线宽0.003cm^-1，波长1064nm，脉宽8ns，单脉冲能量大于150mJ。

本发明具有以下优点：

1、本发明单通增益高、放大噪声低、可以级联，不断增大具有极高的功率提升潜力，填补国内外THz波功率光学放大技术的空白；

2、本发明放大装置，结构简单可靠性好；

3、本发明放大装置本身采用功率自检和反馈系统，功率放大稳定。

附图说明

图1为本发明的原理框架图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的放大THz波长和产生闲频光波长关系示意图；

图4为本发明实施例的THz波的放大效率随THz波长变化的归一化示意图；

其中附图标记为：1-激光器，2-全反镜，3-半波片，4-偏振控制器，5-光学准直缩束系统，6-THz波信号源，7-离轴抛物面反射镜，8-磷化镓晶体(GaP)，9-第一旋转平台，10-电脑，11-THz波反射镜，12-第二旋转平台，13-离轴抛物面反射镜，14-THz功率计，15-泵浦源，16-THz波信号源，17-太赫兹光参量放大器TPA，18-THz波功率计。

具体实施方式

太赫兹波光学参量放大装置，包括泵浦源15、THz波信号源16及THz波参量放大器17，THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口，THz波信号源发射的THz波入射至信号光输入端口，空间光束准直及分束装置的输出合成光入射至非线性光学晶体，非线性光学晶体输出THz波。还包括反馈系统，所述反馈系统包括THz波功率计18、反馈电路、THz波反射镜11以及设置在THz波反射镜底部的第二旋转平台12，THz波反射镜11设置在非线性光学晶体的光路上并与非线性光学晶体输出的THz波成45°夹角，THz波参量放大器还包括设置在非线性光学晶体底部的第一旋转平台9及电控制模块，

非线性光学晶体输出的THz波通过THz波反射镜将THz波反射至THz波功率计的采样检测输入端，反馈电路输出端与THz波功率计连接，反馈电路的输出端与电控制模块的输入端连接，电控制模块的输出端与第一旋转平台连接。

THz波参量放大器还包括THz波窗片，所述THz波窗片设置在非线性光学晶体和THz波反射镜之间。

泵浦源包括按照光路依次设置的激光器1、全反镜2、半波片3、偏振控制器4以及光学准直缩束系统5，所述全反镜与激光器发射的光束成45°夹角，所述光学准直缩束系统的输出泵浦光输入至泵浦光的输入端口。

非线性光学晶体为GaP晶体、ZGP晶体、GaSe晶体、GaAs晶体或DAST晶体。空间光束准直及分束装置为离轴抛物面反射镜7。

太赫兹波光学参量放大方法，包括以下实现步骤：

(1)泵浦源输出竖直偏振的泵浦光经过THz波参量放大器；THz波参量放大器接收直接来自泵浦源的泵浦光，与(2)中输入的THz波产生二阶非线性过程，放大THz波功率并产生闲频光；，泵浦光和信号光的偏振方向分别和非线性光学晶体(晶轴即晶体的光轴)方向平行或正交。

(2)THz信号源输出水平偏振的信号光经过已注入泵浦光的THz波参量放大器；所述THz波光学参量放大器接收来自THz信号源的信号光，与(1)中已输入的泵浦光产生二阶非线性作用，输出功率放大的THz波并产生闲频光；

考虑到对光学参量放大器的放大过程的稳定性控制，该方法还包括步骤(3)：采样THz波参量放大器输出的功率，实时反馈调整放大器中非线性晶体的旋转角度使得放大器具有稳定的放大效率。

步骤(1)是采用由半波片和偏振片组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振。

步骤(2)THz信号源是水平偏振输出，经过放大器前需要用THz波离轴抛物面镜进行光束控制。

步骤(1)和(2)中的放大器中采用的晶体为磷化镓晶体8(GaP)，晶体，其中泵浦光和信号光的偏振方向分别和晶体001方向平行和正交。

在对THz波输出功率采样测量的时候，可以用THz分束镜选取5％的功率输入THz功率计14对输出功率进行测量。

太赫兹波光学参量放大装置，包括泵浦源、THz波信号源以及设置于和泵浦光、信号光同一光路的THz波参量放大器；其中THz波参量放大器具有太赫兹辐射输入及输出端口；THz波参量放大器还设置有相应泵浦光的输入端口。

考虑到需要对输出THz波功率进行测量，所述THz波功率测量系统的采样检测输入端与THz波参量放大器太赫兹辐射输出端口构成THz波束空间耦合(比如可通过从输出端用两个离轴抛物面镜耦合到输入端)，THz波长检测系统的反馈信号输出端与THz波放大器的电控制模块连接。

泵浦源为纳秒级或皮秒级脉冲泵浦源。

放大器对应放大的THz信号为纳秒级或皮秒级脉冲THz信号。

泵浦源和信号源为皮秒级时需要同步。

THz波参量放大器包括空间光束准直及分束装置、磷化镓晶体GaP和THz波窗片，THz波窗片为聚氯乙烯滤波器。

作为公知的技术概念，光学差频的过程即：泵浦光-信号光＝闲频光，是泵浦光子将能量复制给信号光子同时剩下的能量作为闲频光子辐射出来。这里的信号光就是我们输入的太赫兹波。

本发明是基于参量下转换过程的THz波放大系统，如图1所示，该THz波产生系统的泵浦源15泵浦THz波参量放大器17，THz波参量放大器17放大THz波信号源16的信号光，THz波参量放大器17输出功率由THz功率计18测量并反馈控制THz波参量放大器17，达到控制输出的THz功率的目的。

其中泵浦源15采用ns级或ps级泵浦源，如Seeded PR II 8010型大能量单纵模调Q Nd:YAG激光器。THz波信号源16输出的THz脉冲须和泵浦光的脉冲宽度相同。控制泵浦源15和THz波信号源16输出的光束以共线的方式输入THz波参量放大器17，包括8和9，高精密旋转平台9控制晶体8的位置(改变晶体的匹配角度)。THz波功率测量和反馈系统18包括10、12-14。

本发明是将种子注入的单纵模调Q的Nd:YAG激光器作为抽运光源，该激光器的主要指标为：单纵模(线宽0.003cm^-1)，波长1064nm，脉宽8ns，单脉冲能量大于150mJ。用半波片和偏振片组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振。

采用对THz吸收系数低并具有高光学非线性系数的GaP晶体搭建太赫兹光参量放大器(TPA)。该TPA的主要技术性能为：放大THz脉宽5ns，放大器增益带宽为0.5-2.5THz，利用离轴抛物面反射镜控制THz波光束，经汇聚后入射到非线性晶体中；控制高精密旋转平台改变匹配角度，同时利用离轴抛物面镜准直输出功率放大的THz波。当输入THz波信号光峰值功率为数W时，放大倍数约为100。合理选择泵浦功率和晶体长度以增加THz输出功率和实现增益饱和来提高THz波的输出稳定性。选取一部分THz波入射THz功率计反馈给电脑10，由电脑控制晶体的旋转，获得稳定的放大。

Claims (9)

1.太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：包括泵浦源、THz波信号源及THz波参量放大器，

所述THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，所述空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，所述非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，所述泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口，所述THz波信号源发射的THz波入射至信号光输入端口，所述空间光束准直及分束装置的输出合成光入射至非线性光学晶体，所述非线性光学晶体输出THz波。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：还包括反馈系统，所述反馈系统包括THz波功率计、反馈电路、THz波反射镜以及设置在THz波反射镜底部的第二旋转平台，所述THz波反射镜设置在非线性光学晶体的光路上并与非线性光学晶体输出的THz波成45°夹角，

所述THz波参量放大器还包括设置在非线性光学晶体底部的第一旋转平台及电控制模块，

所述非线性光学晶体输出的THz波通过THz波反射镜将THz波反射至THz波功率计的采样检测输入端，所述反馈电路输入端与THz波功率计连接，所述反馈电路的输出端与电控制模块的输入端连接，所述电控制模块的输出端与第一旋转平台连接。

3.根据权利要求2所述的太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：所述THz波参量放大器还包括THz波窗片，所述THz波窗片设置在非线性光学晶体和THz波反射镜之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：所述泵浦源包括按照光路依次设置的激光器、全反镜、半波片、偏振控制器以及光学准直缩束系统，所述全反镜与激光器发射的光束成45°夹角，所述光学准直缩束系统的输出泵浦光输入至泵浦光的输入端口。

5.根据权利要求4所述的太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：所述非线性光学晶体为GaP晶体、ZGP晶体、GaSe晶体、GaAs晶体或DAST晶体。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波光学参量放大装置，其特征在于：所述空间光束准直及分束装置为离轴抛物面反射镜。

7.根据权利要求1所述太赫兹波光学参量放大装置的参量放大方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】泵浦源输出竖直偏振的泵浦光和THz波信号源输出水平偏振的信号光以共线的方式发送给THz波参量放大器：THz波信号源输出的信号光和泵浦源输出的泵浦光的脉冲宽度相同；

所述THz波参量放大器包括按照光路依次设置的空间光束准直及分束装置和非线性光学晶体，空间光束准直及分束装置上设置有信号光输入端口和泵浦光的输入端口，非线性光学晶体上设置有THz波的输出端口，泵浦源发射的泵浦光入射至泵浦光的输入端口：THz波信号源发射的信号光入射至信号光输入端口，泵浦光和信号光经空间光束准直及分束装置整形合束形成合成光；

2】空间光束准直及分束装置输出合成光入射至非线性光学晶体，合成光产生二阶非线性作用，输出功率放大的THz波和闲频光。

8.根据权利要求7所述的参量放大方法，其特征在于：还包括步骤3】反馈调节步骤：

THz波功率计通过THz波反射镜的采集反射的THz波进行功率计算，将计算结果发送给反馈电路，反馈电路根据计算结果向电路控制模块发送控制信号，控制信号控制第一旋转平台旋转调节非线性光学晶体旋转。

9.根据权利要求7或8所述的参量放大方法，其特征在于：所述泵浦光的产生方法为：

激光器发射激光束经过全反镜、半波片、偏振控制器以及光学准直缩束系统向空间光束准直及分束装置输入泵浦光，用半波片和偏振控制器组成的衰减器来控制选择合适的泵浦光脉冲能量以及控制输出泵浦光为竖直偏振；

所述激光器为单纵模激光器，线宽0.003cm-1，波长1064nm，脉宽8ns，单脉冲能量大于150mJ。