CN103427328A - 一种宽调谐波导太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽调谐波导太赫兹辐射源，包括：激光泵浦源、双波长参量振荡器、柱透镜和平板波导，所述激光泵浦源输出532nm调Q脉冲至所述双波长参量振荡器，所述双波长参量振荡器生成简并点1064nm附近的双波长脉冲经所述柱透镜聚焦后，耦合至所述平板波导的芯层中，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov相位匹配方式产生THz辐射模，实现侧向耦合输出。采用该结构，扩展了调谐范围，可实现0.1至7THz范围的宽带调谐；同时实现了THz波的高效耦合，最终实现宽调谐窄线宽的相干THz辐射输出，可广泛应用于生物医学成像、高分辨光谱分析、材料检测及医疗诊断等领域。

Description

一种宽调谐波导太赫兹辐射源

技术领域

本发明涉及太赫兹辐射源领域，特别涉及一种宽调谐波导太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹（Terahertz，简称THz，1THz=10¹²Hz）波段，是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于微波与红外线之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。其在电磁波谱中所处的特殊位置，使其具有一系列特殊的性质。THz辐射源技术是THz领域科技发展的关键核心技术。宽调谐窄线宽的相干THz辐射源，以其较高的频谱分辨率和谱功率密度，在高分辨频谱分析、低摩尔浓度气体探测、生物医学诊断和危险品检测等领域具有广泛的应用前景。

非线性光学频率变换技术是获得宽调谐窄线宽相干THz辐射的有效方法之一。目前基于非线性光学方法的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。非共线THz参量振荡技术，基于受激偶子散射机理，只需要一个固定波长的泵浦光，通过调整谐振腔结构，改变相位匹配角度，实现调谐输出。THz差频产生需要双波长泵浦光，其中至少一个波长连续可调，通常采用双折射相位匹配方式（如硒化镓），其调谐需要改变差频晶体的相位匹配角。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

一方面，上述两种角度调谐的操作相对复杂，调谐范围受到相位匹配角的限制；另一方面，受到晶体生长工艺的限制，难以获得大尺寸高质量的晶体。以上缺点制约了其在生物医学光谱分析和安全检测等领域的应用。

发明内容

本发明提供了一种宽调谐波导太赫兹辐射源，本发明简化了角度调谐的过程，避免了晶体生长工艺的限制，详见下文描述：

一种宽调谐波导太赫兹辐射源，包括：激光泵浦源、双波长参量振荡器、柱透镜和平板波导，

所述激光泵浦源输出532nm调Q脉冲至所述双波长参量振荡器，所述双波长参量振荡器生成简并点1064nm附近的共线偏振双波长脉冲在所述柱透镜上聚焦后，耦合至所述平板波导的芯层中，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov相位匹配方式产生THz辐射模，实现侧向耦合输出。

所述双波长参量振荡器包括：参量振荡输入镜、参量晶体、参量振荡输出镜、1064nm-1/4波片和起偏器，所述参量晶体采用KTP晶体II类相位匹配，

所述532nm调Q脉冲输入至所述参量振荡输入镜、依次经过所述参量晶体和所述参量振荡输出镜产生简并点1064nm附近的正交偏振双波长脉冲，由所述1064nm-1/4波片和所述起偏器组成偏振控制器，将所述正交偏振的双波长调整为共线偏振，输出所述简并点1064nm附近的共线偏振双波长脉冲。

所述平板波导包括：铌酸锂芯层、高阻硅包层和石英衬底层，

所述铌酸锂芯层为高非线性材料铌酸锂，厚度为10μm量级，其光轴方向与共线偏振双波长脉冲焦线和偏振方向平行；所述高阻硅包层为THz波段低吸收的高电阻率单晶硅，包层外侧沿40°角切割呈楔形，楔形面抛光；所述石英衬底层为石英材料，所述铌酸锂芯层、所述高阻硅包层和所述石英衬底层以光胶方式紧密贴合，

所述共线偏振双波长脉冲耦合至所述铌酸锂芯层，在所述铌酸锂芯层中以导模形式传输，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov相位匹配方式产生所述THz辐射模，经所述高阻硅包层耦合输出。

本发明提供的技术方案的有益效果是：采用Cherenkov型相位匹配形式，改善了角度相位匹配调谐操作复杂的缺陷，同时平板波导的引入解决了块状晶体中Cherenkov相位匹配过程存在的横向失配和紧聚焦光束发散之间的矛盾，进一步扩展了调谐范围，可实现0.1至7THz范围的宽带调谐；同时该结构实现了THz波的高效耦合输出，提高了输出功率。该辐射源系统更加紧凑，易于实现小型化，并能够在室温下稳定运转，最终实现宽调谐窄线宽的相干THz辐射输出，可广泛应用于生物医学成像、高分辨光谱分析、材料检测及医疗诊断等领域。

附图说明

图1为波导型THz辐射源系统结构示意图；

图2为平板波导中Cherenkov差频产生THz辐射示意图。

附图中，各部件的列表如下：

1：激光泵浦源；                    2：双波长参量振荡器；

3：柱透镜；                        4：平板波导；

11：全反镜；                       12：输出镜；

13：灯泵Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）； 14：KD*P（磷酸二氘钾）电光晶体；

15：Brewster（布儒斯特）起偏器；   16：KTP（磷酸氧钛钾）倍频晶体；

21：参量振荡输入镜；               22：参量晶体；

23：参量振荡输出镜；               24：1064nm-1/4波片；

25：起偏器；                       41：铌酸锂芯层；

42：高阻硅包层；                   43：石英衬底层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

铌酸锂晶体中Cherenkov相位匹配差频方法，由于自动满足相位匹配，可以简化调谐的操作，同时避免了相位匹配角对调谐范围的限制，可以实现宽范围连续调谐输出。但横向失配和紧聚焦光束发散之间的矛盾限制了其输出功率和调谐范围的进一步提高。通过引入“三明治”型波导结构，不仅解决了上述矛盾，还可以实现THz波的高效耦合输出，从而提高辐射源的输出功率和调谐范围。与块状晶体相比，波导型辐射源系统更加紧凑，易于实现小型化。此外，调谐过程中，THz波的输出位置和方向基本不变，更适合于后续的应用研究。

参见图1和图2，该宽调谐波导太赫兹辐射源包括：激光泵浦源1、双波长参量振荡器2、柱透镜3和平板波导4，激光泵浦源1输出532nm调Q脉冲至双波长参量振荡器2，双波长参量振荡器2生成简并点1064nm附近的共线双波长脉冲在柱透镜3上聚焦后，耦合至平板波导4的芯层中，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov（切伦科夫）相位匹配方式产生THz辐射模，实现侧向耦合输出。

其中，激光泵浦源1包括：全反镜11、输出镜12、灯泵Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）棒13、KD*P（磷酸二氘钾）电光晶体14、Brewster（布儒斯特）起偏器15、KTP（磷酸氧钛钾）倍频晶体16，KD*P电光晶体14和Brewster起偏器15构成电光Q开关，通过KTP倍频晶体16输出532nm调Q脉冲。

实际应用时，激光泵浦源1可以为倍频Nd:YAG调Q激光器，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，双波长参量振荡器2包括：参量振荡输入镜21、参量晶体22、参量振荡输出镜23、1064nm-1/4波片24和起偏器25，参量晶体22采用KTP晶体II类相位匹配来实现，晶体角度可旋转，

532nm调Q脉冲输入至参量振荡输入镜21、依次经过参量晶体22和参量振荡输出镜23产生简并点1064nm附近的正交偏振双波长脉冲，由1/4波片24和起偏器25组成偏振控制器，将正交偏振的双波长调整为共线偏振，输出简并点1064nm附近的共线偏振双波长脉冲。

实际应用中，起偏器25可以采用格兰棱镜起偏器，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，平板波导4包括：铌酸锂芯层41、高阻硅包层42和石英衬底层43，铌酸锂芯层41为高非线性材料铌酸锂，厚度为10μm量级，其光轴方向与共线偏振双波长脉冲焦线和偏振方向平行；高阻硅包层42为THz波段低吸收的高电阻率单晶硅，包层外侧沿40°角切割呈楔形，楔形面抛光（实现THz波垂直输出）；石英衬底层43为石英材料（保证THz波在芯层-衬底层界面发生全反射，从而增强另一侧芯层-包层界面的耦合输出功率）。铌酸锂芯层41、高阻硅包层42和石英衬底层43以光胶方式紧密贴合。

共线偏振双波长脉冲耦合至铌酸锂芯层41，在铌酸锂芯层41中以导模形式传输，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov相位匹配方式产生THz辐射模，经高阻硅包层42（图1中灰色楔形部分）耦合输出。

即根据铌酸锂芯层41和高阻硅包层42的色散特性，差频产生的窄线宽THz波在铌酸锂芯层41、高阻硅包层42和石英衬底层43中以辐射模形式传输，不仅可以自动满足与双波长脉冲纵向传输常数的匹配（即Cherenkov型相位匹配），同时经过高阻硅包层42实现侧向耦合输出。

上述导模-辐射模的转换形式，由于自动实现纵向相位匹配，其调谐过程只需改变差频光波长，而无需调整差频器件，操作更加简单。平板波导结构的高阻硅包层42同时作为耦合器件，保证了THz辐射的高效耦合输出。

综上所述，本发明的参量振荡过程采用KTP晶体II类相位匹配，具有较大的有效非线性系数，以产生高能量的双波长脉冲。差频平板波导器件芯层铌酸锂的光轴方向平行于双波长脉冲的偏振方向，利用其较大的非线性系数d33，从而提高差频的转换效率。Cherenkov相位匹配差频的调谐过程中只需改变双波长参量振荡器中的晶体角度，即改变双波长脉冲的波长，而无需调整平板波导，简化了调谐的操作；平板波导的引入解决了块状晶体中Cherenkov相位匹配过程存在的横向失配和紧聚焦光束发散之间的矛盾，进一步扩展了调谐范围，可实现0.1至7THz范围的宽带调谐；增大了有效辐射长度，提高了输出功率；整个系统更加集成化，可实现室温下稳定运转；高阻硅包层的色散特性使得辐射源产生的THz波的输出位置和方向基本不变，更适合于后续的应用研究。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种宽调谐波导太赫兹辐射源，其特征在于，包括：激光泵浦源、双波长参量振荡器、柱透镜和平板波导，

所述激光泵浦源输出532nm调Q脉冲至所述双波长参量振荡器，所述双波长参量振荡器生成简并点1064nm附近的共线偏振双波长脉冲经所述柱透镜上聚焦后，耦合至所述平板波导的芯层中，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过切伦科夫相位匹配方式产生THz辐射模，实现侧向耦合输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽调谐波导太赫兹辐射源，其特征在于，所述双波长参量振荡器包括：参量振荡输入镜、参量晶体、参量振荡输出镜、1064nm-1/4波片和起偏器，所述参量晶体采用KTP晶体II类相位匹配，

所述532nm调Q脉冲输入至所述参量振荡输入镜、依次经过所述参量晶体和所述参量振荡输出镜产生简并点1064nm附近的正交偏振双波长脉冲，由所述1064nm-1/4波片和所述起偏器组成偏振控制器，将所述正交偏振的双波长调整为共线偏振，输出所述简并点1064nm附近的共线偏振双波长脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种宽调谐波导太赫兹辐射源，其特征在于，所述平板波导包括：铌酸锂芯层、高阻硅包层和石英衬底层，

所述铌酸锂芯层为高非线性材料铌酸锂，厚度为10μm量级，其光轴方向与共线偏振双波长脉冲焦线和偏振方向平行；所述高阻硅包层为THz波段低吸收的高电阻率单晶硅，包层外侧沿40°角切割呈楔形，楔形面抛光；所述石英衬底层为石英材料，所述铌酸锂芯层、所述高阻硅包层和所述石英衬底层以光胶方式紧密贴合，

所述共线偏振双波长脉冲耦合至所述铌酸锂芯层，在所述铌酸锂芯层中以导模形式传输，利用二阶非线性差频效应产生窄线宽THz波，通过Cherenkov相位匹配方式产生所述THz辐射模，经所述高阻硅包层耦合输出。

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