CN103825189A - 种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器包括激光泵浦系统、种子光系统和非线性晶体，由激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角经过非线性晶体，所述非线性晶体的拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程：获得0.6-3.0THz的太赫兹波。本发明所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，使用了一种新型实验装置的设计，在非线性晶体的尺寸允许下，泵浦光和种子光的光斑尺寸可以任意大，并且可以调节泵浦光到达非线性晶体的光程，使得泵浦光脉冲和种子光脉冲在时间上同步以提高太赫兹输出能量。

Description

种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器及其应用

技术领域

本发明涉及一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器及其应用，属于太赫兹源的技术领域。

背景技术

受激激子散射是一种产生太赫兹辐射的重要技术，通过某些晶体的受激激子散射可以获得可见，近红外，以及太赫兹波段的连续可调谐激光。与其他技术的太赫兹源，如光整流、量子级联激光器、以及电学的太赫兹源相比，这种基于受激激子散射的太赫兹参量源具有可封装集成、室温工作、使用方便、便于调谐、线宽窄等优点。太赫兹参量源一直是太赫兹产生领域的研究热点之一。现国内外已经有大量关于太赫兹参量源的报道，他们主要利用的晶体LiNbO₃或者MgO:LiNbO₃作为非线性转换的工作介质，这些参量源的耦合方式一般都是光栅耦合、硅棱镜、硅棱镜阵列耦合以及单点的垂直表面发射的耦合方式，并基于振荡器产生能量较高的太赫兹波的输出。这种基于振荡器的太赫兹参量源的泵浦源的光斑尺寸受到参量振荡器的限制，并且参与参量过程的三波的脉冲在时间不同步，从而限制了高能量太赫兹波的产生。因此能否通过对实验装置的改进以获得大能量太赫兹波的输出，成为本领域所亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，该产生器克服现有技术产生的太赫兹波能量较低的缺点，通过对实验装置的合理设计，以获得大能量的太赫兹波束，大大提高了太赫兹波转化效率，使得转化效率提高2-4倍。

本发明还公开了上述太赫兹产生器的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器包括激光泵浦系统、种子光系统和非线性晶体，由激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角经过非线性晶体，所述非线性晶体的拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程：获得0.6-3.0THz的太赫兹波。在非线性晶体尺寸允许下，增大泵浦脉冲激光和种子脉冲光的光斑尺寸，调节泵浦脉冲激光和种子脉冲光脉冲延时，以获得最大的太赫兹能量输出。本发明所述的太赫兹参量产生器的太赫兹参量源在非线性晶体侧面的垂直或者近于垂直耦合输出。

根据本发明优选的，所述非线性晶体的两端面均镀有1000nm－1100nm波长的增透膜。切割角度如图1中10所示，本发明中的所有非线性晶体的尺寸可以根据具体要求进行选取。

根据本发明优选的，所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光之间的夹角的夹角范围为0.5-3.0°，以获得调谐范围为0.6-3.0THz。

根据本发明优选的，所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光通过改变其到达非线性晶体的光程使其和种子光系统产生的种子脉冲光在时间上同步。

根据本发明优选的，所述激光泵浦系统为闪光灯泵浦低重频的1-100Hz的激光系统；所述激光泵浦系统的泵浦功率密度≥20MW/cm²，输出波长为1064nm。

根据本发明优选的，所述的种子光系统产生的种子脉冲光，输出波长为1066nm-1080nm,重复频率是1-100Hz。

一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器的工作方法如下：

激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角进入所述非线性晶体中，与非线性晶体中同时具有拉曼与红外活性的晶体振动模相互作用，产生受激激子散射，种子脉冲光增强，同时产生太赫兹辐射波，改变泵浦脉冲激光到达非线性晶体的光程以获得泵浦脉冲激光和种子脉冲光在时间上的同步。获得大能量的太赫兹在Stokes激光发生全反射位置的垂直耦合出射。

本发明的优势在于：

本发明所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，使用了一种新型实验装置的设计，在非线性晶体的尺寸允许下，泵浦光和种子光的光斑尺寸可以任意大，并且可以调节泵浦光到达非线性晶体的光程，使得泵浦光脉冲和种子光脉冲在时间上同步以提高太赫兹输出能量。

附图说明

图1为本发明的种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器的光路结构示意图。

图2为是本发明的灯泵外腔脉冲式泵浦光和TPO产生的脉冲式种子光泵浦MgO:LiNbO₃晶体，种子注入式表面垂直发射太赫兹参量源的光路结构示意图。

其中：1.泵浦激光谐振腔后腔镜，2.恒温冷却系统，3.调Q开关，4.起偏器，5.激光增益介质，6.闪光灯泵浦系统，7.泵浦激光谐振腔输出镜，8.半波片，9.种子光高反镜，10.太赫兹参量产生器非线性晶体，11.TPO种子光系统，12.OPO种子光系统,13.泵浦光高反镜，14.种子光高反镜，15.泵浦光高反镜16.种子光扩束器，17.泵浦光扩束器，18.位移平台，19.旋转平台，20.泵浦光高反镜，21.种子光高反镜，22.种子光高反镜，23.种子光高反镜，24.种子光高反镜，25.种子光高反镜，26.位移平台。

具体实施方式

现针对说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图2所示。

一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器包括激光泵浦系统、种子光系统和非线性晶体，由激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角经过非线性晶体，所述非线性晶体的拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程：获得0.6-3.0THz的太赫兹波。在非线性晶体尺寸允许下，增大泵浦脉冲激光和种子脉冲光的光斑尺寸，调节泵浦脉冲激光和种子脉冲光脉冲延时，以获得最大的太赫兹能量输出。本发明所述的太赫兹参量产生器的太赫兹参量源在非线性晶体侧面的垂直或者近于垂直耦合输出。

所述非线性晶体，所述的非线性晶体为MgO:LiNbO₃或者LiNbO₃。所述非线性晶体的两端面均镀有1000nm－1100nm波长的增透膜。切割角度如图1中10所示，本发明中的所有非线性晶体的尺寸可以根据具体要求进行选取。

所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光之间的夹角范围为0.5-3.0°，以获得调谐范围为0.6-3.0THz。

所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光通过改变其到达非线性晶体的光程使其和种子光系统产生的种子脉冲光在时间上同步。

所述激光泵浦系统为闪光灯泵浦低重频的1-100Hz的激光系统；所述激光泵浦系统的泵浦功率密度≥20MW/cm²，输出波长为1064nm。

所述的种子光系统是TPO（太赫兹参量振荡器）产生的Stokes脉冲激光束，输出波长为1066nm-1080nm,重复频率是1-100Hz。

具体结构如下：

一种种子注入式太赫兹参量产生器包括泵浦激光谐振腔后腔镜1，恒温冷却系统2，调Q开关3，起偏器4，激光增益介质5，闪光灯泵浦系统6，泵浦激光谐振腔输出镜7，半波片8，种子光高反镜9，太赫兹参量源的非线性晶体10，TPO种子光系统11，泵浦光高反镜13、14、15、20,种子光扩束器16，泵浦光扩束器17，位移平台18，旋转平台19。泵浦光和种子光以一定的夹角进入非线性晶体构成种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器；1和7构成泵浦激光振荡的谐振腔，谐振腔中放置的激光增益介质5为掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光晶体、电光调Q开关3、起偏器4以及闪光灯泵浦系统6，共同组成太赫兹参量源的泵浦系统,13、14和18构成泵浦光的延时器。基于受激激子散射的种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器的工作方法如下：由闪光灯泵浦系统6激发激光增益介质5，所产生的基频光通过激光谐振腔输出镜7输出，通过半波片8调整偏振态、泵浦光高反镜20、13、14、15和扩束器16进入非线性晶体10，TPO种子光系统11产生的脉冲式种子光经过延时器、扩束器、高反镜9，与泵浦光成一定夹角进入非线性晶体10中，由于MgO:LINbO₃晶体同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，放大种子光，同时在种子发生全反射的部位产生太赫兹输出。在晶体尺寸允许下，调节扩束器16、17，增大泵浦光和种子光的光斑尺寸，调节位移平台18和26以改变泵浦光和种子光达到晶体的光程，使得泵浦光脉冲和种子光脉冲在时间上同步，获得最大的太赫兹能量输出。MgO:LINbO₃晶体10作为非线性介质，可以有效的产生泵浦光和太赫兹转换，根据泵浦光和种子光的夹角不同可以获得0.6-3.0THz范围内的可调谐太赫兹输出。上述Nd:YAG激光晶体5和闪光灯泵浦系统6均通过冷却系统进行恒温控制，保持温度在20℃。

所述的激光晶体Nd:YAG晶体5的尺寸为φ6mm×10mm，其掺杂浓度为1-at.％两个端面均镀有1000nm－1100nm波长的增透膜（透过率大于99.8％）。

所述的电光调Q装置3由高压电源和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为40mm，两端面均镀有对1000nm－1100nm波长的增透膜（透过率大于99.8％）；调制频率为10Hz。

所述的MgO:LiNbO₃晶体10的尺寸：晶体长度为65mm，宽度为46mm，晶体沿着z轴的高度为10mm，两端面均镀有对1000nm－1100nm波段的增透膜（透过率大于99.8％）。

所述的激光谐振腔后腔镜1为平镜，镀有1000nm－1100nm波段的高反膜（反射率大于99.8％）。

所述的激光谐振腔输出镜7在1.064微米附近波长的镀膜透过率为80%。

所述的泵浦激光的谐振腔腔长为370mm。

所述的泵浦光高反镜13、14、15、20为平镜，镀有1000nm－1100nm波段的高反膜（反射率大于99.8％）。

所述的种子光高反镜9、21、22、23、24、25为平镜，镀有1000nm－1100nm波段的高反膜（反射率大于99.8％）。

所述的泵浦光扩束器17，两端面均镀有对1000nm－1100nm波段的增透膜（透过率大于99.8％）

所述的种子光扩束器16，两端面均镀有对1000nm－1100nm波段的增透膜（透过率大于99.8％）。

工作流程：闪光灯泵浦系统6激发掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体5，当电光调Q装置3关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关3打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光输出并和TPO种子光系统产生的脉冲式种子光以一定的夹角进入到非线性晶体MgO:LiNbO₃，由于MgO:LiNbO₃晶体的A1振动模的作用，可以将基频光转为种子光，同时产生太赫兹辐射波。在1064.2nm的单脉冲能量为320mJ、重复频率为10Hz，泵浦角度固定为1.5°时，获得单束太赫兹辐射通过Golay Cell测量的电压幅值为13V。

实施例2、

如实施例1所述种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其区别在于，所述种子光系统为OPO种子光系统12。

实施例3、

如实施例1所述一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器的工作方法如下：

激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角进入所述非线性晶体中，与非线性晶体中同时具有拉曼与红外活性的晶体振动模相互作用，产生受激激子散射，种子脉冲光增强，同时产生太赫兹辐射波，改变泵浦脉冲激光到达非线性晶体的光程以获得泵浦脉冲激光和种子脉冲光在时间上的同步。获得大能量的太赫兹在Stokes激光发生全反射位置的垂直耦合出射。

Claims (7)

1.一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，该产生器包括激光泵浦系统、种子光系统和非线性晶体，由激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角经过非线性晶体，所述非线性晶体的拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程：获得0.6-3.0THz的太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，所述非线性晶体的两端面均镀有1000nm－1100nm波长的增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光之间的夹角的夹角范围为0.5-3.0°，以获得调谐范围为0.6-3.0THz。

4.根据权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，所述激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光通过改变其到达非线性晶体的光程使其和种子光系统产生的种子脉冲光在时间上同步。

5.根据权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，所述激光泵浦系统为闪光灯泵浦低重频的1-100Hz的激光系统；所述激光泵浦系统的泵浦功率密度≥20MW/cm²，输出波长为1064nm。

6.根据权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器，其特征在于，所述的种子光系统产生的种子脉冲光，输出波长为1066nm-1080nm,重复频率是1-100Hz。

7.如权利要求1所述的一种种子注入式表面垂直发射太赫兹参量产生器的工作方法如下：

激光泵浦系统产生的泵浦脉冲激光和种子光系统产生的种子脉冲光以一定的夹角进入所述非线性晶体中，与非线性晶体中同时具有拉曼与红外活性的晶体振动模相互作用，产生受激激子散射，种子脉冲光增强，同时产生太赫兹辐射波，改变泵浦脉冲激光到达非线性晶体的光程以获得泵浦脉冲激光和种子脉冲光在时间上的同步。

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