CN105742944B - 一种双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长、窄线宽、工作稳定性高的太赫兹波参量振荡器，其谐振腔由直角三棱镜、45°全反镜、双闪耀光栅、第一平面全反镜和第二平面全反镜构成；谐振腔内置有MgO:LiNbO3晶体，其表面安放有硅棱镜阵列装置；泵浦光入射谐振腔，并与谐振腔腔轴成1.5°夹角。双闪耀光栅为交叉周期双闪耀光栅，其中一种闪耀角对应‑1级衍射效率最高，另一种闪耀角对应‑2级衍射效率最高，且两者衍射效率近似相等。可分别通过旋转45°全反镜、双闪耀光栅、第一平面全反镜和第二平面全反镜，均可实现任意双波长的太赫兹波调谐输出，且双波长输出互不影响。可广泛用于太赫兹波雷达、精细光谱分析、生物医学成像、太赫兹通讯等太赫兹光电子技术领域。

Description

一种双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器
技术领域
本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，其波段位于30μm～3mm之间，是处于毫米波和红外波、电子学与光子学的过渡区域。由于太赫兹波具有高穿透性、低能性、高相干性以及指纹特性等特性，因此目前被广泛应用于生物、物理、化学、天文学、医药科学等基础研究领域，以及生物医学成像、活体检测、通讯雷达、国家安全与防恐等应用技术研究领域。性能优良的太赫兹波辐射源研制是太赫兹波光电子技术得以快速发展的主要关键技术之一，因此研制出相干性高，单色性好，且可在室温下连续运转的太赫兹波辐射源成为了目前国内外众多科学家研究的热点。
太赫兹波参量振荡器是一种性能优良的太赫兹波辐射源，可产生相干性高、单色性好、连续可调谐的太赫兹波，并且体积小、结构简单紧凑，可在室温下运转。相对于非线性差频方法，其只需要一个泵浦波源和一个相对廉价的非线性晶体，操作更为简单，且转化效率较高。
常见的太赫兹波参量振荡器通常采用平—平腔型结构谐振腔，利用角度调谐方式，即通过旋转放置其谐振腔的平台来改变谐振腔腔轴与泵浦光之间的夹角，便可实现对Stokes光的选频振荡输出。根据能量守恒条件，也就实现了太赫兹波的波长连续调谐输出。这种常见的平—平腔型结构太赫兹波参量振荡器，频率调谐方式较为单一，且一般只能产生一束窄带、连续可调谐的太赫兹波。通过利用旋转放置其谐振腔的平台的方法实现波长调谐输出时，装置的机械稳定性也较差，且太赫兹波波长的精细调谐也有待进一步提高。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种可实现双波长、窄线宽、工作稳定性高的太赫兹波参量振荡器。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，包括一个谐振腔，其特征在于，所述的谐振腔由直角三棱镜、45°全反镜、双闪耀光栅、第一平面全反镜和第二平面全反镜构成；谐振腔内置有MgO:LiNbO3晶体，其表面安放有硅棱镜阵列装置；泵浦光入射谐振腔，并与谐振腔腔轴成1.5°夹角，产生的双波长连续可调谐太赫兹波通过硅棱镜阵列装置出射。
根据本发明，所述双闪耀光栅为交叉周期双闪耀光栅，其中一种闪耀角对应-1级衍射效率最高，另一种闪耀角对应-2级衍射效率最高，且两者衍射效率近似相等。该双闪耀光栅可绕中心轴旋转。
所述45°全反镜镀45°全反膜，且可绕中心轴旋转。
所述直角三棱镜的通光面为其直角所对应的斜面，且斜面上镀有增透膜。
所述第一平面全反镜和第二平面全反镜均镀有全反膜，且可绕中心轴旋转。两个平面全反镜置于双闪耀光栅两级衍射传输路径上，可将双闪耀光栅衍射出的两级衍射光按原路反射回至光栅中。
所述泵浦光是紧贴于MgO：LiNbO3晶体的X-Z面入射。
所述硅棱镜阵列装置由若干硅棱镜组成，硅棱镜各角的角度分别为40°，50°和90°。
本发明的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，是一种体积小、结构简单紧凑、价格低廉的窄线宽、双波长可连续调谐的太赫兹波相干辐射源，与常见的太赫兹波参量振荡器相比，有以下优点：
(1)常见的太赫兹波参量振荡器通常采用平—平镜腔型结构，通过改变谐振腔与泵浦光之间的夹角，只能实现一束太赫兹波波长连续调谐输出。本发明所提供的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其谐振腔是由两个平面全反镜、双闪耀光栅、45°全反镜和直角三棱镜构成。可分别通过旋转45°全反镜、双闪耀光栅、第一平面全反镜和第二平面全反镜，均可实现任意双波长的太赫兹波输出，且双波长输出互不影响，波长调谐方式灵活多样。
(2)当具有一定空间角度色散特性的宽带Stokes光入射到双闪耀光栅时，其各级衍射光的空间色散特性将会进一步变大。因此，当双闪耀光栅对应的-1级和-2级Stokes衍射光在第一和第二平面全反镜与直角三棱镜组成的谐振腔中振荡时，便会实现线宽更窄的Stokes光振荡。根据三波能量守恒条件，便可实现太赫兹波更为精细的频率调谐输出。
(3)当直角三棱镜的斜面作为通光面时，直角棱镜具有一定的全内反平行反射特性。因此，在本发明涉及的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，在其谐振腔中引入直角棱镜，在一定程度上提高了太赫兹波参量振荡器的抗失谐性能。
附图说明
图1为本发明的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器整体结构示意图；
图2为三波非共线相位匹配示意图；
图3为双闪耀光栅示意图。
图中的标号分别表示，1、Nd:YAG激光器，2、望远镜缩束系统，3、MgO：LiNbO3晶体，4、硅棱镜阵列耦合装置，5、直角三棱镜，6、45°全反镜，7、双闪耀光栅，8、第一平面反射镜，9、第二平面反射镜，10、输出太赫兹波。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参见图1，图1是本发明的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器整体结构示意图。包括一个谐振腔，谐振腔由直角三棱镜5、45°全反镜6、双闪耀光栅7、第一平面全反镜8和第二平面全反镜9构成；谐振腔内置有MgO:LiNbO3晶体3，其表面安放有硅棱镜阵列装置4；泵浦光入射谐振腔，并与谐振腔腔轴成1.5°夹角；产生的双波长连续可调谐太赫兹波10通过硅棱镜阵列装置中的硅棱镜阵列4出射。
本实施例给出的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，利用电光调Q脉冲Nd：YAG激光器1的基频光(1064nm)输出作为泵浦源，其偏振方向平行于太赫兹波参量振荡器的工作物质MgO：LiNbO3晶体3(掺杂浓度为5％mol)的Z轴方向。利用望远镜缩束系统2将泵浦光光斑直径缩束成2mm，以提高其光束的能量密度，然后沿X轴方向垂直入射工作物质MgO：LiNbO3晶体3，并尽量靠近MgO：LiNbO3晶体3的用作太赫兹波输出面的X-Z面。
MgO：LiNbO3晶体3的切割方式及尺寸为60mm(X轴)×10mm(Y轴)×5mm(Z轴)，并对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1070nm的增透膜；MgO：LiNbO3晶体3的X-Z面亦进行光学抛光。
当泵浦光入射MgO：LiNbO3晶体3时，基于受激电磁耦子散射过程，将产生太赫兹波辐射10和沿着Y轴方向具有一定的空间角度色散特性的宽带Stokes光，且泵浦光波矢kPump、振荡的斯托克斯光波矢kStokes和产生的太赫兹波波矢kTHz满足非共线相位匹配过程(如图2所示)。产生的太赫兹波10将从MgO：LiNbO3晶体3的X-Z面处出射。为了避免太赫兹波在晶体中发生全反射，提高其耦合输出效率，利用高电阻率硅(>10KΩ·cm-1)制成由若干个棱镜组成的硅棱镜阵列耦合装置4作为太赫兹波输出耦合器。
硅棱镜阵列耦合装置4由若干硅棱镜组成，硅棱镜按90°、50°和40°切割，硅棱镜底面长度为10mm，厚度为5mm，对斜面和50°角所对的直角面进行光学抛光。将硅棱镜阵列的底面紧贴于MgO：LiNbO3晶体3用作太赫兹波10出射的X-Z面。此时，太赫兹波10将基本垂直于硅棱镜50°角所对的直角面耦合输出。
具有一定的空间角度色散特性的宽带Stokes光在本实施例的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器中振荡，将会实现选频、窄线宽振荡输出。该双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器的谐振腔由直角三棱镜5、45°全反镜6、双闪耀光栅7、第一平面全反镜8和第二平面全反镜9构成。
其中，直角三棱镜5为K9玻璃或熔融石英制成，其厚度和两个直角边长都为5mm。直角三棱镜5的斜面作为通光面，表面镀有中心波长为1070nm的增透膜。直角三棱镜5的通光面的法线方向(即谐振腔腔轴方向)与泵浦光的夹角为1.5°。直角三棱镜5在这种使用情况时，当入射光以小于5°的入射角并垂直于直角棱进入直角三棱镜5斜面时，入射光将在其内部的两个直角面发生全反射后从斜面射出。出射光方向与入射光方向平行，且偏振方向不发生变化。也就是说，当直角三棱镜5绕直角棱方向发生小于±5°旋转时，反射光仍始终与入射光平行。这样，直角三棱镜5的引入会使得该谐振腔在一定程度上具有较高的抗失谐能力。
经过直角棱镜5反射的宽带Stokes光，经过45°全反镜6反射，以入射角为25°入射至色散元件双闪耀光栅7中。Stokes光的偏振方向要与双闪耀光栅7的刻槽方向平行。
双闪耀光栅7是一种交叉周期双闪耀光栅(如图3所示)，包含两种闪耀角。通过对双闪耀光栅7刻蚀参数的(刻线密度、闪耀角α、槽顶角β等参数)优化设计，使得每种闪耀角分别所对应的-1级和-2级衍射效率最高，且近似相等。此时，该双闪耀光栅7所对应的-1级和-2级衍射光分别置于入射Stokes光的两侧，且有一定的空间夹角。由于该双闪耀光栅7的两种微结构是交错排布，经45°全反镜6反射至该双闪耀光栅7上的Stokes光的光强会平均分布在两种微结构上。因此，两种闪耀角各自所对应的-1级和-2级衍射光的光强也近似相等。
在-1级和-2级衍射光的传输路径上分别放置第一全反镜8和第二全反镜9，第一平面全反镜8和第二平面全反镜9均镀有全反膜。使得两级衍射光按原光路返回，从而使得两束Stokes光在第一全反镜8和第二全反镜9与直角棱镜5之间的谐振腔中形成窄线宽振荡。
另外，当具有一定空间角度色散特性的宽带Stokes光入射到色散原件双闪耀光栅7时，其对应的-1级和-2级Stokes衍射光的空间色散特性将会进一步增大。这样有利于第一全反镜8和第二全反镜9对分别对-1级和-2级宽带Stokes衍射光的选频，从而更有利于实现线宽更窄的双波长Stokes光在谐振腔中振荡。根据三波能量守恒条件，便可实现线宽更窄的双波长太赫兹波10输出。
为实现双波长调谐输出，可分通过旋转45°全反镜6或旋转双闪耀光栅7，来改变入射至第一全反镜8和第二全反镜9的Stokes衍射光的入射角，进而可以同时实现双波长、窄线宽的Stokes光振荡和太赫兹波调谐输出。也可以通过分别独立转动第一全反镜8和第二全反镜9，来实现双波长太赫兹波独立调谐输出。因此，在本实施例给出的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其双波长太赫兹波可以分别实现0.8～3.1THz的相干、窄线宽输出，且双波长调谐不互相干扰。
本实施例给出的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其产生的太赫兹波线宽窄，可双波长独立连续调谐输出，且整体装置抗失谐性能好等优点，可广泛用于太赫兹波雷达、精细光谱分析、生物医学成像、太赫兹通讯等太赫兹光电子技术领域。
需要说明的是，上述以实施例仅是本发明的技术方案的一种优选方式，本发明不限于上述实施例。应当理解为通过给出实例的方式来实现本发明，并不是对本发明的限定，本领域的技术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所做出的添加和等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，包括一个谐振腔，其特征在于，所述的谐振腔由直角三棱镜(5)、45°全反镜(6)、交叉周期双闪耀光栅(7)、第一平面全反镜(8)和第二平面全反镜(9)构成；谐振腔内置有MgO:LiNbO3晶体(3)，其表面安放有硅棱镜阵列装置(4)；泵浦光入射谐振腔，并与谐振腔腔轴成1.5°夹角；产生的双波长连续可调谐太赫兹波(10)通过硅棱镜阵列装置(4)中的硅棱镜阵列出射；
所述双闪耀光栅(7)为交叉周期双闪耀光栅，其中一种闪耀角对应-1级衍射效率最高，另一种闪耀角对应-2级衍射效率最高，且两者衍射效率近似相等。
2.如权利要求1所述的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述双闪耀光栅(7)、45°全反镜(6)、第一平面全反镜(8)和第二平面全反镜(9)，均可绕中心轴旋转。
3.如权利要求1所述的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述直角三棱镜(5)的通光面为其直角所对应的斜面，且斜面上镀增透膜。
4.如权利要求1所述的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述45°全反镜(6)镀45°全反膜。
5.如权利要求1所述的双波长、窄线宽太赫兹波参量振荡器，其特征在于，所述第一平面全反镜(8)和第二平面全反镜(9)均镀有全反膜。
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