CN103944041B - 一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源 - Google Patents

一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦源、望远镜缩束系统、第一反射镜、第一光束扫描器、由两个光学镜片构成的谐振腔、反射镜组、第二光束扫描器；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体侧面设有硅棱镜。本发明结构简单，参量过程和差频过程可以在一块价格便宜的MgO:LiNbO3晶体中同时实现；差频过程中的两束差频光获取方式简单，整个系统结构紧凑、稳定性好且成本较低；通过改变光束扫描器的方向改变泵浦光入射角度，从而改变泵浦光与Stokes光谐振腔轴线的夹角，可以实现THz波的频率调谐输出。调谐方式简单，操作灵活；泵浦光循环使用，光学参量过程和光学差频过程的同时实现可以有效提高THz波的输出功率，提高THz波的光学转换效率。

Description

一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源
技术领域
本发明涉及一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源。
背景技术
太赫兹（Terahertz，简称THz，1THz=1012Hz）波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波,其波段介于毫米波和红外波之间。THz波与物质相互作用过程中包含丰富的物理、化学和生物信息，各种凝聚态物质和生物大分子的转动和集体振动频率都处在THz频段，因此THz波在高分辨率光谱学、医学成像、食品安全检测、环境监测、空间通信和国防安全等领域有广泛的应用价值。目前限制THz波技术快速发展的主要技术瓶颈之一就是缺乏高功率、可调谐、窄线宽、室温运转的相干THz波辐射源。
基于二阶非线性光学效应频率下转换产生太赫兹波辐射具有小型化、室温运转、相干性好、可调谐、窄线宽等优点。目前基于二阶非线性光学效应产生太赫兹波辐射主要有光学参量振荡技术和光学差频技术。
光学参量效应产生THz波辐射的原理是：功率足够强的泵浦光与MgO:LiNbO3晶体中同时具有红外活性和拉曼活性的晶格振动模耦合，激发出Stokes光子和电磁耦子，在电磁耦子色散曲线上小波矢处的受激电磁耦子散射就是THz波辐射。对于光学参量效应产生THz波辐射，主要有非共线相位匹配和准相位匹配技术。非共线相位匹配方式具有调谐方式简单的优点，但是泵浦光、Stokes光和THz波三者在空间上是分离的，限制了三波相互作用体积，所以其光学转换效率较低。准共线相位匹配方式可以满足泵浦光、Stokes光和THz波三者中的两者或者三者共线相互作用，所以其光学转换效率较高，但是THz波的频率调谐较困难。
光学差频产生THz波需要两个差频光，且两个差频光的频率差在THz波段。上述差频光可以利用工作在近简并点的双波长参量振荡器实现，但是差频光产生装置会使整个系统体积变大、稳定性变差且成本较高。光学差频产生THz波主要有非共线相位匹配、双折射相位匹配和Cherenkov相位匹配方式。非共线相位匹配方式具有调谐简单的优点，但是限制了三波相互作用。双折射相位匹配方式需要在DAST晶体、GaSe晶体或者ZnGeP2晶体中实现，但是这些晶体价格昂贵，且晶体质量不能保证，所以限制了差频技术的推广。Cherenkov相位匹配方式可以满足两个差频光共线相互作用，但是THz波与差频光在空间上是分开的，限制了三波间的相互作用体积，所以其光学转换效率也受到限制。
上述两种方式太赫兹的输出效率都比较低，光学转换效率也不高。针对这一问题，中国专利号201010605541.9公开了一种单泵浦输出光生太赫兹辐射方法及其产生装置，是基于两个参量下转换过程的THz波产生系统，该产生系统包括泵浦源、泵浦THz波参量振荡器，THz波参量发生器，THz波参量振荡器产生的信号光为THz波参量发生器提供差频用信号光，THz波参量振荡器和THz波参量发生器同时输出波长同步变化的同为闲频光的THz波，达到单泵浦源双太赫兹波输出的目的。但是该系统同时用到了PPsLT晶体和ZGP晶体，成本较高，结构也比较复杂，本发明提供了一种结构简单同时太赫兹波输出效率较高的产生装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，以解决现有太赫兹产生装置成本高、效率低、结构复杂的问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦源、望远镜缩束系统、第一反射镜、第一光束扫描器、由两个光学镜片构成的谐振腔、反射镜组、第二光束扫描器；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体侧面设有硅棱镜；
从泵浦源出射的泵浦光经望远镜缩束系统缩束后，再经第一反射镜和第一光束扫描器后进入谐振腔激励MgO:LiNbO3晶体，通过光学参量效应产生在谐振腔中振荡的Stokes光和第一级THz波，第一级THz波被硅棱镜耦合输出；从谐振腔出射的剩余泵浦光为循环泵浦光，循环泵浦光经反射镜组和第二光束扫描器后入射至谐振腔，并与Stokes光重合，循环泵浦光与Stokes光在MgO:LiNbO3晶体中差频产生第二级THz波，并被硅棱镜耦合输出。
构成谐振腔的两个光学镜片是一对平面镜，满足对泵浦光高透，对Stokes光高反的要求。
该太赫兹辐射源还包括用于吸收从谐振腔出射的循环泵浦光的泵浦光回收盒。
所述的MgO:LiNbO3晶体为长方体，切割方式为X-Y-Z，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体的Z轴，其通光面为Y-Z面，在Y-Z面抛光并镀增透膜。
所述硅棱镜为高阻硅棱镜，其底部紧贴在MgO:LiNbO3晶体的侧面，硅棱镜的两个锐角分别为40°和50°，产生的THz波垂直于硅棱镜的出射面出射。
所述泵浦源为脉冲激光器，单脉冲能量在30-1000mJ范围内，重复频率在1-100Hz范围内，脉宽在5-30ns范围内，波长在0.8-12μm范围内。
所述光束扫描器为全反射镜，用于对泵浦光全反射以改变泵浦光的入射方向。
本发明基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源与现有的基于光学参量效应或基于双波长差频效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：
（1）由一台普通的脉冲泵浦源可以同时实现光学参量过程和光学差频过程产生THz波，且整个装置仅需要一块价格便宜的MgO:LiNbO3晶体；光学参量过程和光学差频过程的同时实现可以有效提高THz波的输出功率，提高THz波的光学转换效率。
（2）相比于利用工作在近简并点的双波长参量振荡器来获得两束差频光，本发明所使用的两束差频光直接来源于循环泵浦光和光学参量过程中产生的Stokes光，两束差频光获取方式简单，整个系统结构紧凑、稳定性好且成本较低。
（3）泵浦光循环使用，可以有效提高光学转换效率。
（4）THz波产生的区域处在泵浦光和Stokes光交叠的区域，此区域正好处在MgO:LiNbO3晶体的浅表面上，产生的THz波直接被硅棱镜耦合输出，这样可以大大降低THz波在MgO:LiNbO3晶体中的传播距离，有效降低MgO:LiNbO3晶体对THz波的吸收，提高THz波的光学转换效率。
（5）通过改变光束扫描器的方向改变泵浦光入射角度，从而改变泵浦光与Stokes光谐振腔轴线的夹角，可以实现THz波的频率调谐输出。调谐方式简单，操作灵活。
附图说明
图1为本发明基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源实施例的结构原理图；
图2为光学参量效应三波相位匹配图；
图3为光学差频效应三波相位匹配图；
图4为光学参量过程和光学差频过程中THz波的频率和Stokes光的波长随相位匹配角β变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1所示为本发明基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源实施例的结构原理图。由图可知，该太赫兹辐射源包括泵浦源1、望远镜缩束系统2、第一反射镜3、第一光束扫描器4、由两个光学镜片9和10构成的谐振腔、反射镜组、第二光束扫描器5；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体15，MgO:LiNbO3晶体侧面设有硅棱镜14；
从泵浦源1出射的泵浦光经望远镜缩束系统2缩束后，再经第一反射镜3和第一光束扫描器4后进入谐振腔激励MgO:LiNbO3晶体15，并在MgO:LiNbO3晶体15内发生全反射，通过光学参量效应产生在谐振腔中振荡的Stokes光11和第一级THz波（三波相位匹配如图2所示），第一级THz波被硅棱镜14耦合输出；从谐振腔出射的剩余泵浦光为循环泵浦光13，循环泵浦光经反射镜组和第二光束扫描器5后入射至谐振腔，调节光束扫描器5的角度保证循环泵浦光13与Stokes光11重合，全反射点左边的循环泵浦光与全反射点右边的右行Stokes光在MgO:LiNbO3晶体中差频产生第二级THz波，三波满足非共线相位匹配条件（三波相位匹配如图3所示），第二级THz波被硅棱镜14耦合输出。
构成谐振腔的两个光学镜片是一对平面镜，与MgO:LiNbO3晶体15构成Stokes光谐振腔，满足对泵浦光高透，对Stokes光高反的要求。
泵浦源为脉冲激光器，单脉冲能量在30-1000mJ范围内，重复频率在1-100Hz范围内，脉宽在5-30ns范围内，波长在0.8-12μm范围内。本实施例采用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器，单脉冲能量为200mJ，波长为1064nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz，偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体的光轴。
MgO:LiNbO3晶体为长方体，掺杂浓度为5mol%，切割方向及尺寸为50mm（X轴）×6mm（Y轴）×6mm（Z轴），泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体的光轴即Z轴，通光面为Y-Z面，且在Y-Z面抛光并镀波长范围在1060-1080nm增透膜，在与硅棱镜接触的MgO:LiNbO3晶体的侧面即X-Z面抛光。
高阻硅棱镜底部紧贴在MgO:LiNbO3晶体的侧面，硅棱镜的两个锐角分别为40°和50°，产生的THz波垂直于高阻硅棱镜的出射面出射。
本实施例的反射镜组包括三个根据光路方向顺次设置的反射镜6、7和8。另外，该太赫兹辐射源还包括用于吸收从谐振腔出射的循环泵浦光的泵浦光回收盒16。
两个光束扫描器采用全反射镜，对泵浦光是全反射的，其角度可调，改变光束扫描器的角度可以改变泵浦光的入射方向。通过调节第一光束扫描器4的角度改变泵浦光的入射方向，从而改变泵浦光与Stokes光谐振腔轴线的夹角，以改变光学参量过程中的相位匹配条件来达到第一级THz波的频率调谐输出；改变第二光束扫描器5的角度可以改变循环泵浦光13的入射方向以达到与Stokes光11重合。
通过调节光学镜片9和10的方向来改变Stokes光谐振腔的轴线方向，从而改变全反射点左边的循环泵浦光13与全反射点右边的右行Stokes光11的夹角，以改变光学差频过程中的相位匹配条件来达到第二级THz波的频率调谐输出。第一级THz波和第二级THz波的频率相等，都等于泵浦光与Stokes光的频率之差。
整个THz波频率调谐过程要满足以下两个条件：α＝θ/3，β=2θ3。α角为Stokes光谐振腔轴线与MgO:LiNbO3晶体15的X轴之间的夹角，2α等于差频过程中全反射点左边的循环泵浦光13与全反射点右边的右行Stokes光11之间的相位匹配角；β角为Stokes光谐振腔轴线与泵浦光1之间的夹角，β角也是光学参量过程中泵浦光与Stokes光11之间的相位匹配角；θ角为泵浦光与MgO:LiNbO3晶体15的X轴之间的夹角。在本实施例中，β角变化范围为0.3°-1.5°。
经试验验证，调节两光束扫描器的角度，使β角从0.3°变化到1.5°，可以得到调谐范围在0.7-3.2THz的THz波辐射，同时可以得到波长范围在1066.6-1076.2nm的Stokes光辐射，如图4所示。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：包括泵浦源、望远镜缩束系统、第一反射镜、第一光束扫描器、由两个光学镜片构成的谐振腔、反射镜组和第二光束扫描器；谐振腔内设有MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体侧面设有硅棱镜；
从泵浦源出射的泵浦光经望远镜缩束系统缩束后，再经第一反射镜和第一光束扫描器后进入谐振腔激励MgO:LiNbO3晶体，通过光学参量效应产生在谐振腔中振荡的Stokes光和第一级THz波，第一级THz波被硅棱镜耦合输出；从谐振腔出射的剩余泵浦光为循环泵浦光，循环泵浦光经反射镜组和第二光束扫描器后入射至谐振腔，并与Stokes光重合，循环泵浦光与Stokes光在MgO:LiNbO3晶体中差频产生第二级THz波，并被硅棱镜耦合输出。
2.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：构成谐振腔的两个光学镜片是一对平面镜，满足对泵浦光高透，对Stokes光高反的要求。
3.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：该太赫兹辐射源还包括用于吸收从谐振腔出射的循环泵浦光的泵浦光回收盒。
4.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：所述的MgO:LiNbO3晶体为长方体，切割方式为X-Y-Z，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体的Z轴，其通光面为Y-Z面，在Y-Z面抛光并镀增透膜。
5.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：所述硅棱镜为高阻硅棱镜，其底部紧贴在MgO:LiNbO3晶体的侧面，硅棱镜的两个锐角分别为40°和50°，产生的THz波垂直于硅棱镜的出射面出射。
6.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：所述泵浦源为脉冲激光器，单脉冲能量在30-1000mJ范围内，重复频率在1-100Hz范围内，脉宽在5-30ns范围内，波长在0.8-12μm范围内。
7.根据权利要求1所述的基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一、第二光束扫描器均为全反射镜，用于对泵浦光全反射以改变泵浦光的入射方向。
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