CN103594908A - 一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，特征是包括飞秒激光器、柱透镜、晶体－硅棱镜阵列耦合体、高莱管、探测单元与时间延迟系统；飞秒激光器为全自动一体化宽带飞秒激光器，带宽和中心波长自动可调，输出中心波长为800nm、水平线偏振、空间模式为TEM₀₀、脉宽为18fs的光脉冲，光束直径为2mm；耦合体包括晶体和若干只小块状的硅棱镜，晶体为薄片状长方体，各硅棱镜固定在晶体的上、下表面上；探测单元包括探测晶体与锁相放大器；时间延迟系统配合探测单元进行THz光谱的测量。本发明提高了泵浦光向THz波的转化效率，在增大光脉冲与晶体有效作用距离的同时降低了对THz波耦合输出的限制，从而提高了THz波的输出效率。

Description

一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置

技术领域

本发明涉及一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置。

背景技术

THz波具有频带宽、方向性好、散射小、空间分辨率高等诸多特性，THz科学技术在材料分析、通信、侦查等领域展现出广阔的应用前景，已成为一个非常有吸引力的研究领域。其中，THz波产生技术是最为关键的研究内容，是THz波应用于实际的前提。

基于光子学的THz波产生技术可在室温下实现高频的宽带、高相干性THz波的输出，方法包括光整流效应、光参量振荡、光学差频等。这些方法主要是基于激光与非线性晶体的相互作用，即激光在晶体内的差频、参量转换效应等物理机理在晶体中产生出连续或脉冲THz波。其中，由于在光整流Cherenkov效应中非共线相位匹配条件可自动得到满足，一方面使得飞秒光脉冲与晶体间的有效作用距离大大增加，从而可有效提高光能量向THz波的转化效率；另一方面，通过非共线相位匹配产生的THz波的传播方向与光脉冲传播方向呈一定夹角，因此使得THz波在晶体中的传播距离较短，从而减小了晶体对THz波的吸收。然而，通过非共线相位匹配产生的THz波在出射时往往会在晶体与空气交界面发生全反射，加上晶体对THz波存在着严重吸收，就导致THz波不能从晶体中有效输出，因此也无法加以利用。

在晶体的THz波出射表面粘合具有合理切割角度的硅棱镜的办法常被用于THz波的输出技术中。Si材料对THz波具有合适的折射率，能够使得晶体中产生的THz波从晶体中顺利入射到Si棱镜中；同时由于Si棱镜具有合适的切割角度，可以保证THz波以一定的入射角入射到棱镜出射表面，避免全反射的发生。因此，晶体—硅棱镜耦合体可有效解决THz波从晶体中的输出问题。

俄罗斯的S.B.Bodrov等提出了一种THz波产生方案。在该方案中，飞秒光脉冲经一个柱透镜被聚焦为线状光斑入射到厚度为a的LiNbO₃晶体中，在晶体中通过光整流Cherenkov效应产生THz辐射。他们通过在晶体上下两表面粘合硅棱镜的方法成功将晶体中的THz波输出到自由空间，从而避免了全反射的发生。

在常规方法中，飞秒光脉冲通常被聚焦为点状光斑，这样晶体中会产生波面为圆锥状的THz辐射，而上述方案利用一个柱透镜把飞秒光脉冲聚焦为方向与光偏振方向平行的线状光斑，因此可在晶体中产生楔形波面，显然具有楔形波面的THz辐射更容易被收集利用。另外，由于晶体对THz波的吸收作用较为严重，以往方法常选用晶体中接近出射表面的部分作为激光入射区域，这样做虽然可以使接近晶体出射表面的一侧产生的THz波顺利出射，但另一侧的THz波则由于晶体的吸收而被损耗掉。上述方案采用学薄片状晶体上下两表面同时粘合硅棱镜的结构实现THz波的输出，降低了晶体对THz波的吸收。

上述方案存在以下不足：由于在晶体上下表面粘合的硅棱镜为单块硅棱镜，这存在两方面问题。一方面，该方案要求棱镜底面要与晶体表面紧密粘合，因此要求对硅棱镜底面（与晶体的接触面）进行抛光，然而对大面积的硅棱镜抛光在工艺上存在很大难度，不能保证表面的平整度；另一方面，由于硅材料对THz波也存在一定吸收，而晶体中产生的THz波需要在棱镜中传输较长的距离才能输出到自由空间，因此硅棱镜会造成THz波的衰减。

发明内容

本发明的任务在于提供一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，该THz波产生装置基于光整流Cherenkov效应，利用薄片晶体—双面硅棱镜阵列耦合体输出晶体中产生的THz波，相对于现有的THz波产生装置，能够实现更高效率的THz波输出。

其技术解决方案是：

一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，包括：

飞秒激光器，该飞秒激光器为全自动一体化宽带飞秒激光器，带宽和中心波长自动可调，输出中心波长为800nm、水平线偏振、空间模式为TEM₀₀、脉宽为18fs的光脉冲，光束直径为2mm；

柱透镜，在光路中，应使柱透镜的焦线方向平行于光脉冲的偏振方向；

晶体－硅棱镜阵列耦合体，包括晶体和若干只小块状的硅棱镜，晶体采用MgO:LiNbO₃晶体制成，掺杂浓度为5mol%，为薄片状长方体，上、下两面抛光，晶轴方向与激光偏振方向平行；各硅棱镜的底面和输出面都进行抛光，并固定在晶体的上、下表面上；

高莱管，该高莱管的响应光谱范围为0.02～20THz，调制频率为20Hz，用于测量出射THz波的能量；

探测单元，包括探测晶体与锁相放大器，探测晶体选用ZnTe材料；

时间延迟系统，该时间延迟系统配合上述探测单元进行THz光谱的测量；

计算机，该计算机连接上述锁相放大器，用于对测量信号进行处理，并同时实现对时间延迟系统的控制。

上述硅棱镜为10只，各硅棱镜的底面与上述晶体紧密接触，底角为52°。

上述飞秒激光器发出的脉冲被分为两路，第一路飞秒光脉冲经柱透镜聚焦后变为平行于脉冲偏振方向的线状光斑，线状光斑入射进晶体－硅棱镜阵列耦合体后就基于光整流Cherenkov效应产生宽频带的THz辐射；第二路飞秒光脉冲被时间延迟系统延迟后到达探测单元，用于测量THz波的时域脉冲波形，经傅立叶变换后得到频域中的THz光谱。

上述基于光整流Cherenkov效应产生宽频带的THz辐射，利用离轴抛物镜把晶体－硅棱镜阵列耦合体上、下两面耦合出的THz波先进行合束后再用高莱管探测其能量；或用两只高莱管分别测量晶体－硅棱镜阵列耦合体上、下两面耦合出的THz波能量。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明利用光整流Cherenkov效应产生THz波，相位匹配条件自动得到满足，因此提高了泵浦光向THz波的转化效率；采用薄片晶体—双面硅棱镜阵列耦合体输出THz波，在增大光脉冲与晶体有效作用距离的同时降低了现有技术中THz波产生装置的晶体吸收、硅棱镜厚度等因素对THz波耦合输出的限制，从而提高了THz波的输出效率。还具有体积小，结构紧凑，能在室温下运行等特点。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明一种实施方式的原理示意框图。

图2为本发明中的晶体－硅棱镜阵列耦合体THz波输出情形简图。

具体实施方式

飞秒激光为太赫兹信号的产生提供了有效的激励源，通过飞秒激光与非线性晶体相互作用可产生出宽带THz辐射。在飞秒激光与非线性晶体的相互作用机理中，基于光整流的光学Cherenkov效应也是一种产生高效THz波的方法。这种方法主要是用飞秒激光作为泵浦光入射进非线性晶体，利用飞秒激光脉冲在晶体中的Cherenkov效应产生THz辐射，即当光脉冲的群速度大于THz波的相速度时，晶体中就会产生出沿与光脉冲传播方向呈一定角度发射的THz波。Cherenkov辐射的角度是由光波段和太赫兹波段的两种不同的折射率决定的，例如对于掺氧化镁铌酸锂（MgO:LiNbO₃）来说，n_NIR=2.2，n_THz=5.2，考虑到反射和折射，切连科夫辐射的角度θ可以表示为

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{n_{\mathrm{NIR}}}{n_{\mathrm{THz}}}---\left(1\right)$

在这种方法中，晶体中泵浦光与THz波间的相位匹配条件能够自动得到满足，从而能够实现泵浦光向THz波间的高效转换。

结合图1，一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，包括：

飞秒激光器（Femto-laser），该飞秒激光器为全自动一体化宽带飞秒激光器，带宽和中心波长自动可调，飞秒激光器输出中心波长为800nm、水平线偏振、空间模式为TEM₀₀、脉宽为18fs的光脉冲，光束直径为2mm；

柱透镜，在光路中，应使柱透镜的焦线方向平行于光脉冲的偏振方向；

晶体－硅棱镜阵列耦合体，包括晶体和若干只小块状的硅棱镜，晶体采用MgO:LiNbO₃晶体制成，掺杂浓度为5mol%，为薄片状长方体，上、下两面抛光，晶轴方向与激光偏振方向平行；各硅棱镜的底面和输出面都进行抛光，并固定在晶体的上、下表面上；

高莱管，该高莱管的响应光谱范围为0.02～20THz，调制频率为20Hz，用于测量出射THz波的能量；

探测单元，包括探测晶体与锁相放大器，探测晶体选用ZnTe材料；

时间延迟系统，该时间延迟系统配合上述探测单元进行THz光谱的测量；

计算机，该计算机连接上述锁相放大器，用于对测量信号进行处理，并同时实现对时间延迟系统的控制。

优选地，上述方式中硅棱镜可为10只，各硅棱镜的底面与上述晶体紧密接触，底角为52°。

本发明的工作原理如下：

从飞秒激光器发出的脉冲被分为两路，第一路飞秒光脉冲经柱透镜聚焦后变为平行于脉冲偏振方向的线状光斑，线状光斑入射进晶体－硅棱镜阵列耦合体后就基于光整流Cherenkov效应产生宽频带的THz辐射，如图2所示，图中虚线表示THz波的波前。可利用离轴抛物镜把耦合体上、下两面耦合出的THz波先进行合束后再用高莱管探测其能量，也可用两只高莱管分别测量上下两面耦合出的THz波能量。另一路飞秒光脉冲被时间延迟系统延迟后到达探测单元，用于测量THz波的时域脉冲波形，经傅立叶变换后可得到频域中的THz光谱。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，其特征在于包括：

飞秒激光器，该飞秒激光器为全自动一体化宽带飞秒激光器，带宽和中心波长自动可调，输出中心波长为800nm、水平线偏振、空间模式为TEM₀₀、脉宽为18fs的光脉冲，光束直径为2mm；

柱透镜，在光路中，应使柱透镜的焦线方向平行于光脉冲的偏振方向；

晶体－硅棱镜阵列耦合体，包括晶体和若干只小块状的硅棱镜，晶体采用MgO:LiNbO₃晶体制成，掺杂浓度为5mol%，为薄片状长方体，上、下两面抛光，晶轴方向与激光偏振方向平行；各硅棱镜的底面和输出面都进行抛光，并固定在晶体的上、下表面上；

高莱管，该高莱管的响应光谱范围为0.02～20THz，调制频率为20Hz，用于测量出射THz波的能量；

探测单元，包括探测晶体与锁相放大器，探测晶体选用ZnTe材料；

时间延迟系统，该时间延迟系统配合上述探测单元进行THz光谱的测量；

计算机，该计算机连接上述锁相放大器，用于对测量信号进行处理，并同时实现对时间延迟系统的控制。

2.根据权利要求1所述的基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，其特征在于：上述硅棱镜为10只，各硅棱镜的底面与上述晶体紧密接触，底角为52°。

3.根据权利要求1所述的基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，其特征在于：上述飞秒激光器发出的脉冲被分为两路，第一路飞秒光脉冲经柱透镜聚焦后变为平行于脉冲偏振方向的线状光斑，线状光斑入射进晶体－硅棱镜阵列耦合体后就基于光整流Cherenkov效应产生宽频带的THz辐射；第二路飞秒光脉冲被时间延迟系统延迟后到达探测单元，用于测量THz波的时域脉冲波形，经傅立叶变换后得到频域中的THz光谱。

4.根据权利要求3所述的基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置，其特征在于：上述基于光整流Cherenkov效应产生宽频带的THz辐射，利用离轴抛物镜把晶体－硅棱镜阵列耦合体上、下两面耦合出的THz波先进行合束后再用高莱管探测其能量；或用两只高莱管分别测量晶体－硅棱镜阵列耦合体上、下两面耦合出的THz波能量。

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