CN106159643A - 一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，从泵浦源出射的泵浦光经望远镜缩束系统缩束后，再经反射镜和光束扫描器后进入MgO:LiNbO3晶体，并在MgO:LiNbO3晶体内发生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO3晶体中通过光学参量效应产生一阶Stokes光和太赫兹波，太赫兹波的波矢垂直于MgO:LiNbO3晶体的出射面，直接从MgO:LiNbO3晶体出射；级联参量过程可以一直发生，各阶Stokes光都有各自的谐振腔，MgO:LiNbO3晶体侧面特定区域镀各阶Stokes光全反射膜，在级联参量过程中太赫兹波被连续放大。泵浦光和各阶Stokes光的波矢都垂直于MgO:LiNbO3晶体的出射面，有效降低泵浦光和各阶Stokes光的损耗，通过改变光束扫描器的方向改变泵浦光入射角度，从而改变泵浦光与一阶Stokes光谐振腔轴线的夹角，可实现太赫兹波的频率调谐输出，操作灵活。

Description

一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器
技术领域
本发明属于太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器。
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（如生物大分子的振动转动能级跃迁谱线）；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。
基于光学参量效应的产生太赫兹波辐射源具有小型化、室温运转、相干性好、可调谐、窄线宽等优点。光学参量效应产生太赫兹波辐射的原理是：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太赫兹波辐射。对于光学参量效应产生太赫兹波辐射，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光和太赫兹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光和太赫兹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，但是太赫兹波的频率调谐较困难。目前，上述两种相位匹配方式产生的太赫兹波功率都较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，以解决现有太赫兹产生装置功率低、效率低、成本高、结构复杂等问题。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，包括泵浦源、望远镜缩束系统、反射镜、光束扫描器和MgO:LiNbO3晶体；
从泵浦源出射的泵浦光经望远镜缩束系统缩束后，再经反射镜和光束扫描器后进入MgO:LiNbO3晶体，并在MgO:LiNbO3晶体内发生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO3晶体中通过光学参量效应产生一阶Stokes光和太赫兹波，太赫兹波的波矢垂直于MgO:LiNbO3晶体的出射面，直接从MgO:LiNbO3晶体出射；一阶Stokes光垂直入射到MgO:LiNbO3晶体的出射面，在MgO:LiNbO3晶体的两个一阶Stokes光的出射面上镀一阶Stokes光的全反射膜，形成一阶Stokes光的谐振腔；在谐振腔中振荡的一阶Stokes光与太赫兹波在满足相位匹配的条件下通过二阶光学参量效应产生二阶Stokes光，同时太赫兹波被放大；二阶Stokes光垂直入射到MgO:LiNbO3晶体的出射面，在MgO:LiNbO3晶体的两个二阶Stokes光的出射面上镀二阶Stokes光的全反射膜，形成二阶Stokes光的谐振腔；在谐振腔中振荡的二阶Stokes光与太赫兹波在满足相位匹配的条件下通过三阶光学参量效应产生三阶Stokes光，同时太赫兹波被放大；同理，三阶Stokes光可以与太赫兹波通过四阶光学参量效应产生四阶Stokes光；这样级联参量过程可以一直发生，各阶Stokes光都有各自的谐振腔，MgO:LiNbO3晶体侧面特定区域镀各阶Stokes光全反射膜，在级联参量过程中太赫兹波被连续放大。
还包括泵浦光回收盒，从MgO:LiNbO3晶体出射的剩余泵浦光被泵浦光回收盒回收。
所述泵浦源为电光调Q脉冲Nd:YAG激光器，单脉冲能量为100mJ，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。
所述反射镜为泵浦光全反射镜，用于对泵浦光全反射以改变泵浦光的入射方向。
所述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，从而改变泵浦光与一阶Stokes光谐振腔轴线的夹角θ1，以改变光学参量过程中的相位匹配条件来达到太赫兹波的频率调谐输出。
所述MgO:LiNbO3晶体的掺杂浓度为5mol%，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体的光轴即Z轴，且在泵浦光入射的区域镀波长范围在1000-1200nm的增透膜；MgO:LiNbO3晶体为多边形，MgO:LiNbO3晶体各表面满足对泵浦光和各阶Stokes光垂直。
本发明提供的基于级联参量效应的太赫兹辐射源与现有的基于光学参量效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：
（1）级联参量效应中一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子，有效提高太赫兹波输出功率和光学转换效率。
（2）泵浦光和各阶Stokes光的波矢都垂直于MgO:LiNbO3晶体的出射面，有效降低泵浦光和各阶Stokes光的损耗。
（3）太赫兹波产生的区域处在泵浦光和各阶Stokes光交叠的区域，此区域正好处在MgO:LiNbO3晶体的浅表面上，太赫兹波波矢垂直于晶体的出射面，太赫兹波直接从晶体出射而不需要任何光学耦合器件，这样可以大大降低太赫兹波在晶体中的传播距离，有效降低晶体对太赫兹波的吸收，从而提高太赫兹波的输出功率。
（4）通过改变光束扫描器的方向改变泵浦光入射角度，从而改变泵浦光与一阶Stokes光谐振腔轴线的夹角，可以实现太赫兹波的频率调谐输出，调谐方式简单，操作灵活。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图2是图1的局部放大图。
图3是级联参量效应相位匹配图。
图4是各阶相位匹配角与太赫兹波频率变化示意图。
其中，1是泵浦源；2是望远镜缩束系统；3是反射镜；4是光束扫描器；5是MgO:LiNbO3晶体；6是一阶Stokes光；7是二阶Stokes光；8是三阶Stokes光；9是四阶Stokes光；10是太赫兹波。
具体实施方式
如附图1-2所示，一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，包括泵浦源1、望远镜缩束系统2、反射镜3、光束扫描器4和MgO:LiNbO3晶体5；
通过镀在MgO:LiNbO3晶体5侧面的各阶Stokes光全反射膜构成各阶Stokes光谐振腔。
从泵浦源1出射的泵浦光经望远镜缩束系统2缩束后，再经反射镜3和光束扫描器4后进入MgO:LiNbO3晶体5，并在MgO:LiNbO3晶体5内发生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO3晶体5中通过光学参量效应产生一阶Stokes光6和太赫兹波10（三波相位匹配如图3所示），太赫兹波10的波矢垂直于MgO:LiNbO3晶体5的出射面，直接从MgO:LiNbO3晶体5出射；一阶Stokes光6垂直入射到MgO:LiNbO3晶体5的出射面，在MgO:LiNbO3晶体5的两个一阶Stokes光6的出射面上镀一阶Stokes光6的全反射膜，形成一阶Stokes光6的谐振腔，如图2所示；在谐振腔中振荡的一阶Stokes光6与太赫兹波10在满足相位匹配的条件下通过二阶光学参量效应产生二阶Stokes光7，同时太赫兹波10被放大；二阶Stokes光7垂直入射到MgO:LiNbO3晶体5的出射面，在MgO:LiNbO3晶体5的两个二阶Stokes光7的出射面上镀二阶Stokes光7的全反射膜，形成二阶Stokes光7的谐振腔；在谐振腔中振荡的二阶Stokes光7与太赫兹波10在满足相位匹配的条件下通过三阶光学参量效应产生三阶Stokes光8，同时太赫兹波10被放大；同理，三阶Stokes光8可以与太赫兹波10通过四阶光学参量效应产生四阶Stokes光9；这样级联参量过程可以一直发生，各阶Stokes光都有各自的谐振腔，MgO:LiNbO3晶体5侧面特定区域镀各阶Stokes光全反射膜，在级联参量过程中太赫兹波10被连续放大。
通过改变光束扫描器4的角度改变泵浦光1和一阶Stokes光6的谐振腔轴线之间的夹角θ1，从而改变相位匹配条件得到频率调谐的THz波输出，调谐曲线如图4所示。在改变相位匹配角θ1的同时，相位匹配角θ2、θ3和θ4同时改变，所以要改变MgO:LiNbO3晶体5的切割角度以保证各阶Stokes光都垂直入射到MgO:LiNbO3晶体5的出射面上。
还包括泵浦光回收盒11，从MgO:LiNbO3晶体5出射的剩余泵浦光被泵浦光回收盒11回收。
泵浦源1为电光调Q脉冲Nd:YAG激光器，单脉冲能量为100mJ，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5的光轴。
反射镜3为泵浦光全反射镜，用于对泵浦光全反射以改变泵浦光的入射方向。
光束扫描器4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4的角度可以改变泵浦光的入射方向，从而改变泵浦光与一阶Stokes光谐振腔轴线的夹角θ1，以改变光学参量过程中的相位匹配条件来达到太赫兹波的频率调谐输出。
经试验验证，调节相位匹配角θ1，使θ1从0.21°变化到1.96°，可以得到调谐范围在0.5-4THz的THz波辐射，同时θ2的变化范围为0.2104°-1.992°，θ3的变化范围为0.2108°-2.0223°，θ4的变化范围为0.2112°-2.0535°，如图4所示。
MgO:LiNbO3晶体5的掺杂浓度为5mol%，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体5的光轴即Z轴，且在泵浦光入射的区域镀波长范围在1000-1200nm的增透膜；MgO:LiNbO3晶体5为多边形，MgO:LiNbO3晶体5各表面满足对泵浦光和各阶Stokes光垂直。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：包括泵浦源（1）、望远镜缩束系统（2）、反射镜（3）、光束扫描器（4）和MgO:LiNbO3晶体（5）；
从泵浦源（1）出射的泵浦光经望远镜缩束系统（2）缩束后，再经反射镜（3）和光束扫描器（4）后进入MgO:LiNbO3晶体（5），并在MgO:LiNbO3晶体（5）内发生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO3晶体（5）中通过光学参量效应产生一阶Stokes光（6）和太赫兹波（10），太赫兹波（10）的波矢垂直于MgO:LiNbO3晶体（5）的出射面，直接从MgO:LiNbO3晶体（5）出射；一阶Stokes光（6）垂直入射到MgO:LiNbO3晶体（5）的出射面，在MgO:LiNbO3晶体（5）的两个一阶Stokes光（6）的出射面上镀一阶Stokes光（6）的全反射膜，形成一阶Stokes光（6）的谐振腔；在谐振腔中振荡的一阶Stokes光（6）与太赫兹波（10）在满足相位匹配的条件下通过二阶光学参量效应产生二阶Stokes光（7），同时太赫兹波（10）被放大；二阶Stokes光（7）垂直入射到MgO:LiNbO3晶体（5）的出射面，在MgO:LiNbO3晶体（5）的两个二阶Stokes光（7）的出射面上镀二阶Stokes光（7）的全反射膜，形成二阶Stokes光（7）的谐振腔；在谐振腔中振荡的二阶Stokes光（7）与太赫兹波（10）在满足相位匹配的条件下通过三阶光学参量效应产生三阶Stokes光（8），同时太赫兹波（10）被放大；同理，三阶Stokes光（8）可以与太赫兹波（10）通过四阶光学参量效应产生四阶Stokes光（9）；这样级联参量过程可以一直发生，各阶Stokes光都有各自的谐振腔，MgO:LiNbO3晶体（5）侧面特定区域镀各阶Stokes光全反射膜，在级联参量过程中太赫兹波（10）被连续放大。
2.根据权利要求1所述的基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：还包括泵浦光回收盒（11），从MgO:LiNbO3晶体（5）出射的剩余泵浦光被泵浦光回收盒（11）回收。
3.根据权利要求1所述的基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述泵浦源（1）为电光调Q脉冲Nd:YAG激光器，单脉冲能量为100mJ，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（5）的光轴。
4.根据权利要求1所述的基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述反射镜（3）为泵浦光全反射镜，用于对泵浦光全反射以改变泵浦光的入射方向。
5.根据权利要求1所述的基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述光束扫描器（4）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（4）的角度可以改变泵浦光的入射方向，从而改变泵浦光与一阶Stokes光谐振腔轴线的夹角θ1，以改变光学参量过程中的相位匹配条件来达到太赫兹波的频率调谐输出。
6.根据权利要求1所述的基于级联参量效应的太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述MgO:LiNbO3晶体（5）的掺杂浓度为5mol%，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO3晶体（5）的光轴即Z轴，且在泵浦光入射的区域镀波长范围在1000-1200nm的增透膜；MgO:LiNbO3晶体（5）为多边形，MgO:LiNbO3晶体（5）各表面满足对泵浦光和各阶Stokes光垂直。
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