CN103872555A

CN103872555A - 基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器

Info

Publication number: CN103872555A
Application number: CN201410120388.9A
Authority: CN
Inventors: 柴路; 栗岩锋; 李江; 朱伟岸; 王清月
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103872555B

Abstract

本发明涉及超快太赫兹技术领域。为提出一种结构简单，能够明显提高THz波的产生效率，获得高功率THz波的THz发生器，本发明采取的技术方案是，基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元；高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的主要部分激光经过等强度分束器后，再经过波面倾斜器，分别垂直入射到单块铌酸锂晶体THz发射器的两个入射面；铌酸锂晶体THz发射器的形状为等腰梯形，晶体THz发生器的两个入射面即为两个等腰梯形面，而THz波的发射面为晶体的长底面。本发明主要应用于超快太赫兹场合。

Description

基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器

技术领域

本发明涉及超快太赫兹技术领域。特别涉及一种基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器。

技术背景

太赫兹波（THz，1THz=10¹²Hz）通常是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波，在电磁波谱上介于远红外光波与微波之间。相比与其他波段的电磁波，THz波有其独特的优势：宇宙背景辐射、许多有机大分子，特别是生物大分子的转动能级以及振动能级位于THz波段。超快THz脉冲因其瞬态性、宽带性、相干性、低能性等优点，在成像、无损探测、安检、物化分析等领域展现了良好的应用前景[1-3]。从实用化角度看，一台结构紧凑，稳定性好的高功率THz波辐射源是首要需求。

产生THz波的方法主要分为电子学方法和光学方法两大类。近年来，随着飞秒泵浦源输出功率的提高，基于光学整流[4]、光电导天线[5]、空气等离子[6]等光学方法的超快宽带THz波辐射源的输出功率已经得到大幅度的提高。Blanchard等人[7]使用钛宝石飞秒激光放大系统抽运大孔径ZnTe晶体，得到了重复频率100Hz，单脉冲能量高达1.5μJ的THz脉冲输出；J.A.等人[8]利用钛宝石飞秒激光放大系统抽运LiNbO₃晶体，并结合波面倾斜技术[9],[10]，在10Hz重复频率下，获得THz单脉冲能量高达125μJ。然而，基于钛宝石飞秒激光放大系统的超快THz源以其复杂和庞大很难走出实验室；此外该类THz源的低重复率特性也限制了其在某些方面的实际应用。随着高功率光纤激光器的出现，一些高重复频率的宽带THz源也相继出现：M.C.Hoffmann等人[11]基于波面倾斜技术，使用重复频率1MHz的掺镱光纤放大器抽运LiNbO₃晶体，输出THz脉冲平均功率高达0.25mW；我们实验室[12]使用光子晶体光纤放大系统抽运GaP晶体，在更高的42MHz重复频率条件下，得到了0.3mW的宽带THz波输出。

采用高平均功率的光纤飞秒激光作为激发源，能产生百微瓦量级的THz波，但是系统的总体效率仍然很低。因此设法提高光学整流法中THz波的产生效率是关键。

参考文献：

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8

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9G.Stepanov A,Hebling J,Kuhl J.Efficient generation of subpicosecond terahertz radiationby phase-matched optical rectification using ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts,ApplPhys Lett,2003,83(15):3000～3002.

10Hebling J,Almási G,Z.Kozma I.Velocity matching by pulse front tilting for largeareaTHz-pulse generation,Opt Express,2002,10(21):1162～1166.

11Hoffmann M C,Yeh K L,Hwang H Y,et al.Fiber laser pumped high average powersingle-cycle terahertz pulse source,Appl Phys Lett,2008,93:141107.

12Jiang Li,Lu Chai,Junkai Shi,et al.Generation of0.3mW high-power broadbandterahertz pulses from GaP crystal pumped by negatively chirped femtosecond laser pulses,LaserPhys.Lett,2013,10:125404.

发明内容

为克服现有技术的不足，提出一种基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器。该THz发生器结构简单，能够明显提高THz波的产生效率，获得高功率THz波。为此，本发明采取的技术方案是，基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元；高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的主要部分激光经过等强度分束器后，再经过波面倾斜器，分别垂直入射到单块铌酸锂晶体THz发射器的两个入射面；铌酸锂晶体THz发射器的形状为等腰梯形，晶体THz发生器的两个入射面即为两个等腰梯形面，而THz波的发射面为晶体的长底面；沿垂直晶体两个梯形面双向入射的两束泵浦光都满足波面倾斜的相位匹配条件；泵浦光到达晶体的发射面后，泵浦光在晶体的长底边上全内反射，出射晶体后进入泵浦光复用腔；泵浦光复用腔由单块铌酸锂晶体THz发射器和两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜按照等腰三角形放置，两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜共焦放置，二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面即长底面之内；两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜构成的平面为泵浦光复用腔平面，且与铌酸锂晶体THz发射器的出射面垂直，由双向直接泵浦光构成的平面为泵浦光入射平面，它与泵浦光复用腔平面之间存在一个小夹角用以保证泵浦光直接入射到晶体，并经过反射后导入泵浦光复用腔；为了保证复用的剩余泵浦光与直接泵浦光满足时间上匹配，泵浦光复用腔通过复用腔的腔长调节单元调节腔长，泵浦光复用腔的腔长调节单元的指令信息来自泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元。

上述的分束器为偏振分束器。

上述的波面倾斜器由800-1600线/mm的透射式光栅对、二分之一波片和柱透镜构成，入射光经波片使偏振方向与光栅刻线平行，两光栅平行放置，间距在0-10mm范围内连续可调，通过光栅对后的脉冲经过柱透镜聚焦到THz发射器。

铌酸锂晶体THz发射器由单块等腰梯形的铌酸锂晶体构成，晶体z轴垂直x-y平面，梯形平面在x-y平面内；晶体THz发生器的两个两个等腰梯形面为泵浦光的入射面，而THz波的发射面为晶体的长底面；两个泵浦入射面按照满足波面倾斜条件的入射角切割，镀有对泵浦光的增透膜。

上述的泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元由快响应光电二极管、频谱分析仪和计算机构成，极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元的快响应激光二极管，其测得的泵浦激光脉冲的重复频率作为控制单元的参考信号。

上述的复用腔的腔长调节单元由长程机械导轨和微机控制的精密定位微位移平台和背向反射镜组件构成。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

（1）基于单块铌酸锂晶体THz波发射器的特殊设计，用单块晶体实现波面倾斜的双向泵浦，使THz波输出功率至少提高一倍；（2）利用单块晶体的THz波输出面对泵浦光的全内反射，以及两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜构成简单的等腰三角形的“三镜”环形腔结构的泵浦光复用腔，其中两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜为共焦放置，二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面（长底面）之内，可同时完成对剩余泵浦光的色散补偿、准直和聚焦；该腔型在两个球面反射负色散补偿镜之间形成平行光，便于插入延迟线，并自动维持双向复用泵浦光的时间延迟；通过对剩余泵浦光的多重复用，提高了泵浦光的利用率，进一步提升了THz波的转换效率；（3）将“泵浦光复用腔”与双向直接泵浦设计的单块铌酸锂晶体THz发生器相结合，保持直接泵浦光与剩余复用泵浦光在时空上的匹配，使整个系统的THz出射效率成倍提升；（4）波面倾斜采用透射光栅对，提高了效率，减小了体积。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图中：1高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统；2等强度分束器；3波面倾斜器；4铌酸锂波面倾斜THz发射器；5泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元；6泵浦光复用腔的腔长调节单元；7泵浦光复用腔。

图2为泵浦光复用腔的结构示意图。

图中：7-1、7-2为两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜；6-1为精密微位移平台驱动器，6-2、6-3为直角-屋脊反射镜组；4为单块铌酸锂晶体THz发射器。

图3为图1和图2中4为单块铌酸锂晶体THz发射器结构，以及直接泵浦方向和几何取向示意图。

图4为图2中的单块铌酸锂晶体THz发射器的出射面与泵浦光复用腔平面（图2为其俯视图）和直接泵浦光平面侧视关系上存在的一个小夹角（相当于图中的侧视图）

具体实施方式

本发明是通过下述技术方案实现的，一种基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，如图1，该高功率THz发生器包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统1，其输出功率的极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元5的快响应激光二极管，它测量的泵浦激光脉冲的重复频率作为控制单元的参考信号；高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的主要部分激光经过等强度分束器2后，再经过波面倾斜器3，分别垂直入射到单块铌酸锂晶体THz发射器4的两个入射面；该铌酸锂晶体THz发射器的形状设计成等腰梯形，晶体z轴垂直纸面，坐标系如图3所示，晶体THz发生器的两个等腰梯形面为泵浦光入射面，而THz波的发射面为晶体的长底面（图3中箭头发出面）；沿垂直晶体两个梯形面双向入射的泵浦光到达晶体的发射面后，经在晶体的长底边上全内反射的剩余泵浦光进入泵浦光复用腔7；泵浦光复用腔7由单块铌酸锂晶体THz发射器4和两个离轴抛物（或球面）反射负色散补偿镜按照等腰三角形放置，两个离轴抛物（或球面）反射负色散补偿镜共焦放置，这样两者之间为平行光，二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面（长底面）之内；“泵浦光复用腔平面”与铌酸锂晶体THz发射器的出射面（长底面）垂直，图2为其俯视图；为了使得经晶体发射面全内反射的剩余泵浦光导入到泵浦光复用腔，“泵浦光入射平面”与“泵浦光复用腔平面”之间存在一个小夹角（即“泵浦光入射平面”不是垂直于THz波的发射面），如图4所示，这样就保证了泵浦光可以直接入射到晶体，并经过反射后导入泵浦光复用腔；为了保证复用的剩余泵浦光与直接泵浦光满足时间上匹配，泵浦光复用腔7通过复用腔的腔长调节单元6调节腔长（见图2中6），泵浦光复用腔的腔长调节单元6的指令信息来自泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元5。其特征在于：

上述的光子晶体光纤飞秒激光放大系统1的工作波长1.03-1.05μm，脉冲重复频率30-60MHz，平均输出功率10-60W。

上述的分束器2为偏振棱镜分束器。

上述的波面倾斜器3由800-1600线/mm的透射式光栅对、二分之一波片和柱透镜构成，入射光经波片使偏振方向与光栅刻线平行，两光栅平行放置，间距在0-10mm范围内连续可调，通过光栅对后的脉冲经过柱透镜聚焦到THz发射器4的两个等边梯形面。

上述的THz发射器4由单块铌酸锂晶体按照等边梯形设计，晶体z轴垂直纸面，两个梯形面（泵浦入射面）按照满足波面倾斜条件的入射角切割，镀有对泵浦光的增透膜。

上述的泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元5由快响应光电二极管、频谱分析仪和计算机构成。

上述的复用腔的腔长调节单元6由长程机械延迟线（导轨）和微机控制的精密定位微位移平台和背向反射镜组件构成（图2中6）。

上述的泵浦光复用腔7由泵浦光复用腔由单块铌酸锂晶体THz发射器4和两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜按照等腰三角形放置，其中两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜共焦放置，这样两者之间为平行光，二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面（长底面）之内；为了使得经晶体发射面全内反射的泵浦光导入到泵浦光复用腔，由双向直接泵浦光构成的平面称为“泵浦光入射平面”，它与泵浦光复用腔平面（两个离轴抛物面反射负色散补偿镜平面）之间存在一个小夹角，如图4所示，这样就保证了泵浦光可以直接入射到晶体，并经过反射后导入泵浦光复用腔。

上述的离轴抛物反射负色散补偿镜7-1、7-2，口径为1英寸，离轴角度为20-30°；或者为球面反射负色散补偿镜，口径为1英寸，曲率半径600-1000mm。

下面结合附图对本发明加以详细说明。

在图1中，光子晶体光纤飞秒激光放大系统1，工作波长1.03-1.05μm，脉冲重复频率30-60MHz，平均输出功率10-60W。其中只将约1%的输出激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元5中的快响应激光二极管，它测量的泵浦激光脉冲的重复频率作为控制单元的参考信号；另外由1输出的约99%激光功率再经过等强度分束器2分成等光强两束光，2为偏振棱镜分束器。这两束光分别经过波面倾斜器3，3由800-1600线/mm的透射式光栅对、二分之一波片和柱透镜构成；调整二分之一波片使得入射光偏振方向与光栅刻线平行，且与晶体的z轴平行；两透射光栅平行放置，间距在0-10mm范围内连续可调，调整光栅对间隔使得光束扩展和泵浦光的波阵面倾斜，并满足在单块铌酸锂晶体THz发射器4中，保持泵浦光的群速度等于产生THz波的相速度的匹配要求；通过光栅对后的两束脉冲再分别用柱透镜沿光栅刻线方向进行聚焦，提高泵浦光的功率密度；双向泵浦光入射是分别垂直于单块铌酸锂晶体THz发射器4的两个等腰梯形面（晶体的泵浦入射面）上。

4由单块铌酸锂晶体构成，设计为等腰梯形的，晶体z轴垂直纸面，坐标系如图3所示；其梯形底边长11mm，上下底边间隔（梯形高度）为5mm，晶体厚度也是5mm；晶体的两个等腰梯形面（泵浦入射端面）与梯形底面的夹角为θ，按照保证泵浦光的波阵面在晶体内传输时的波阵面始终与产生的THz的波前平行和同步，即相位匹配条件；同时要保证泵浦光入射到在晶体THz发生器的出射面（图3中晶体的长底面，即THz箭头的发出面）处的入射角满足全内反射条件；根据选用晶体在泵浦光1.04μm和THz波段的折射率计算，满足该相位匹配条件的θ角为64°，该角度同时也满足全内反射条件。为减少损耗，晶体的入射端面镀有对泵浦光的增透膜。沿晶体两个梯形面垂直入射的双向剩余泵浦光经在晶体长底边上经全内反射进入泵浦光复用腔7。

7由单块铌酸锂晶体THz发射器4和两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜7-1、7-2按照等腰三角形放置，其中两个离轴抛物（或者球面）反射负色散补偿镜共焦放置，这样两者之间为平行光，方便加入延迟线（图2中的6）；二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面（长底面）之内（见图2）；上述的离轴抛物反射负色散补偿镜7-1、7-2，口径为1英寸，根据晶体入射面的设计角度，其离轴角度选为26°，焦距为500-1000m；或者为球面反射负色散补偿镜，口径为1英寸，曲率半径1000-2000mm；该镜为宽带啁啾镜，带宽在1030-1070nm，用以补偿泵浦光经过晶体后引入的色散；复用泵浦光在泵浦复用腔中被7-1、7-2会聚、准直和色散补偿。为了保证泵浦光可以直接入射到晶体的梯形面，并使得经晶体发射面全内反射的剩余泵浦光导入到泵浦光复用腔，需要“泵浦光入射平面”与“泵浦光复用腔平面”之间存在一个小夹角2α，这里α=1°，如图4所示（相对于图2中入射晶体部分的侧视图）。泵浦光复用腔的对称“三镜腔”结构，使得在相对方向上的复用泵浦光在腔内循坏时自动保持时间同步，实现了相干叠加。

尽管上述结构使得直接泵浦与复用泵浦在THz发射器的THz出射面上满足空间上自动重合，但是若实现复用泵浦光与直接泵浦光之间的相干叠加，还必须严格控制复用腔的循环时间与泵浦光的脉冲周期相匹配，即使复用泵浦脉冲与直接泵浦脉冲在时间上保持同步。该任务由图1中的复用腔腔长调节单元6实现。

上述的6由长程机械延迟线（导轨）和微机控制的精密定位微位移平台和背向反射镜组件构成。其中的长程机械延迟线由4组装在导轨上的、间隔50cm内可调的直角-屋脊反射镜对（见图6-2、6-3）串联构成，通过手动调节可实现0.5-2m的光程变化，对应时间延迟改变约为2-7ns；精密同步是由微机控制的精密定位微位移平台延迟线自动实现的，其控制指令来自图1中的泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元5。

上述的5由快响应光电二极管、频谱分析仪和计算机构成。自泵浦源取1%的输出光入射到快响应光电二极管，获取的脉冲重复频率的电脉冲信号作为腔长匹配控制单元参考信号，与快响应光电二极管探测的剩余泵浦光在复用腔循环一次的脉冲信号一起输入频谱分析仪，取得复用腔失谐的比较信号，再由计算机输出对复用腔的校准信号，将校准信号输入复用腔的腔长调节单元6，控制精密微位移平台6-1移动直角反射镜6-2，调整复用腔的腔长，以维持复用腔腔长与泵浦光脉冲周期的匹配条件。

Claims

1.一种基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元；高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出功率的主要部分激光经过等强度分束器后，再经过波面倾斜器，分别垂直入射到单块铌酸锂晶体THz发射器的两个入射面；铌酸锂晶体THz发射器的形状为等腰梯形，晶体THz发生器的两个入射面即为两个等腰梯形面，而THz波的发射面为晶体的长底面；沿垂直晶体两个梯形面双向入射的两束泵浦光都满足波面倾斜的相位匹配条件；泵浦光到达晶体的发射面后，泵浦光在晶体的长底边上全内反射，出射晶体后进入泵浦光复用腔；泵浦光复用腔由单块铌酸锂晶体THz发射器和两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜按照等腰三角形放置，两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜共焦放置，二者的共焦点位于铌酸锂晶体THz发射器的出射面即长底面之内；两个离轴抛物或者球面反射负色散补偿镜构成的平面为泵浦光复用腔平面，且与铌酸锂晶体THz发射器的出射面垂直，由双向直接泵浦光构成的平面为泵浦光入射平面，它与泵浦光复用腔平面之间存在一个小夹角用以保证泵浦光直接入射到晶体，并经过反射后导入泵浦光复用腔；为了保证复用的剩余泵浦光与直接泵浦光满足时间上匹配，泵浦光复用腔通过复用腔的腔长调节单元调节腔长，泵浦光复用腔的腔长调节单元的指令信息来自泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元。

2.如权利要求1所述的基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，上述的分束器为偏振分束器。

3.如权利要求1所述的基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，上述的波面倾斜器由800-1600线/mm的透射式光栅对、二分之一波片和柱透镜构成，入射光经波片使偏振方向与光栅刻线平行，两光栅平行放置，间距在0-10mm范围内连续可调，通过光栅对后的脉冲经过柱透镜聚焦到THz发射器。

4.如权利要求1所述的基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，铌酸锂晶体THz发射器由单块等腰梯形的铌酸锂晶体构成，晶体z轴垂直x-y平面，梯形平面在x-y平面内；晶体THz发生器的两个两个等腰梯形面为泵浦光的入射面，而THz波的发射面为晶体的长底面；两个泵浦入射面按照满足波面倾斜条件的入射角切割，镀有对泵浦光的增透膜。

5.如权利要求1所述的基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，上述的泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元由快响应光电二极管、频谱分析仪和计算机构成，极少部分激光注入泵浦光复用腔的腔长匹配控制单元的快响应激光二极管，其测得的泵浦激光脉冲的重复频率作为控制单元的参考信号。

6.如权利要求1所述的基于单块铌酸锂晶体的高功率THz发生器，其特征是，上述的复用腔的腔长调节单元由长程机械导轨和微机控制的精密定位微位移平台和背向反射镜组件构成。