CN104237164A - 非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法，属于太赫兹波技术应用领域。本发明通过双KTP晶体组成的光学参量振荡器产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光，通过平移晶体改变差频光穿过晶体的厚度，测量太赫兹波输出能量，太赫兹波能量最大的位置对应于晶体厚度恰好等于差频过程中的相干长度，通过测量相干长度计算出晶体在太赫兹波段的折射率。改变两束差频光的波长可以得到波长调谐的太赫兹波，从而可以得到非线性光学晶体在整个太赫兹波段的折射率；同时还可通过温度调节装置改变非线性光学晶体的温度得到非线性光学晶体在20-200℃范围内的太赫兹波折射率，并且本发明结构简单，成本较低。

Description

非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法，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。太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置决定了其具有很多独特的性质：(1)“指纹”特性，太赫兹波与物质相互作用时包含了丰富的物理化学信息，大多数分子在太赫兹波段具有特征谱线；(2)低能性，太赫兹光子能量约为X射线的百万分之一，不会引起生物组织的有害电离；(3)穿透性，太赫兹波对非极性物质(如纸、塑料等包装物及衣物)具有较高的穿透性。基于这些优点，太赫兹技术在物理、化学、分子光谱和生命科学等基础研究领域，以及医学成像、食品检验、环境污染监测和安检等应用研究领域具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

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。基于二阶非线性光学效应光学差频产生太赫兹波的方法具有可调谐、窄线宽、结构紧凑、室温运转等特性。由于目前二阶非线性光学晶体，如铌酸锂、钽酸锂、硒化镓、磷化镓、磷锗锌、DAST等晶体在太赫兹波段的折射率没有准确测量数值，特别是这些晶体在太赫兹波段的折射率随温度变化没有准确测量数值，使光学差频产生太赫兹波过程中相位匹配条件不能严格满足，严重限制了太赫兹波的输出功率和转换效率。因此，准确测量二阶非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率对通过光学差频产生高功率、高效率太赫兹波具有重要意义。

针对这一问题，中国专利申请号201310269905.4公开了一种利用太赫兹时域光谱技术测量物理折射率的方法，该系统包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、太赫兹发射源、样品测试装置、太赫兹探测器、计算机和用于盖住凹陷测试圆斑的顶盖。该系统只能测量常温下晶体在太赫兹波段的折射率，不能测量晶体的折射率随温度的变化情况，而且飞秒激光器和太赫兹发射源，价格昂贵，成本较高，整套系统结构也比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的装置及方法，以解决现有非线性晶体测量过程由于采用飞秒激光器和太赫兹发射源导致的价格昂贵、成本较高以及结构复杂等问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，该测量装置包括设置在同一光路上的泵浦光源、KTP光学参量振荡器和太赫兹波探测系统，

所述泵浦光源用于产生激光入射至KTP光学参量振荡器；

所述KTP光学参量振荡器用于根据接收到激光产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；

所述太赫兹波探测系统用于测量穿过待测非线性光学晶体太赫兹波的能量。

所述KTP光学参量振荡器由两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置在两个平面镜之间。

所述的测量装置还包括设置在KTP光学参量振荡器和待测非线性光学晶体之间光路上的光学起偏系统，该光学起偏系统由四分之一波片和格兰棱镜构成，用于将KTP光学参量振荡器产生的两束差频光的偏振方向变为平行。

所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。

所述的测量装置还包括用于改变待测非线性光学晶体温度的温度调节装置。

本发明为解决上述技术问题还提供了一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；

2)平移待测非线性光学晶体，测量平移过程穿过待测非线性光学晶体输出的太赫兹波能量；

3)计算输出的太赫兹波能量最大的位置所对应穿过待测非线性光学晶体的厚度，该厚度即为差频过程中的相干长度；

4)根据得到的相干长度计算待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。

所述步骤4)中折射率的计算公式如下：

$L_C=\frac{1}{2(\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_T}{{\mathrm{\λ}}_T})}$

其中λ₁、λ₂和λ_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的波长，n₁、n₂和n_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的折射率，L_C为相干长度。

所述步骤1)中的两束差频激光是由泵浦光源通过KTP光学参量振荡器产生，所述KTP光学参量振荡器有两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置在两个平面镜之间。

所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。

所述测量过程中，可通过温度调节装置使待测非线性光学晶体的温度在设定温度范围内变化，以得到在设定温度范围内待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。

本发明的有益效果是：本发明通过双KTP晶体组成的光学参量振荡器产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光，非线性光学晶体的厚度均匀变化，通过平移晶体改变差频光穿过晶体的厚度，测量太赫兹波输出能量，太赫兹波能量最大的位置对应于晶体厚度恰好等于差频过程中的相干长度，通过测量相干长度可以计算出晶体在太赫兹波段的折射率。改变两束差频光的波长可以得到波长调谐的太赫兹波，从而可以得到非线性光学晶体在整个太赫兹波段的折射率。同时通过温度调节装置改变非线性光学晶体的温度可以得到非线性光学晶体在20-200℃范围内的太赫兹波折射率。本发明结构简单，成本较低，整套装置只需要一台普通的脉冲泵浦源，两块普通的KTP晶体、若干光学镜片、一块格兰棱镜和一台太赫兹波能量探测设备。

附图说明

图1是本发明实施例中所采用测量系统的结构原理图；

图2是本发明实施例中的待测非线性晶体的外形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置的实施例

如图1所示，本发明非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置包括泵浦光源1、KTP光学参量振荡器、光学起偏系统和太赫兹波探测系统，待测非线性光学晶体设置在光学起偏系统和太赫兹波探测系统之间，泵浦光源用于产生激光入射至KTP光学参量振荡器；KTP光学参量振荡器用于根据接收到激光产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；太赫兹波探测系统用于测量穿过待测非线性光学晶体太赫兹波的能量。本实施例中待测非线性光学晶体为GaP晶体，待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，这以3⁰为例，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。如图2所示，两束差频光沿GaP晶体<110>方向即X轴方向传播，差频光的偏振方向沿晶体的<111>方向即Z轴方向。X轴方向上d₁和d₂长度分别为50和500μm，Y和Z方向尺寸分别为20和5mm。

其中KTP光学参量振荡器由平面镜2、平面镜5和设置在二者之间的两块相同的KTP晶体3、4构成，KTP晶体3和KTP晶体4对称放置，即KTP晶体3沿Z轴旋转180°得到KTP晶体4，这样放置可以消除差频光λ₁和λ₂在KTP晶体中的走离，差频光λ₁和λ₂在由镜片2和5组成的谐振腔中振荡放大，经镜片5输出，并由滤波镜6滤除掉泵浦光。

KTP晶体参量过程产生的差频光λ₁和λ₂偏振方向互相垂直，晶体10决定差频过程中的相位匹配方式，当晶体10要求差频光λ₁和λ₂的偏振方向平行时，光路中需要加上光学起偏系统，这里光学起偏系统由四分之一波片7和格兰棱镜8构成，KTP晶体参量过程产生的差频光λ₁和λ₂经过四分之一波片7和格兰棱镜8后两者偏振方向变为平行，否则，则不需要光学起偏系统，可直接将光波λ₁和λ₂入射晶体10，入射晶体10通过光学差频效应产生太赫兹波，太赫兹波经聚乙烯透镜11聚焦到Bolometer13，光波λ₁和λ₂由镀有红外光全反射膜的锗片12滤除。

本实施例采用的KTP晶体3和4的尺寸为15mm(X轴)×7mm(Y轴)×8mm(Z轴)，切割角度θ等于49.5°，等于0°。KTP晶体3和KTP晶体4对称放置，即KTP晶体3沿Z轴旋转180°得到KTP晶体4，这样放置可以消除差频光λ₁和λ₂在KTP晶体中的走离。通过同步调节KTP晶体3和4的方位角可以得到波长调谐的差频光λ₁和λ₂，λ₁的范围在1.82-2.128μm，λ₂的范围在2.128-2.56μm，λ₁和λ₂差频得到太赫兹波的范围在0-47.6THz，完全覆盖太赫兹波段。

本实施例采用的镜片2对1064nm光高透，对1800-2500nm光高反。镜片5对1800-2500nm光透过率为20％。滤波镜6对1064nm光45°角高反射，对1800-2500nm高透。锗片12对1800-2500nm高反。

该测量装置的测量过程如下：泵浦光源1发出的泵浦光入射两块完全相同的KTP晶体3和4，经光学参量效应产生两束差频光λ₁和λ₂，经由滤波镜6滤除掉泵浦光，经过四分之一波片7和格兰棱镜8后两者偏振方向变为平行，光波λ₁和λ₂入射至晶体10，通过光学差频效应产生太赫兹波，太赫兹波经聚乙烯透镜11聚焦到Bolometer13，光波λ₁和λ₂由镀有红外光全反射膜的锗片12滤除。在Y轴方向上平移晶体10以改变光波λ₁和λ₂穿过晶体的厚度，每平移一个步长Bolometer13测量一次太赫兹波的能量，这样可以得到一条太赫兹波能量随晶体厚度的变化曲线。光波λ₁、λ₂和λ_T在非线性晶体10中不能满足完全相位匹配，当晶体厚度小于相干长度L_C时，两束差频光λ₁和λ₂的能量单调的转换为太赫兹波能量；当晶体厚度等于相干长度L_C时，太赫兹能量取得最大值；当晶体厚度大于相干长度L_C时，太赫兹波λ_T能量又将转化为差频光λ₁和λ₂，太赫兹波能量下降，所以只有当晶体厚度等于相干长度L_C时输出的太赫兹波能量才最大，即曲线上太赫兹波能量最大处对应于晶体的厚度等于光波λ₁和λ₂在晶体中的相干长度L_C。

通过公式(1)计算出太赫兹波λ_T的折射率n_T。通过调节KTP晶体3和4的方位角可以得到波长调谐的λ₁和λ₂，从而得到波长调谐的太赫兹波。每一个太赫兹波波长λ_T对应于一个L_C，通过测量不同的L_C可以得到GaP晶体在整个太赫兹波段的折射率。

$L_C=\frac{1}{2(\frac{n_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}-\frac{n_T}{{\mathrm{\&lambda;}}_T})}---\left(1\right)$

其中λ₁、λ₂和λ_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的波长，n₁、n₂和n_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的折射率，L_C为相干长度。

λ₁和λ₂可以通过光谱仪测量，而太赫兹波的频率等于差频光λ₁和λ₂的频率差，所以λ_T可以通过λ₁和λ₂计算得到。n₁和n₂为差频光λ₁和λ₂在近红外波段的折射率，已经有准确数据。所以可以由L_C通过公式(1)计算出太赫兹波λ_T的折射率n_T。通过调节KTP晶体3和4的方位角可以得到波长调谐的λ₁和λ₂，从而得到波长调谐的太赫兹波。每一个太赫兹波波长λ_T对于一个L_C，通过测量不同的L_C可以得到晶体10在整个太赫兹波段的折射率。

为了能够测量晶体10不同温度下的折射率，本发明的测量装置还包括一温度调节装置9，该温度调节装置包括加热元件和测温元件，其中加热元件用于为待测量的晶体10进行加热，测温元件用于测量待测量的晶体10的温度，加热元件可采用电阻丝和铜片，测温元件可采用热电偶和温度传感器实现。通过温度调节装置9使晶体10的温度在20-200℃范围内变化，重复上述测量过程，可以得到在20-200℃范围内晶体10在太赫兹波段的折射率。

本发明的一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法的实施例

本发明所提供的一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法的具体步骤如下：

1.产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光。

本实施中的两束差频光由泵浦光源通过KTP光学参量振荡器产生，KTP光学参量振荡器有两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置在两个平面镜之间，其具体的结构如图1所示，已在本发明的一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置的实施例中进行了详述，这里不再具体说明。

2.平移待测非线性光学晶体，测量平移过程穿过待测非线性光学晶体输出的太赫兹波能量。

本实施例中待测非线性光学晶体为GaP晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于3°，厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面，如图2所示。两束差频光沿GaP晶体<110>方向即X轴方向传播，差频光的偏振方向沿晶体的<111>方向即Z轴方向，X轴方向上d₁和d₂长度分别为50和500μm，Y和Z方向尺寸分别为20和5mm。

在Y轴方向上平移晶体10以改变光波λ₁和λ₂穿过晶体的厚度，每平移一个步长Bolometer13测量一次太赫兹波的能量，这样可以得到一条太赫兹波能量随晶体厚度的变化曲线。

3.计算输出的太赫兹波能量最大的位置所对应穿过待测非线性光学晶体的厚度，该厚度即为差频过程中的相干长度。

曲线上太赫兹波能量最大处对应于晶体的厚度等于光波λ₁和λ₂在晶体中的相干长度L_C。光波λ₁、λ₂和λ_T在非线性晶体10中不能满足完全相位匹配，当晶体厚度小于相干长度L_C时，两束差频光λ₁和λ₂的能量单调的转换为太赫兹波能量；当晶体厚度等于相干长度L_C时，太赫兹能量取得最大值；当晶体厚度大于相干长度L_C时，太赫兹波λ_T能量又将转化为差频光λ₁和λ₂，太赫兹波能量下降，所以只有当晶体厚度等于相干长度L_C时输出的太赫兹波能量才最大。

4.根据得到的相干长度计算待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。

相干长度L_C等于

$L_C=\frac{1}{2(\frac{n_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}-\frac{n_T}{{\mathrm{\&lambda;}}_T})}$

式中λ₁、λ₂和λ_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的波长，n₁、n₂和n_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的折射率。λ₁和λ₂可以通过光谱仪测量，而太赫兹波的频率等于差频光λ₁和λ₂的频率差，所以λ_T可以通过λ₁和λ₂计算得到。n₁和n₂为差频光λ₁和λ₂在近红外波段的折射率，已经有准确数据。所以可以由L_C通过上述公式计算出太赫兹波λ_T的折射率n_T。

5.通过调节KTP晶体3和4的方位角可以得到波长调谐的λ₁和λ₂，从而得到波长调谐的太赫兹波，每一个太赫兹波波长λ_T对于一个L_C，通过测量不同的L_C可以得到晶体10在整个太赫兹波段的折射率。

为了能够测量晶体10不同温度下的折射率，测量时，通过对待测量晶体10进行温度调节，本实施例中通过一温度调节装置9对待测量晶体10进行温度调节，该温度调节装置包括加热元件和测温元件，其中加热元件用于为待测量的晶体10进行加热，测温元件用于测量待测量的晶体10的温度，加热元件可采用电阻丝和铜片，测温元件可采用热电偶和温度传感器实现。通过温度调节装置9使晶体10的温度在20-200℃范围内变化，重复上述测量过程，可以得到在20-200℃范围内晶体10在太赫兹波段的折射率。

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 (10)

1.一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，该测量装置包括设置在同一光路上的泵浦光源、KTP光学参量振荡器和太赫兹波探测系统，

所述泵浦光源用于产生激光入射至KTP光学参量振荡器；

所述KTP光学参量振荡器用于根据接收到激光产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；

所述太赫兹波探测系统用于测量穿过待测非线性光学晶体太赫兹波的能量。

2.根据权利要求1所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，所述KTP光学参量振荡器由两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置在两个平面镜之间。

3.根据权利要求2所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，所述的测量装置还包括设置在KTP光学参量振荡器和待测非线性光学晶体之间光路上的光学起偏系统，该光学起偏系统由四分之一波片和格兰棱镜构成，用于将KTP光学参量振荡器产生的两束差频光的偏振方向变为平行。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。

5.根据权利要求4所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，所述的测量装置还包括用于改变待测非线性光学晶体温度的温度调节装置。

6.一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；

2)平移待测非线性光学晶体，测量平移过程穿过待测非线性光学晶体输出的太赫兹波能量；

3)计算输出的太赫兹波能量最大的位置所对应穿过待测非线性光学晶体的厚度，该厚度即为差频过程中的相干长度；

4)根据得到的相干长度计算待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。

7.根据权利要求6所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中折射率的计算公式如下：

$L_C=\frac{1}{2(\frac{n_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}-\frac{n_T}{{\mathrm{\&lambda;}}_T})}$

其中λ₁、λ₂和λ_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的波长，n₁、n₂和n_T分别为差频光λ₁、λ₂和太赫兹波的折射率，L_C为相干长度。

8.根据权利要求7所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中的两束差频激光是由泵浦光源通过KTP光学参量振荡器产生，所述KTP光学参量振荡器有两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置在两个平面镜之间。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入射面为竖直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。

10.根据权利要求9所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，所述测量过程中，可通过温度调节装置使待测非线性光学晶体的温度在设定温度范围内变化，以得到在设定温度范围内待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。