CN102629065A - 光学晶体和太赫兹波生成装置及方法 - Google Patents

光学晶体和太赫兹波生成装置及方法 Download PDF

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Abstract

光学晶体和太赫兹波生成装置及方法。一种光学晶体包括：第一非线性光学晶体，该第一非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波；以及第二非线性光学晶体，该第二非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波，所述第二非线性光学晶体在材料方面与所述第一非线性光学晶体不同，并且所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成彼此接触或靠近。

Description

光学晶体和太赫兹波生成装置及方法
技术领域
本发明涉及光学晶体和太赫兹(terahertz)波生成装置以及方法。
背景技术
迄今，已知非线性光学晶体能够利用差频生成效应(即，非线性光学效应)来生成太赫兹波。所生成的太赫兹波的特性取决于所使用的非线性光学晶体的物理特性。因此，由所使用的非线性光学晶体生成的太赫兹波的频率范围具有那些晶体的特定特性。因此，根据太赫兹波的使用目的来获取具有期望输出特性的太赫兹波是所希望的。
已经提出了用于生成太赫兹波的有机材料(例如，参见日本专利申请特开(JP-A)No.2007-328145)，其中，用于生成太赫兹波的非线性光学晶体被形成为包含成分A和成分B的混合晶体，作为其结果，抑制了所生成的太赫兹波在特性频率区的强度下降。
然而，尽管通过利用JP-ANo.2007-328145所述的用于生成太赫兹波的有机材料在某种程度上抑制了所生成的太赫兹波在特性频率区的强度下降，但是在所得到的特性中，该强度在单独利用成分A的非线性光学晶体生成的太赫兹波的强度下降的频率区和单独利用成分B的非线性光学晶体生成的太赫兹波的强度下降的频率区这两者中都下降。
发明内容
进行本发明以便解决上述问题，并且本发明提供了一种可以从单个光学晶体生成具有不同光谱特性的太赫兹波的光学晶体以及一种太赫兹波生成装置。
为了实现上述目的，根据第一方面的光学晶体包括：第一非线性光学晶体，该第一非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波；以及第二非线性光学晶体，该第二非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波，该第二非线性光学晶体在材料方面与所述第一非线性光学晶体不同，并且所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成彼此接触或靠近。
根据第一方面的光学晶体，所述第一非线性光学晶体生成与两个不同波长的差频成分相对应的太赫兹波，该差频成分通过入射在所述第一非线性光学晶体上的具有两个不同波长的光的频率中的差异生成。所述第二非线性光学晶体还生成与两个不同波长的差频成分相对应的太赫兹波，该差频成分通过入射在所述第二非线性光学晶体上的具有两个不同波长的光的频率中的差异生成。因为所述第二非线性光学晶体是由与所述第一非线性光学晶体不同的材料制成的，所以这些太赫兹波与通过所述第一非线性光学晶体生成的太赫兹波不同。所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成彼此接触或靠近，以构成单个光学晶体。由此，通过切换具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上的入射角，可以通过该单个光学晶体来生成具有不同光谱特性的太赫兹波。
在第一方面的光学晶体中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体可以被设置成使得所述第一非线性光学晶体的任意光轴的矢量方向与所述第二非线性光学晶体的任意光轴的矢量方向在相同方向上对齐。而且，在第一方面的光学晶体中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体可以被设置成使得所述第二非线性光学晶体的光轴的矢量方向与所述第一非线性光学晶体的对应光轴的矢量方向在相同方向上对齐。例如，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体可以被设置成使得各个a轴的矢量方向按相同方向取向。另选的是，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体可以被设置成使得各个光轴的光学特性最大的矢量方向在相同方向上对齐。在这种情况下，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体的性能可以达到最大。
在第一方面的光学晶体中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体分别包括具有骨架是二价连接基团的结构的化合物，并且吸电子基团与供电子基团结合至所述骨架。具体地说，所述化合物可以是从由DAST晶体、DASC晶体、OH1、BNA、BDAS-TP、DAS-HTP以及MC-TPS组成的组中选择出的化合物。
在第一方面的光学晶体中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体通过熔融法、晶体生长法或粘接法中的任一种方法来接触。
根据第二方面的太赫兹波生成装置包括：根据第一方面所述的光学晶体；发光单元，该发光单元生成具有两个不同波长的光；以及入射单元，该入射单元使得由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向以及穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射。
根据第二方面的太赫兹波生成装置，所述发光单元生成具有两个不同波长的光。所述入射单元使得由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上，以使得所述光沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向以及穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射。由此，按照通过所述入射单元切换的具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上的入射方向，可以通过该单个光学晶体来生成具有不同光谱特性的太赫兹波。
在第二方面的太赫兹波生成装置中，所述入射单元可以包括转动部件，该转动部件在以下位置之间转动所述光学晶体或所述发光单元中的至少一个：沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向透射由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光的位置；以及沿穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射所述具有两个不同波长的光的位置。而且，所述入射单元可以包括：反射镜，该反射镜反射由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光；透射部，该透射部透射具有两个不同波长的光和由所述反射镜反射的光；以及反射表面，该反射表面反射入射太赫兹波，其中，在所述发光单元与所述反射镜之间设置有一对离轴抛物面镜，该对离轴抛物面镜夹着所述光学晶体以反射所述入射太赫兹波。
根据第三方面的太赫兹波生成装置包括：第一反射镜；发光单元，该发光单元设置有第二反射镜，该第二反射镜与所述第一反射镜一起构成谐振器，该发光单元生成具有两个不同波长的光；一对离轴抛物面镜，该对离轴抛物面镜各自设置有：透射部，该透射部透射具有两个不同波长的入射光；和反射表面，该反射表面反射入射太赫兹波，所述一对离轴抛物面镜被设置在所述谐振器中，以反射所述入射太赫兹波；以及根据权利要求1所述的光学晶体，该光学晶体被设置在所述一对离轴抛物面镜之间。
根据第三方面的太赫兹波生成装置，配备有所述第一反射镜和所述第二反射镜的所述发光单元生成具有两个不同波长的光，所述第二反射镜与所述第一反射镜一起构成所述谐振器。所述具有两个不同波长的光透射穿过设置在所述谐振器内部的所述一对离轴抛物面镜的透射部，入射在设置在所述一对离轴抛物面镜之间的所述光学晶体上，并且从所述光学晶体生成具有各个不同光谱特性的太赫兹波。所述离轴抛物面镜被设置有反射面，所述反射面反射入射太赫兹波，并且所述反射面反射由所述光学晶体生成并入射在所述反射面上的太赫兹波。
由此，可以通过设置在所述一对离轴抛物面镜(该对离轴抛物面镜被设置在所述谐振器中)之间的所述第一方面所述的光学晶体使所述具有两个不同波长的光从两个方向入射在所述光学晶体上，并且具有不同光谱特性的太赫兹波可以由所述单个光学晶体生成。
第三方面的太赫兹波生成装置还可以包括混合器，该混合器混合从所述一对离轴抛物面镜反射的各个太赫兹波。由此，可以获取混合了具有不同光谱特性的太赫兹波的太赫兹波。
根据第四方面的太赫兹波生成方法包括以下步骤：针对生成具有第一光谱特性的太赫兹波，使具有两个不同波长的光入射在根据第一方面所述的光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向透射；以及针对生成具有与所述第一光谱特性不同的第二光谱特性的太赫兹波，使所述具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射。
根据第五方面的太赫兹波生成方法包括以下步骤：使具有两个不同波长的光谐振，并且使所述具有两个不同波长的光入射在根据第一方面所述的光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述光学晶体的所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向以及穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射；从所述光学晶体的所述第一非线性光学晶体侧生成第一太赫兹波；以及从所述光学晶体的所述第二非线性光学晶体侧生成第二太赫兹波。
附图说明
基于以下附图来对本发明的示例性实施方式进行详细描述，附图中：
图1是例示第一示例性实施方式的光学晶体的外部立体图。
图2是例示由DAST晶体生成的太赫兹波的光谱特性的曲线图。
图3是例示由DASC晶体生成的太赫兹波的光谱特性的曲线图。
图4A是用于描述光学晶体上的激励光的入射方向的图示。
图4B是例示当激励光从DAST晶体侧入射时的光谱特性的曲线图。
图4C是例示当激励光从DASC晶体侧入射时的光谱特性的曲线图。
图5是用于描述根据激励光的入射方向生成具有不同光谱特性的太赫兹波的理论的图示。
图6是用于描述光轴的图示。
图7是用于描述当将两个非线性光学晶体结合在一起时的光轴的方向的图示。
图8是例示第二示例性实施方式的太赫兹波生成装置的结构的示意图。
图9是用于描述光学晶体上的激励光的入射方向的图示。
图10是例示第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置的结构的示意图。
图11是例示第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置的太赫兹波生成部的结构的示意图。
图12是例示第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置的结构的另一示例的示意图。
图13是例示在一示例中测量的太赫兹波的光谱特性的曲线图。
具体实施方式
下文参照附图来对本发明的光学晶体和太赫兹波生成装置的示例性实施方式进行详细描述。
如图1所示，第一示例性实施方式的光学晶体10通过将不同材料的两个薄板形非线性光学晶体结合在一起形成。在本示例性实施方式中，描述了一示例，在该示例中，一个非线性光学晶体是DAST晶体(4-二甲氨基-N-甲基-4-氮杂茋鎓甲苯磺酸盐(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate))10a，而另一非线性光学晶体是DASC  晶体(4-二甲氨基-N-甲基-4-氮杂茋鎓对氯苯磺酸盐(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-p-chlorobenzene sulfonate))10b。
通过根据入射的具有两个不同波长的光(激励光)的差频生成，各个非线性光学晶体(DAST晶体10a和DASC晶体10b)生成与两个不同波长的差频成分相对应的太赫兹波。该激励光入射在DAST晶体10a的单个主体上时所生成的太赫兹波的光谱示出了8.5THz附近的输出功率的吸收，如图2所示。该激励光入射在DASC晶体10b的单个主体上时所生成的太赫兹波的光谱示出了7.7THz附近的输出功率的吸收，如图3所示。
在图4A至图4C中示出了当激励光入射在本示例性实施方式的光学晶体10上时生成的太赫兹波的光谱，在本示例性实施方式的光学晶体10中，生成具有不同特性的太赫兹波的两个非线性光学晶体被结合在一起。图4B是当激励光从穿过DASC晶体10b至DAST晶体10a的方向(图4A所示的箭头R的方向)入射时的太赫兹波的光谱。在这种情况下，与DAST晶体10a(处于生成太赫兹波侧的面的晶体)的太赫兹波光谱的特性(图2)类似，该太赫兹波生成有包括8.5THz附近的输出功率的吸收的光谱。相反，图4C是当激励光从穿过DAST晶体10a至DASC晶体10b的方向(图4A所示的箭头L的方向)入射时的太赫兹波的光谱。在这种情况下，与DASC晶体10b(处于生成太赫兹波侧的面的晶体)的太赫兹波光谱的特性(图3)类似，该太赫兹波生成有包括7.7THz附近的输出功率的吸收的光谱。应注意到，图4B和图4C所分别例示的两个光谱是在将DAST晶体10a与DASC晶体10b叠置时彼此反向地设置光轴的情况的光谱。下面对光轴进行更详细的讨论。
对所生成的太赫兹波的特性根据该光学晶体10上的激励光的入射方向而不同的理论进行描述。如图5所示，当激励光从DAST晶体10a侧入射时，具有图2所示的特性的太赫兹波(太赫兹波THz1)由DAST晶体10a生成，并且这些太赫兹波THz1被DASC晶体10b吸收。已经穿过DAST晶体10a的激励光入射在DASC晶体10b上，具有图3所示的特性的太赫兹波(太赫兹波THz2)由DASC晶体10b生成。因此，仅太赫兹波THz2由光学晶体10生成。类似的是，当激励光从DASC晶体10b侧入射时，首先，太赫兹波THz2由DASC晶体10b生成并且该太赫兹波THz2被DAST晶体10a吸收，而太赫兹波THz1由穿过DASC晶体10b入射在DAST晶体10a上的激励光生成。因此，仅太赫兹波THz1由光学晶体10生成。在图5中，为便于例示，在DAST晶体10a与DASC晶体10b之间敞开一空间。然而，在本示例性实施方式的光学晶体10中，两个晶体被设置成彼此接触或靠近。
如上所述，根据第一示例性实施方式的光学晶体10，可以获取具有取决于光学晶体10上的激励光的入射方向的不同光谱特性的太赫兹波。
现在对制造第一示例性实施方式的光学晶体10的方法进行描述。
首先，标识DAST晶体10a和DASC晶体10b的光轴。在此使用的术语“光轴”包括具有光学异构的双折射晶体中的方向(在该方向中，折射率恒定，即使非偏振光入射也不出现双折射，并且普通光线与异常光线重合)，或者普通光线与异常光线的偏离处于最小的方向。如图6所示，非线性光学晶体的光轴可以根据晶体的折射率和晶体结构来唯一确定。图6例示了DAST晶体的光轴。
针对光轴的标识，这些光轴可以通过测量折射率的方法(诸如测量吸收系数并计算克雷默斯-克朗尼(Kramers-Kronig)关系的方法)来标识。这些光轴还可以通过利用晶体结构分析根据分子取向来确定光轴的方法进行标识。这些光轴还可以通过在任意条件下将电磁场直接照射到晶体上并且标识使特性最大化的方向来以实验方式标识。而且，取决于该晶体，存在可以通过晶体惯态可视地标识光轴的晶体，所以也可以进行可视标识。
接着，如图7所示，DAST晶体10a与DASC晶体10b被叠置以使得所标识的光轴重合。当将具有双折射的双折射晶体(诸如DAST晶体和DASC晶体)叠置时，可以通过将晶体叠置以使得针对普通光线或异常光线的匹配光轴重合来得到晶体的相应性能。还可以通过叠置光轴以使得各个晶体的光学特性最大化来得到最大性能。例如，DAST晶体的a轴、DASC晶体的a轴和OH1晶体的c轴对应于光学特性最大化的光轴。因此，如果如本示例性实施方式叠置DAST晶体和DASC晶体，则可以将它们叠置成使得该两个晶体的a轴重合。作为进一步的示例，如果将DAST晶体与OH1晶体叠置，则可以将它们叠置成使得DAST晶体的a轴与OH1晶体的c轴重合。
接着，将所叠置的DAST晶体10a与DASC晶体10b结合在一起。结合方法可以是熔融法、晶体生长法或粘接法。下面对各个结合方法进行描述。
用于将具有不同熔点的材料结合在一起的熔融法是通过以下步骤将各个晶体结合在一起的方法：加热至具有较低熔点的材料的熔点并使该晶体稍微熔化；接着进行冷却和固化。具体地说，DAST晶体10a和DASC晶体10b的熔点分别是256℃和281.5℃。因此，在该两个晶体被叠置并且它们的光轴对齐的状态下，进行加热以接近DAST晶体10a的熔点，DAST晶体10a稍微熔化，并且熔合为DASC晶体10b。
当使用晶体生长法时，通过将DAST晶体10a或DASC晶体10b用作晶种并且在其它材料的溶液(例如，当晶种是DAST晶体10a时该溶液是DASC溶液，或者当晶种是DASC晶体10b时该溶液是DAST溶液)中促使晶体生长来使这些晶体在分子水平上结合。
在粘接法中，通过具有在该两个晶体的光轴的折射率之间的折射率的粘合剂来粘接光轴经对齐的叠置面。由此，可以在性能损失很少的情况下制造所结合的晶体。
在此，对通过熔融将DAST晶体与DASC晶体结合的情况进行描述。然而，单个光学晶体可以具有两个非线性光学晶体彼此靠近(即，被设置为在该两个非线性光学晶体之间形成间隙)的结构。
接着，对第二示例性实施方式进行描述。在第二示例性实施方式中，对利用第一示例性实施方式的光学晶体10构成的太赫兹波生成装置进行描述。
如图8所示，第二示例性实施方式的太赫兹波生成装置12包括光学晶体10、激励光源14和转台16。激励光源14生成要入射在光学晶体10上的、具有两个不同波长的激励光。转台16用于切换该激励光要入射的、光学晶体10的面。
激励光源14可以使用例如能够生成具有两个不同波长的光的双波长发生半导体激光器等。
转台16被构造成可以与放置在其上的光学晶体10一起转动。可以人工执行转台16的转动，或者可以设置诸如电动机等的驱动源来转动该转台16。
接着，对第二示例性实施方式的太赫兹波生成装置12的操作进行描述。
首先，将光学晶体10放置在转台16上。接着，考虑到激励光要入射的、光学晶体10的面来转动转台16，以使得获取具有期望特性的太赫兹波。具体地说，当要获取通过DASC晶体生成的太赫兹波THz2时，将DSAST晶体10a的表面设置为朝向激励光源14，如图9的左侧图所示，并且转动转台16，以使得激励光源的光程与垂直于光学晶体10的表面的方向一致。
此后，由激励光源14生成激励光并且该激励光入射在光学晶体10上。因此，由DAST晶体10a生成的太赫兹波THz1被DASC晶体10b吸收，并且由DASC晶体10b生成太赫兹波THz2，从而可以获取所希望的太赫兹波THz2。
当要获取通过DAST晶体生成的太赫兹波THz1时，将转台从上述位置转动180°，并且DASC晶体10b的表面被设置为朝向激励光源14，如图9的右侧图所示，以使得激励光源的光程与垂直于光学晶体10的表面的方向一致。
此后，由激励光源14生成激励光并且该激励光入射在光学晶体10上。因此，由DASC晶体10b生成的太赫兹波THz2被DAST晶体10a吸收，并且由DAST晶体10a生成太赫兹波THz1，从而可以获取所希望的太赫兹波THz1。
如上所述，根据第二示例性实施方式所述的太赫兹波生成装置，通过转台来转动DAST晶体与DASC晶体结合在一起的光学晶体，并且通过切换激励光入射的面，可以在不替换光学晶体等的情况下获取具有不同光谱特性的太赫兹波。
在第二示例性实施方式中，对围绕沿垂直方向的轴转动光学晶体的情况进行描述。然而，可以围绕沿水平方向的轴转动该光学晶体。此外，不仅可以转动光学晶体，还可以改变激励光源的位置，或者可以转动光学晶体并且改变激励光源的位置，以在沿一个入射方向的激励光与沿另一入射方向的激励光之间切换。更进一步地，可以针对沿该一个入射方向的激励光设置第一激励光源，并且可以针对沿该另一入射方向的激励光设置第二激励光源。然而，考虑到该装置的尺寸和成本，如本示例性实施方式中的转动光学晶体的构造是优选的。
接着，对第三示例性实施方式进行描述。在第三示例性实施方式中，对利用第一示例性实施方式的光学晶体10构成的太赫兹波生成装置进行描述。
如图10所示，第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置212包括：生成具有两个不同波长的激励光的KTP参数谐振器(KTP-OPO)20；设置在该KTP-OPO 20内部的太赫兹波生成部30；以及混合由该太赫兹波生成部30生成的两个太赫兹波的离轴抛物面镜40。
KTP-OPO 20包括泵浦光源(pumped light source)22、两个KTP(磷酸氧钛钾(potassium titanyl phosphate)：KTiOPO4)晶体24a和24b、三个反射镜26a、26b和26c以及SHG截止滤光器28。
泵浦光源22是输出泵浦光的光源，作为用于从KTP-OPO 20生成具有两个波长的激励光的源。例如，YAG激光器(波长532nm、脉冲宽度15ns、循环频率50Hz)等可以被用作泵浦光源22。
KTP-OPO晶体24a和24b被放置在相应转台上，以使得可以独立地调节晶体上的泵浦光的入射角。可以通过改变KTP晶体上的泵浦光的入射角来改变由KTP-OPO20生成的激励光的频率。
反射镜26a、26b和26c是对于波长为1300nm至1500nm的光具有高反射性的分色镜。反射镜26a被设置为相对于泵浦光的光程成45℃角。反射镜26a、两个KTP晶体24a和24b以及反射镜26b按此顺序被设置在该泵浦光的光程的线路上，而SHG截止滤光器28、太赫兹波生成部30和反射镜26c按此顺序被设置在与从反射镜26a分支的泵浦光的光程垂直的线路上。
SHG截止滤光器28是去除波长为532nm的成分的滤光器。SHG截止滤光器28在激励光入射在光学晶体10上之前去除该激励光中余留的532nm成分，以便使高精度的激励光入射在光学晶体10上。
利用一对有孔离轴抛物面镜32a和32b以及光学晶体10构成太赫兹波生成部30，该光学晶体10被设置在该对有孔离轴抛物面镜32a与32b之间。
如在第一示例性实施方式中所述，光学晶体10是将DAST晶体10a与DASC晶体10b结合在一起的光学晶体。
所述一对有孔离轴抛物面镜32a和32b是抛物面镜，该对有孔离轴抛物面镜32a和32b中的每一个的中部形成有一孔(参见图11中的单点划线，其在图10中未示出)。该对有孔离轴抛物面镜32a和32b被设置成使得激励光穿过所述孔，并使得抛物面彼此面对。更具体地说，如图11所示，有孔离轴抛物面镜32a被设置在光学晶体10的DAST晶体10a侧，而有孔离轴抛物面镜32b被设置在光学晶体10的DASC晶体10b侧。有孔离轴抛物面镜32a和32b被设置成使得激励光穿过各个孔，并且使得由DAST晶体10a生成的太赫兹波THz1和由DASC晶体10b生成的太赫兹波THz2这两者按相同方向被反射。尽管为便于例示，在DAST晶体10a与DASC晶体10b之间敞开一空间，但是在本示例性实施方式的光学晶体10中，该两个晶体被设置成彼此接触或靠近。
离轴抛物面镜40混合分别由有孔离轴抛物面镜32a和32b反射的太赫兹波，并且使这些太赫兹波入射在检测器50上。尽管在这种情况下太赫兹波入射在检测器50上，但是在实践中，根据太赫兹波的使用目的，将检查台设置在检测器50的位置处，并且通过检测器来检测透射穿过放置在该检查台上的物体的太赫兹波或者由放置在该检查台上的物体反射的太赫兹波。
接着，对第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置212的操作进行描述。
首先，当从泵浦光源22输出泵浦光时，在KTP-OPO 20处，该泵浦光穿过反射镜26a，并入射在KTP晶体24a和24b上，从而生成具有两个不同波长(从1300nm至1500nm)的激励光。所生成的激励光被反射镜26a和26b反射，并朝向反射镜26c反射，该激励光具有被SHG截止滤光器28去除的余留的532nm成分，并且入射在太赫兹波生成部30上。
激励光穿过有孔离轴抛物面镜32a中的孔，并且穿过光学晶体10的DAST晶体10a侧处的面入射在该光学晶体10上。太赫兹波THz1由DAST晶体10a生成，并被DASC晶体10b吸收，并且太赫兹波THz2由DASC晶体10b生成。
所生成的太赫兹波THz2被有孔离轴抛物面镜32b的离轴表面沿一致方向(在此，朝向离轴抛物面镜40)反射，而穿过光学晶体10的激励光接着穿过有孔离轴抛物面镜32b中的孔，接着被反射镜26c反射。
被反射镜26c反射的激励光再次穿过有孔离轴抛物面镜32b中的孔，并且穿过光学晶体10的DASC晶体10b侧处的面入射在该光学晶体10上。太赫兹波THz2由DASC晶体10b生成，并被DAST晶体10a吸收，并且太赫兹波THz1由DAST晶体10a生成。
所生成的太赫兹波THz1被有孔离轴抛物面镜32a的离轴表面沿一致方向(在此，朝向离轴抛物面镜40)反射，而穿过光学晶体10的激励光接着穿过有孔离轴抛物面镜32a中的孔，被反射镜26a反射，并且朝向反射镜26b返回。
由有孔离轴抛物面镜32a反射的太赫兹波THz1与由有孔离轴抛物面镜32b反射的太赫兹波THz2在离轴抛物面镜40处混合，并被入射在检测器50上。
如上所述，根据第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置，DAST晶体与DASC晶体结合在一起的光学晶体被设置在KTP-OPO内部，并且由DAST晶体生成的太赫兹波和由DASC晶体生成的太赫兹波被独立提取并被混合。因此，可以获取各个太赫兹波的特性彼此补充的太赫兹波。
而且，如果形成能够在检测从DAST晶体侧生成的太赫兹波、检测从DASC晶体侧生成的太赫兹波以及检测混合太赫兹波之间进行切换的结构，则可以从单个太赫兹波生成装置获取具有三种不同光谱特性的太赫兹波。
在第三示例性实施方式中，对由KTP-OPO生成激励光的结构进行描述。然而，如图12所示，可以利用配备有反射镜220a和220b的双波长发光激光器单元220来生成激励波。在该结构中，由反射镜26c和双波长发光激光器单元中的反射镜220b构成谐振器。
更进一步地，在第三示例性实施方式中描述了将光学晶体设置在谐振器中的结构。然而，可以在不使激励光谐振的情况下生成太赫兹波。例如，太赫兹波生成装置可以由诸如KTP-OPO 20、双波长发光激光器单元220等的光源、反射镜26c以及一对有孔离轴抛物面镜32a和32b来构成，该对有孔离轴抛物面镜32a和32b被设置在该光源与反射镜26c之间，以便夹着光学晶体10。在该结构中，反射镜26c以及有孔离轴抛物面镜32a和32b是本发明的入射单元的示例。
在第三示例性实施方式中，对使用离轴抛物面镜作为用于混合两种太赫兹波的部件的结构进行了描述。然而，通过组合了反射镜与聚焦透镜的光学系统来混合这两种太赫兹波的结构是可以的。
在上述示例性实施方式中，对由DAST晶体和DASC晶体构成光学晶体的情况进行了描述。然而，可以使用表现出非线性的不同光学晶体。表现出非线性的化合物是被形成为具有利用π键将吸电子基团与供电子基团结合至骨架的结构的化合物，该化合物是由以下表达式(1)表示的化合物。晶体具有非中心对称的晶体结构。假设满足上述条件，则还可应用离子晶体。
D-X-A    (1)
在表达式(1)中，A表示吸电子基团，D表示供电子基团，而X表示二价连接基团。
除了DAST晶体和DASC晶体以外，满足表达式(1)的化合物的具体示例还包括：BDAS-TP(二(4-二甲氨基-N-甲基-4-氮杂茋鎓)对苯二甲酸盐(bis(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium)terephthalate))、DAS-HTP(4-二甲氨基-N-甲基-4-氮杂茋鎓氢对苯二甲酸盐(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazoliumhydrogen terephthalate))、BNA(N-苄基-2-甲基-4-硝基苯胺(N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline))、OH 1(2-(3-(4-羟基苯乙烯)-5，5-二甲基环己-2-烯亚基)丙二腈(2-(3-(4-hydroxystyryl)-5，5-dimethyl cyclohex-2-enylidene)malononitrile))、MC-PTS(部花青--对甲苯磺酸盐(melocyanine-p-toluene sulfonate))等。这些化合物例示如下。
-示例-
下面对本发明的示例进行详细描述。本发明不以任何方式受限于本示例。在本示例中，利用第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置212(图10)来执行以下条件下的测试。
使用波长为532nm、脉冲宽度为24ns并且循环频率为50Hz的激光器光源作为泵浦光源22。使用在波长532nm透射光并且在波长1300nm反射光的分色镜作为反射镜26a。使用去除了532nm的波长成分的截止滤光器作为SHG截止滤光器28。使用硅(Si)辐射热测量计作为检测器50。
使用如以上实施方式所述将DAST晶体与DASC晶体结合在一起的晶体作为光学晶体10。DAST晶体的厚度是0.21mm，而DASC晶体的厚度是0.16mm。激励光的透射方向是晶体的厚度方向。在本示例中，光学晶体的水平尺度和垂直尺度被设置为对于要入射在该晶体上的所有激励光足够的尺寸。除本示例以外，在本发明中，该光学晶体的尺度在任何方向上都不受特别限制，只要该尺寸对于要入射在该光学晶体的正面上的所有激励光足够即可。
KTP晶体24a的角是固定的，并且使KTP晶体24b的角可变。由此，生成具有两个波长(固定波长1350.5mm和可变波长)的激励光，0.5THz至10THz处的太赫兹波被生成为差频，并且测量该太赫兹波的光谱特性。按0.1THz的频率增量测量该光谱特性总计50次。
图13示出了太赫兹波的所测量的光谱特性。在图13中，将垂直轴值标准化，以使得输出的最大值为1。作为参照，在图13中，针对“仅DAST”和“仅DASC”的特性示出了在使用第三示例性实施方式的太赫兹波生成装置212，单独将DAST晶体或单独将DASC晶体用作光学晶体时生成的太赫兹波的光谱特性。针对“结合在一起(首先入射在DAST上)”和“结合在一起(首先入射在DASC上)”的特性是示出本示例的测试结果的光谱特性。“结合在一起(首先入射在DAST上)”是光学晶体被设置成使得激励光首先从DAST晶体侧入射的情况，而“结合在一起(首先入射在DASC上)”是光学晶体被设置成使得激励光首先从DASC晶体侧入射的情况。
如图13所示，在“结合在一起(首先入射在DAST上)”或者“结合在一起(首先入射在DASC上)”中都看不到取决于相应晶体(DAST晶体或DASC晶体)的特性的输出吸收。也就是说，可以通过形成DAST晶体与DASC晶体结合在一起的光学晶体来提供具有各个太赫兹波的特性彼此补充的特性的太赫兹波。

Claims (13)

1.一种光学晶体，该光学晶体包括：
第一非线性光学晶体，该第一非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波；以及
第二非线性光学晶体，该第二非线性光学晶体通过差频生成来生成与具有两个不同波长的入射光中的差频成分相对应的太赫兹波，所述第二非线性光学晶体在材料方面与所述第一非线性光学晶体不同，并且所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成彼此接触或靠近。
2.根据权利要求1所述的光学晶体，其中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成使得所述第一非线性光学晶体的任意光轴的矢量方向与所述第二非线性光学晶体的任意光轴的矢量方向在相同方向上对齐。
3.根据权利要求2所述的光学晶体，其中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体被设置成使得所述第二非线性光学晶体的光轴的矢量方向与所述第一非线性光学晶体的对应光轴的矢量方向在相同方向上对齐。
4.根据权利要求1所述的光学晶体，其中，所述第一非线性光学晶体和所述第二非线性光学晶体分别包括具有骨架是二价连接基团的结构的化合物，并且吸电子基团与供电子基团被结合至所述骨架。
5.根据权利要求4所述的光学晶体，其中，所述化合物是从由DAST晶体、DASC晶体、OH1、BNA、BDAS-TP、DAS-HTP以及MC-TPS组成的组中选择出的化合物。
6.根据权利要求1所述的光学晶体，其中，所述第一非线性光学晶体与所述第二非线性光学晶体通过熔融法、晶体生长法或粘接法中的任一种方法来接触。
7.一种太赫兹波生成装置，该太赫兹波生成装置包括：
根据权利要求1所述的光学晶体；
发光单元，该发光单元生成具有两个不同波长的光；以及
入射单元，该入射单元使得由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向以及穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射。
8.根据权利要求7所述的太赫兹波生成装置，其中，所述入射单元包括转动部件，该转动部件在以下位置之间转动所述光学晶体或所述发光单元中的至少一个：
沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向透射由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光的位置；以及
沿穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射所述具有两个不同波长的光的位置。
9.根据权利要求7所述的太赫兹波生成装置，其中，所述入射单元包括：
反射镜，该反射镜反射由所述发光单元生成的所述具有两个不同波长的光；
透射部，该透射部透射所述具有两个不同波长的光以及由所述反射镜反射的光；以及
反射表面，该反射表面反射入射太赫兹波，
其中，在所述发光单元与所述反射镜之间设置有一对离轴抛物面镜，该对离轴抛物面镜夹着所述光学晶体，以反射所述入射太赫兹波。
10.一种太赫兹波生成装置，该太赫兹波生成装置包括：
第一反射镜；
发光单元，该发光单元设置有第二反射镜，该第二反射镜与所述第一反射镜一起构成谐振器，所述发光单元生成具有两个不同波长的光；
一对离轴抛物面镜，该对离轴抛物面镜各自设置有：
透射部，该透射部透射具有两个不同波长的入射光；和
反射表面，该反射表面反射入射太赫兹波，所述一对离轴抛物面镜被设置在所述谐振器中，以反射所述入射太赫兹波；以及
根据权利要求1所述的光学晶体，该光学晶体被设置在所述一对离轴抛物面镜之间。
11.根据权利要求10所述的太赫兹波生成装置，该太赫兹波生成装置还包括混合器，该混合器混合从所述一对离轴抛物面镜反射的各个太赫兹波。
12.一种太赫兹波生成方法，该太赫兹波生成方法包括以下步骤：
针对生成具有第一光谱特性的太赫兹波，使具有两个不同波长的光入射在根据权利要求1所述的光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向透射；以及
针对生成具有与所述第一光谱特性不同的第二光谱特性的太赫兹波，使所述具有两个不同波长的光入射在所述光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射。
13.一种太赫兹波生成方法，该太赫兹波生成方法包括以下步骤：
使具有两个不同波长的光谐振，并且使所述具有两个不同波长的光入射在根据权利要求1所述的光学晶体上，以使得所述具有两个不同波长的光沿穿过所述光学晶体的所述第一非线性光学晶体至所述第二非线性光学晶体的方向以及穿过所述第二非线性光学晶体至所述第一非线性光学晶体的方向透射；
从所述光学晶体的所述第一非线性光学晶体侧生成第一太赫兹波；以及
从所述光学晶体的所述第二非线性光学晶体侧生成第二太赫兹波。
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