CN102570247A

CN102570247A - 基于碲化镉的无角度调谐太赫兹共线差频辐射系统

Info

Publication number: CN102570247A
Application number: CN2012100193556A
Authority: CN
Inventors: 黄敬国; 黄志明; 陆金星; 童劲超; 褚君浩
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开一种基于碲化镉晶体的无角度调谐纳秒激光共线差频太赫兹辐射系统，该系统具体利用非线性光学共线差频原理及准相位匹配技术实现无角度调谐的太赫兹光辐射，其波长调谐范围为0.80THz-2.74THz。该系统不仅具有高功率、准连续、宽波段、窄线宽、室温工作等特点，同时与使用双折射晶体作为太赫兹晶体辐射系统以及基于铌酸锂晶体的参量振荡源相比较，还具有波长调谐更加简便，只需调谐可调激光器输出波长，易于增加外部近红外谐振腔，结构紧凑，易于搭建，系统稳定性高，便于实际大规模应用等优点。

Description

基于碲化镉的无角度调谐太赫兹共线差频辐射系统

技术领域

本发明涉及太赫兹辐射测量领域，具体涉及一种无角度调谐的太赫兹波共线差频辐射系统。

背景技术

太赫兹波(0.1-10THz)，其电磁波谱处于微波与红外之间，有着一系列的独特性能。固体中的声学声子、光学声子，半导体中的缺陷态、杂质态能级，以及超晶格半导体中的子带跃迁能都集中在这一波段范围内。被誉为改变二十一世纪十大科学技术之一的太赫兹科学技术，已经或将给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查、军事反恐、生物化学、材料科学等领域带来了广泛的应用和深远的影响。随着近年来太赫兹科学技术的迅猛发展，各种类型的太赫兹光源已经被实验室研制出来，部分太赫兹光源开始逐渐投入到实际应用领域。一般而言，太赫兹辐射源可以分为两大类：第一大类是指基于超快电子学的发展所形成的太赫兹光源，由耿氏振荡器、返波管、自由电子激光器等作为典型代表；第二大类则可归结为基于光学效应所产生的太赫兹光源，有量子级联激光器、太赫兹参量光源、基于超快非秒激光器的光整流、光电导效应的太赫兹光源、基于纳秒激光器差频效应的太赫兹光源等。

目前，由飞秒激光器的光整流、光电导效应所产生的太赫兹光源，凭借其频谱波段宽、信噪比高的优势，已经发展成为在太赫兹波段对材料吸收系数、折射率系数等物理量表征测量非常优秀的一套完整测量系统——太赫兹时域光谱系统。然而，为了追求窄线宽、宽波段、波长准连续可调、体积小、高功率以及室温工作的太赫兹光源，只能大力发展基于纳秒激光器差频效应的太赫兹光源。

目前，纳秒激光器差频所用晶体主要集中在双折射晶体领域，如硒化镓，磷锗锌，DAST等。在这些双折射晶体中，因为寻常光与非寻常光的折射率系数不相同，且非寻常光的折射率系数是晶体与入射光之间的角度的函数，利用这一特性可以按照某种相位匹配配置方式(如“oee”，“eoo”相位匹配)产生波长可调谐的宽波段太赫兹光辐射。

目前纳秒激光器太赫兹差频辐射源的高功率运行，在实际操作中还具有一定的局限性：专利申请号200910051791的“一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统”，其系统所使用的非线性材料为双折射硒化镓晶体，由于其使用双折射效应来促使入射光束与太赫兹光束在晶体中满足相位匹配条件，因而在实际进行太赫兹波波长调谐操作时，不仅需要调谐可调谐激光源的出射波长，还需同时精确调谐入射光束与晶体光轴之间的方位角，这将对该系统的稳定性带来了一定困难，同时也提高了该系统的实际操作难度，不便于实际大规模应用。专利申请号200910063263的“一种太赫兹波参量振荡器频率调谐方法”，其太赫兹波的产生来源于铌酸锂晶体中的参量振荡效应，虽然只需要一束泵浦激光光束，一定程度上减小了实验操作难度，但是其太赫兹波波长调谐也需要精确调谐泵浦光束与参量振荡器之间的角度，同样对系统的稳定性提出了较高的要求，增加了实际应用的难度，不利于大规模应用推广。

本专利将利用非线性光学共线差频原理和准相位匹配技术，在各向同性碲化镉晶体中实现高功率可调谐准连续宽波段的太赫兹光波辐射，与以上两个专利显著不同之处在于其太赫兹光的产生原理不仅应用差频辐射原理，还使用准相位匹配技术，因而该系统的太赫兹波波长调谐完全不需要调节晶体与入射光束之间的方位角，只需调谐可调谐激光器输出波长，使实验操作更加简便，系统的稳定性能得到大大提高，便于该系统的实际大规模应用。

发明内容

针对目前纳秒激光器差频太赫兹辐射系统所面临的系统稳定性差，操作难度高，不利于实际大规模应用等缺点，本发明提出利用非线性光学共线差频原理和准相位匹配技术，在碲化镉晶体中实现一种无角度调谐的太赫兹光辐射系统，该系统在满足辐射高功率准连续近单色宽波段太赫兹光波特点的同时，还满足其太赫兹光波长调谐简便，系统稳定性高，便于大规模应用等突出优点。

本发明技术理论来源于共线光学差频原理和准相位匹配技术。

本发明采用的技术方案：

一种基于碲化镉晶体非角度调谐的共线差频太赫兹辐射系统，其产生的太赫兹频率范围为0.80THz-2.74THz。该系统通过使用特定光学元件，让两束波长相近偏振方向相互垂直的近红外泵浦光束共线垂直入射到晶体中，经光学共线差频作用和准相位匹配条件在晶体中辐射产生高功率准单色的太赫兹光。理论计算表明：碲化镉晶体在1064纳米波段附近的相干长度数值非常大，其相干长度在1THz时为3.6mm，0.3THz时则为35mm，同时在太赫兹光波段的吸收系数也相对较小，1THz以下约为5cm^-1。在晶体长度远小于相干长度时，准相位匹配条件在晶体中得以实现，此时在光学差频的作用下碲化镉晶体将辐射出高功率的太赫兹光信号，当改变可调谐激光源光子频率时，系统差频辐射的太赫兹光频率也随之发生变化。因此其太赫兹光频率准连续调谐的实现方式不再需要通过转动共线入射光束与晶体之间的方位角，只需要改变可调谐激光源出射光束的波长。这样不仅降低了系统实际操作难度，同时又提高了系统的稳定性，便于实际大规模应用。系统采用1064nm波段激光光源，具体所用光学元件如下：主泵浦激光源1、可调谐激光源2、光学延迟线3、光学半波片4、光学偏振片5、光学半波片6、光学偏振片7、激光高反镜8、偏振分光镜9、孔径光阑10、碲化镉晶体11。

系统工作时，由主泵浦激光源1出射光束依次经光学延迟线3、光学半波片4、光学偏振片5，和由可调谐激光源2出射的激光光束依次经光学半波片6、光学偏振片7、激光高反镜8反射后光束，这两束泵浦光束垂直入射到偏振分光镜9中并经孔径光阑10后共线出射，经各向同性非线性碲化镉晶体11共线差频作用辐射高功率太赫兹光信号，其太赫兹光信号由相应太赫兹探测器进行探测，而太赫兹光频率由主泵浦激光源光子频率和可调谐激光源光子频率差决定。

以下是光学元件的具体作用说明：

1.主泵浦激光源1和可调谐激光源2的作用是提供碲化镉晶体差频相互作用所需的两束窄线宽高峰值功率密度的1064nm激光光束及其附近波段的激光光束，其中主泵浦激光源1的线宽小于0.003cm^-1，峰值功率密度大于100MW/cm²，具体为掺钕钇铝石榴石激光器，而可调谐激光源2线宽小于0.075cm^-1，峰值功率密度大于50MW/cm²，具体为由激光源1三倍频产生的355nm光束泵浦产生的波长可调谐激光器；

2.光学延迟线3的作用是使主泵浦激光源1出射光束与可调谐激光源2出射光束在时间上重合，该延迟线由若干激光高反镜所组成，反射率大于99％，反射波段为1000-1100nm；

3.光学半波片4和光学偏振片5的作用是使主泵浦激光源1出射光束水平偏振；

4.光学半波片6和光学偏振片7的作用是使可调谐激光源2出射光束竖直偏振；

5.激光高反镜8的作用是改变可调谐激光源2出射光束的入射方向，使之与主泵浦激光源1出射光束方向垂直，其反射率大于99％，反射波段为1000-1100nm；

6.偏振分光镜9的作用是使垂直入射的两束激光光束共线出射，其中到达偏振分光镜9前的主泵浦光束水平偏振，可调激光源光束竖直偏振；

7.孔径光阑10的作用是限制两束共线入射光束的光斑直径，调节两束入射激光光束功率，便于实际光路共线调节；

8.碲化镉晶体11的作用是将两束近红外激光光束在该晶体中进行共线光学差频相互作用，产生高功率非角度调谐的太赫兹波辐射，其尺寸为10mm×10mm×1mm，晶面取向(110)。

本专利与常见的基于光学方式产生的太赫兹光源相比，具有以下优点：

(1)与太赫兹参量振荡源相比较，不需要精确旋转太赫兹波参量振荡器谐振腔的角度，只需对另外一束可调谐激光源出射波长进行调谐，降低实际操作难度，同时对系统稳定性能得到改善；

(2)与纳秒激光器在双折射晶体中的波长调谐相比较，也不需要精确调谐入射光束与晶体之间的方位角来实现相位匹配，也降低实验操作难度，提高系统稳定性；

(3)相比较双折射晶体的太赫兹共线差频产生源，该系统易于增加谐振腔结构，便于进一步增强太赫兹辐射功率，压窄太赫兹光频率线宽；

(4)该系统易于搭建，在功率、频谱、线宽等方面性能满足实际应用的需求，同时提高系统稳定性，便于实际大规模应用。

附图说明

图1为碲化镉晶体太赫兹非角度调谐共线差频产生系统结构示意图。

图1中标号：1为主泵浦激光源、2为可调谐激光源、3为光学延迟线、4为光学半波片、5为光学偏振片、6为光学半波片、7为光学偏振片、8为激光高反镜、9为偏振分光镜、10为孔径光阑、11为碲化镉晶体。

图2为该系统具体使用1mm的碲化镉晶体产生太赫兹辐射的功率光谱分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行近一步详述：

图1为本专利系统结构示意图，具体所用光学元件如下：主泵浦激光源1、可调谐激光源2、光学延迟线3、光学半波片4、光学偏振片5、光学半波片6、光学偏振片7、激光高反镜8、偏振分光镜9、孔径光阑10、碲化镉晶体11。具体实施过程如下：首先由主泵浦激光源1出射的1064nm波长的脉冲泵浦激光光束依次经光学延迟线3、光学半波片4、光学偏振片5后，沿水平偏振入射到分束偏光镜9中，而从可调谐激光源2出射的波长连续调谐的近单色1064nm附近波段脉冲闲频激光光束，其波长调谐范围为1050nm-1080nm，依次经光学半波片6、光学偏振片7、激光高反镜8后，沿竖直偏振方向入射到分束偏光镜9中，此时主泵浦光束与可调谐激光光束出射方向相互垂直，这两束光在分束偏光镜9中共线合束为同一束光束，然后再经孔径光阑10出射。此时从孔径光阑出射的两束共线激光光束，要求不仅在空间上两束光斑完全重合，在时间上也要完全重合。时间上两束光束的完全重合，可由光学延迟线3的调节达到要求，而空间上光束的完全重合则由激光高反镜8、偏振分光镜9的调节达到。最终，这两束时间、空间完全重合的共线激光光束垂直入射到晶面取向为(1 1 0)的各向同性非线性碲化镉晶体11中，1064nm偏振方向平行于晶体的<0 0 1>晶向，可调谐激光偏振方向平行于晶体的<1 -1 0>晶向，经共线差频作用和准相位匹配技术将在晶体中产生高功率的太赫兹光信号，其太赫兹光波长的判定可由可调谐激光源2所出射的波长计算得到，因为在晶体内部满足主泵浦光、可调谐激光、太赫兹光三光光子的能量守恒。

该系统产生的太赫兹光波长的调谐工作只需要调谐可调谐激光源2出射的激光光束波长，无需调节入射光束与晶体之间的方位角。这一特性将降低实际操作难度，提高系统的稳定性，便于实际大规模应用。系统辐射的太赫兹光线宽理论上由入射两束激光线宽决定，其中可调谐激光源2的线宽较窄，只有0.075cm^-1，泵浦光1064nm的线宽也只有0.003cm^-1，最终产生的太赫兹线宽很窄，理论上小于0.08cm^-1。

图2为该系统具体使用(110)晶面取向的10mm×10mm×1mm的碲化镉晶体，在可调谐激光光束波长大于1064nm时产生的太赫兹光功率光谱分布图，其太赫兹频率范围为0.80THz-2.74THz。系统所用激光功率参数如下：主泵浦激光光束功率为50毫瓦，可调谐激光源光束功率为30毫瓦，光斑直径均为2毫米。图谱上出现很多吸收峰，这归结于空气中水汽分子对碲化镉晶体辐射产生的太赫兹光的强吸收作用。

本专利涉及元件进一步描述如下：

主要器件

a)主泵浦激光器：美国continuum公司YAG激光器，波长1064nm，波长分辨率0.003cm^-1，频率10Hz，脉冲时间约8ns；

b)可调谐激光器：美国continuum公司OPO激光器，调谐范围400-1700nm，波长分辨率0.075cm^-1，用主泵浦激光器的355nm激光进行泵浦，脉冲时间约4ns。

Claims

1.一种基于碲化镉的无角度调谐共线差频太赫兹辐射系统，它包括主泵浦激光源(1)、可调谐激光源(2)、光学延迟线(3)、光学半波片(4)、光学偏振片(5)、光学半波片(6)、光学偏振片(7)、激光高反镜(8)、偏振分光镜(9)、孔径光阑(10)、碲化镉晶体(11)。系统工作时，由主泵浦激光源(1)出射光束依次经光学延迟线(3)、光学半波片(4)、光学偏振片(5)，和由可调谐激光源(2)出射的激光光束依次经光学半波片(6)、光学偏振片(7)、激光高反镜(8)后反射光束，这两束泵浦光束垂直入射到偏振分光镜(9)中并经孔径光阑(10)共线出射，垂直入射到各向同性非线性碲化镉晶体(11)中辐射产生高功率波长准连续可调的太赫兹光信号，其特征在于：

1)入射到晶体中的两束波长相近的近红外光偏振方向相互垂直，且共线光束垂直入射到碲化镉晶体中；

2)所使用的太赫兹产生晶体为各向同性碲化镉晶体，晶面取向(110)。