CN104037595A - 一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于：包括泵浦光源、太赫兹波辐射源、MgO:LiNbO₃晶体。泵浦光入射MgO:LiNbO₃晶体，并在晶体内发生多次全反射；太赫兹波入射MgO:LiNbO₃晶体，与泵浦光在晶体内相交，调整泵浦光入射角度，泵浦光与太赫兹波满足非共线相位匹配条件，在MgO:LiNbO₃晶体内混频，通过光学参量效应产生了斯托克斯光，同时太赫兹波被放大，并从晶体的另一侧射出；在太赫兹波的整个通光路径上，都有泵浦光与其发生光学参量效应，所以太赫兹波在其光路上一直被放大。通过改变泵浦光的入射角度来改变泵浦光与太赫兹波的夹角，可以实现宽频率范围内的太赫兹波放大。

Description

一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器

技术领域

本发明涉及一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器，属于太赫兹波技术应用领域。

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。太赫兹技术被广泛用于生物医学、环境检测、安全检查和天文学等诸多领域。太赫兹时域光谱技术是太赫兹技术应用最成功的领域之一，是研究太赫兹波段物理、化学过程的重要手段。目前，太赫兹时域光谱技术正在成为研究生物分子动力学、结构和功能的重要工具。太赫兹辐射可以穿透大多数绝缘体，所以太赫兹波成像技术可以应用于行包检查、芯片质量监控、点钞、反恐、缉毒等方面。

但是，目前限制太赫兹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、室温运转的相干太赫兹波辐射源。目前太赫兹波的产生方法主要有电子学方法和光子学方法。电子学方法主要有自由电子激光器、量子级联激光器、返波振荡器、耿氏振荡器、纳米速调管。电子学方法是将电磁辐射的频率从毫米波延伸到太赫兹波段，但是当频率高于1THz时会遇到很大的困难，效率变的很低；同时电子学方法产生的太赫兹波辐射源体积庞大，限制了其在很多领域中的应用。光子学方法主要有光整流、光电导、光学差频、光学参量振荡、光泵气体等方法，其主要原理是把可见光或者红外光向太赫兹波段转换。这种方法的优点是可以产生方向性和相干性很好的太赫兹波辐射，但是现阶段其功率和效率都比较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学参量效应太赫兹波放大器，用以解决现有太赫兹波功率低、效率低等问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器，包括：泵浦光源1、太赫兹波辐射源6、MgO:LiNbO₃晶体8；MgO:LiNbO₃晶体8具有至少两个相对的反射面，使泵浦光源1产生的泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体8内发生至少两次全反射，且在太赫兹波辐射源6的发射方向上与太赫兹波发生至少两次相交。

在反射面的设定位置镀有全反射膜。

MgO:LiNbO₃晶体8具有两个平行的反射面。

在泵浦光射出MgO:LiNbO₃晶体8的位置处设置一泵浦光回收装置10。

在泵浦光源1产生的泵浦光光路上依次设置有望远镜缩束系统2、第一反射镜3、第二反射镜4。

太赫兹波辐射源6产生的太赫兹波光路上还设置有金属网栅偏振片7。

本发明的有益效果是，泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体中发生多次全反射，太赫兹波在MgO:LiNbO₃晶体中的通光路径上都有泵浦光与其发生光学参量效应，所以太赫兹波在其光路上一直被放大，可以有效提高泵浦光利用效率和太赫兹波放大倍率；通过改变泵浦光的入射方向来改变泵浦光与入射太赫兹波之间的夹角，可以实现0.8-3THz范围内的太赫兹波放大。本发明的整个装置常温运转、结构简单紧凑、稳定性好且成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理图；

图2为MgO:LiNbO₃晶体中泵浦光和太赫兹波发生相互作用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的原理是通过光学参量效应放大太赫兹波：入射的太赫兹波作为种子光入射MgO:LiNbO₃晶体，并与泵浦光满足非共线相位匹配条件。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，激发出斯托克斯光子和受激电磁耦子即太赫兹波光子。在此光学参量过程中，一个泵浦光子产生了一个斯托克斯光子和一个太赫兹光子，所以在此光学参量过程中入射的太赫兹光被放大。光学参量过程中泵浦光的循环使用可以满足在太赫兹波的整个通光路径上，都有泵浦光与其发生光学参量效应，所以太赫兹波在其光路上一直被放大，从而有效提高太赫兹波放大效率。

本发明的基本方案是一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器，包括：泵浦光源、太赫兹波辐射源、MgO:LiNbO₃晶体；MgO:LiNbO₃晶体具有至少两个相对的反射面，使泵浦光源产生的泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体内发生至少两次全反射，且在太赫兹波辐射源的发射方向上与太赫兹波发生至少两次相交。

依据上述基本方案，下面给出一种具体实施例。

如图1所示为本发明实施例的结构原理图。该太赫兹波放大器包括泵浦光源1、望远镜缩束系统2、第一反射镜3、第二反射镜4、太赫兹波辐射源6、金属网栅偏振片7、MgO:LiNbO₃晶体8、泵浦光回收装置10。

从泵浦光源1出射的泵浦光经望远镜缩束系统2缩束以提高能量密度，再经第一反射镜3和第二反射镜4后入射MgO:LiNbO₃晶体8,其中第二反射镜4可以改变反射角度，如图1所示，泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体8内发生多次全反射。

泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体8内至少两个平面发生全反射，为了防止泵浦光在每次反射时的反射角为直角，并且为了使MgO:LiNbO₃晶体进行比较容易的加工，给MgO:LiNbO₃晶体8选择一个具体形状，所以选择一个有代表性的平行四边体作为具体实施例，如图1所示，MgO掺杂浓度为5mol％，尺寸为10mm(X轴)×22.8mm(Y轴)×5mm(Z轴)，晶体X-Y面平行四边形的锐角为66.3°。泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶体的光轴，通光面为Y-Z面和X-Z面，通光面抛光。

如图2所示，在晶体的两个Y-Z平面镀泵浦光全反射膜，远离泵浦光源1的Y-Z平面全部区域镀全反射膜；靠近泵浦光源1的Y-Z平面部分区域镀全反射膜。在泵浦光入射MgO:LiNbO₃晶体的位置处附近一片区域未镀反射膜，未镀膜区域在Y方向上的宽度为1.5倍泵浦光直径，以使泵浦光在改变入射角度的时候也能射入晶体内；在泵浦光射出MgO:LiNbO₃晶体的位置处设置未镀膜的长度，长度为10*cos(66.3°)mm，即4mm，镀膜区域如图2所示。

MgO:LiNbO₃晶体8内的泵浦光分为两组，一组是与泵浦光5平行且方向相同的泵浦光，这里称A组泵浦光；另一组是与泵浦光9平行且方向相同的泵浦光，这里称为B组泵浦光。太赫兹波辐射源6发射的太赫兹波经金属网栅偏振片7后其偏振方向平行于泵浦光偏振方向并入射MgO:LiNbO₃晶体8。调节第二反射镜4的反射角度来改变泵浦光5的入射角度，使A组泵浦光和太赫兹波满足非共线相位匹配条件，太赫兹波在MgO:LiNbO₃晶体8内与泵浦光混频发生光学参量效应，产生斯托克斯光，且入射的太赫兹波被放大。A组泵浦光在MgO:LiNbO₃晶体8内充满整个太赫兹波光路，所以太赫兹波在整个通光路径上被一直放大，然后射出晶体，如图2所示。经过多次循环使用的泵浦光9从MgO:LiNbO₃晶体8中没有镀全反射膜的部分出射，并被泵浦光回收装置10回收。

泵浦光源1为脉冲激光器，单脉冲能量在20-1000mJ范围内，重复频率在1-200Hz范围内，脉宽在1-100ns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300mJ，波长为1064nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz，泵浦光直径为1mm，偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶体的光轴。

本实施例中入射太赫兹波频率为1.5THz，经过金属网栅偏振片7后其偏振方向平行于泵浦光偏振反向。频率为1.5THz的太赫兹波与1064nm泵浦光之间的相位匹配角为64.3°。MgO:LiNbO₃晶体X-Y面平行四边形的锐角为66.3°。调节第二反射镜4的方向使泵浦光5在第一个全反射点的入射角为2°，这样可以保证泵浦光和太赫兹波之间的相位匹配角为64.3°。入射角为2°的泵浦光5在晶体内部经历62次全反射后从晶体出射。A组泵浦光由光束直径为1mm的31条泵浦光组成，可以充满太赫兹波的整个通光路径，所以太赫兹波穿过晶体过程中会被放大31次。

当入射的太赫兹波的频率在0.8-3THz范围内，可以通过调节第二反射镜4的方向使入射太赫兹波和泵浦光满足非共线相位匹配条件，泵浦光和太赫兹波之间发生光学参量效应从而放大太赫兹波。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，所述太赫兹波放大器包括：泵浦光源(1)、太赫兹波辐射源(6)、MgO:LiNbO₃晶体(8)；所述MgO:LiNbO₃晶体(8)具有至少两个相对的反射面，使所述泵浦光源(1)产生的泵浦光在所述MgO:LiNbO₃晶体(8)内发生至少两次全反射，且在所述太赫兹波辐射源(6)的发射方向上与太赫兹波发生至少两次相交。

2.根据权利要求1所述的基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，在所述反射面的设定位置镀有全反射膜。

3.根据权利要求2所述的基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，所述MgO:LiNbO₃晶体(8)具有两个平行的反射面。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，在泵浦光射出MgO:LiNbO₃晶体(8)的位置处设置一泵浦光回收装置(10)。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，在所述泵浦光源(1)产生的泵浦光光路上依次设置有望远镜缩束系统(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于光学参量效应的太赫兹波放大器，其特征在于，所述太赫兹波辐射源(6)产生的太赫兹波光路上还设置有金属网栅偏振片(7)。