CN106229796B - 一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源 - Google Patents

一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，包括泵浦源、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜、第十三反射镜、第十四反射镜、第十五反射镜、第十六反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体和第四MgO:LiNbO3晶体。本发明在光学参量过程中，太赫兹波作为种子光可以放大Stokes光，放大后的Stokes光再与泵浦光差频，有效增强太赫兹波输出功率。太赫兹波垂直于MgO:LiNbO3晶体出射，不需要任何耦合输出装置，有效减小太赫兹波输出损耗。通过改变泵浦光和Stokes光之间的夹角，可以得到频率调谐的太赫兹波。调谐方式简单，操作灵活。

Description

一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源。
背景技术
太赫兹波（THz），是指频率处于0.1-10THz （1THz=1012Hz）范围内的电磁波，位于微波与红外辐射之间，在长波长处与毫米波重合，在短波长处与红外波重合，是电子学与光子学、宏观理论向微观理论的过渡区域。介于微波波段和红外波段之间的太赫兹波具有许多特殊的性质：
（1）大量有机分子、半导体的子带和微带、转动和振动跃迁能量都在太赫兹波范围，太赫兹波的光谱分辨特性使得太赫兹波探测技术，尤其是太赫兹波光谱成像技术，除了能辨别物质的形貌外，还能鉴别物质的组成成分。
（2）从其透过不同材料的光谱及成像来看，太赫兹波辐射能穿透非金属和非极性材料，如纺织品、纸板、塑料、木料等包装物。
（3）太赫兹波的另一显著特点是它的安全性，能量仅有毫电子伏特，与X射线相比具有低能性，不会引起生物组织的光离化，从而可应用于人体安全检查或生物医学成像等方面。
（4）太赫兹波辐射具有很好的空间、时间相干性。
（5）太赫兹波带宽很宽，能够在目前隐身技术所能对抗的波段之外工作，所以可用它来探测隐身目标，以其作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐形飞机的图像。
缺少能够产生高功率、高质量、高效率的太赫兹波，且低成本并能在室温下运转的太赫兹源是目前面临的主要问题。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，电子学方法是一般将电磁辐射的波长从毫米波延伸到太赫兹波波段，也就相当于一个频率变大的过程，但是当频率大于1THz时会遇到很大的障碍，以至于效率变的很低，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；而光子学方法其主要方向就是把可见光或者红外光向太赫兹波波段转换，此方法的优势在于产生的太赫兹波辐射源具有很高的相干性和方向性，但是现阶段产生的太赫兹波功率和效率都较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，用以解决现有太赫兹波功率低、效率低等问题。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，包括泵浦源、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜、第十三反射镜、第十四反射镜、第十五反射镜、第十六反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体和第四MgO:LiNbO3晶体；
从泵浦源出射的泵浦光经分光镜分光后变为第一束泵浦光和第二束泵浦光，第一束泵浦光经第一反射镜反射后入射第一MgO:LiNbO3晶体，经光学参量效应产生第一Stokes光和第一太赫兹波，第一Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡，第一太赫兹波直接入射第二MgO:LiNbO3晶体；第二束泵浦光经第二反射镜反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体，经光学参量效应产生第二Stokes光和第二太赫兹波，第二Stokes光在由第五反射镜和第六反射镜组成的谐振腔中振荡，第二太赫兹波直接入射第一MgO:LiNbO3晶体；
第二太赫兹波作为种子光入射第一MgO:LiNbO3晶体，经光学参量效应后放大第一Stokes光，第一太赫兹波作为种子光入射第二MgO:LiNbO3晶体，经光学参量效应后放大第二Stokes光；
放大后的第一Stokes光经第四反射镜出射后，经第九反射镜和第十一反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体，第一束泵浦光经第一反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第七反射镜和第十三反射镜后入射第三MgO:LiNbO3晶体，第一Stokes光和第一束泵浦光在第三MgO:LiNbO3晶体中经光学差频效应产生第三太赫兹波，同时第一Stokes光在差频过程中被进一步放大，放大后的第一Stokes光经第十六反射镜反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体，第一束泵浦光经第十五反射镜反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体；
放大后的第二Stokes光经第六反射镜出射后，经第十反射镜和第十二反射镜反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体，第二束泵浦光经第二反射镜、第二MgO:LiNbO3晶体、第八反射镜和第十四反射镜后入射第四MgO:LiNbO3晶体，第二Stokes光和第二束泵浦光在第四MgO:LiNbO3晶体中经光学差频效应产生第四太赫兹波，同时第二Stokes光在差频过程中被进一步放大，放大后的第二Stokes光经第十六反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体，第二束泵浦光经第十五反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体；
第一束泵浦光和第一Stokes光在第四MgO:LiNbO3晶体中发生光学差频效应，放大第四太赫兹波；第二束泵浦光和第二Stokes光在第三MgO:LiNbO3晶体中发生光学差频效应，放大第三太赫兹波。
所述泵浦源为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为10Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为Z轴。
所述分光镜对泵浦光45°角半反射半透射。
所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜、第十三反射镜、第十四反射镜、第十五反射镜和第十六反射镜的角度可调节，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第五反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜、第十三反射镜、第十四反射镜、第十五反射镜和第十六反射镜对波长范围在1060-1080nm内的pump光和Stokes光全反射，第四反射镜和第六反射镜对波长范围在1060-1080nm内的Stokes光透过率为60%。
所述第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体和第四MgO:LiNbO3晶体是完全相同的，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴，晶体在X-Y平面为等腰梯形，等腰梯形的两个内角分别为64.2°和115.8°，等腰梯形的两条边长度分别为20mm和37.4mm，晶体的腰边长度为20mm，晶体沿Z轴的厚度为8mm。
除泵浦源外，整个装置沿X轴严格对称。
第一太赫兹波垂直于第一MgO:LiNbO3晶体出射，第二太赫兹波垂直于第二MgO:LiNbO3晶体出射，第三太赫兹波垂直于第三MgO:LiNbO3晶体出射，第四太赫兹波垂直于第四MgO:LiNbO3晶体出射，第一太赫兹波和第二太赫兹波共线传播。
本发明提供的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源与现有的基于差频或参量效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：
（1）在光学参量过程中，太赫兹波作为种子光可以放大Stokes光，放大后的Stokes光再与泵浦光差频，有效增强太赫兹波输出功率。
（2）在光学混频过程中，Stokes光和剩余的泵浦光可以循环使用，有效提高泵浦光利用效率。
（3）THz波垂直于MgO:LiNbO3晶体出射，不需要任何耦合输出装置，有效减小太赫兹波输出损耗。
（4）通过改变泵浦光和Stokes光之间的夹角，可以得到频率调谐的太赫兹波。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MgO:LiNbO3晶体泵浦光、Stokes光和太赫兹波相位匹配示意图，图中kp、ks、kT分别为泵浦光、Stokes光、太赫兹波的波矢，θ角为泵浦光波矢kp与Stokes光波矢ks之间的夹角。
其中，1是泵浦源；2是泵浦光；3是分光镜；4是第一束泵浦光；5是第二束泵浦光；6是第一反射镜；7是第二反射镜；8是第一MgO:LiNbO3晶体；9是第二MgO:LiNbO3晶体；10是第一Stokes光；11是第二Stokes光；12是第三反射镜；13是第四反射镜；14是第五反射镜；15是第六反射镜；16是第一太赫兹波；17是第二太赫兹波；18是第七反射镜；19是第八反射镜；20是第九反射镜；21是第十反射镜；22是第十一反射镜；23是第十二反射镜；24是第十三反射镜；25是第十四反射镜；26是第三MgO:LiNbO3晶体；27是第四MgO:LiNbO3晶体；28是第三太赫兹波；29是第四太赫兹波；30是第十五反射镜；31是第十六反射镜。
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。
如图1-2所示，一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，包括泵浦源1、分光镜3、第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜12、第四反射镜13、第五反射镜14、第六反射镜15、第七反射镜18、第八反射镜19、第九反射镜20、第十反射镜21、第十一反射镜22、第十二反射镜23、第十三反射镜24、第十四反射镜25、第十五反射镜30、第十六反射镜31、第一MgO:LiNbO3晶体8、第二MgO:LiNbO3晶体9、第三MgO:LiNbO3晶体26和第四MgO:LiNbO3晶体27；
从泵浦源1出射的泵浦光2经分光镜3分光后变为第一束泵浦光4和第二束泵浦光5，第一束泵浦光4经第一反射镜6反射后入射第一MgO:LiNbO3晶体8，经光学参量效应产生第一Stokes光10和第一太赫兹波16，第一Stokes光10在由第三反射镜12和第四反射镜13组成的谐振腔中振荡，第一太赫兹波16直接入射第二MgO:LiNbO3晶体9；第二束泵浦光5经第二反射镜7反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体9，经光学参量效应产生第二Stokes光11和第二太赫兹波17，第二Stokes光11在由第五反射镜14和第六反射镜15组成的谐振腔中振荡，第二太赫兹波17直接入射第一MgO:LiNbO3晶体8；
第二太赫兹波17作为种子光入射第一MgO:LiNbO3晶体8，经光学参量效应后放大第一Stokes光10，第一太赫兹波16作为种子光入射第二MgO:LiNbO3晶体9，经光学参量效应后放大第二Stokes光11；
放大后的第一Stokes光10经第四反射镜13出射后，经第九反射镜20和第十一反射镜22反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体26，第一束泵浦光4经第一反射镜6、第一MgO:LiNbO3晶体8、第七反射镜18和第十三反射镜24后入射第三MgO:LiNbO3晶体26，第一Stokes光10和第一束泵浦光4在第三MgO:LiNbO3晶体26中经光学差频效应产生第三太赫兹波28，同时第一Stokes光10在差频过程中被进一步放大，放大后的第一Stokes光10经第十六反射镜31反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体27，第一束泵浦光4经第十五反射镜30反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体27；
放大后的第二Stokes光11经第六反射镜15出射后，经第十反射镜21和第十二反射镜23反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体27，第二束泵浦光5经第二反射镜7、第二MgO:LiNbO3晶体9、第八反射镜19和第十四反射镜25后入射第四MgO:LiNbO3晶体27，第二Stokes光11和第二束泵浦光5在第四MgO:LiNbO3晶体27中经光学差频效应产生第四太赫兹波29，同时第二Stokes光11在差频过程中被进一步放大，放大后的第二Stokes光11经第十六反射镜31反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体26，第二束泵浦光5经第十五反射镜30反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体26；
第一束泵浦光4和第一Stokes光10在第四MgO:LiNbO3晶体27中发生光学差频效应，放大第四太赫兹波29；第二束泵浦光5和第二Stokes光11在第三MgO:LiNbO3晶体26中发生光学差频效应，放大第三太赫兹波28。
泵浦源1为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为10Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为Z轴。
分光镜3对泵浦光245°角半反射半透射。
改变第一束泵浦光4和第一Stokes光10以及第二束泵浦光5和第二Stokes光11的夹角θ，如图2所示，可以得到频率调谐的第一太赫兹波16、第二太赫兹波17、第三太赫兹波28和第四太赫兹波29。当θ角的范围在0.3356°-1.4686°变化时，可以得到频率范围在0.8-3.2THz的第一太赫兹波16、第二太赫兹波17、第三太赫兹波28和第四太赫兹波29，同时可以得到波长范围在1067-1076.2nm的第一Stokes光10和第二Stokes光11。在频率调谐过程中，第一太赫兹波16、第二太赫兹波17、第三太赫兹波28和第四太赫兹波29的波长始终相同。
第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜12、第四反射镜13、第五反射镜14、第六反射镜15、第七反射镜18、第八反射镜19、第九反射镜20、第十反射镜21、第十一反射镜22、第十二反射镜23、第十三反射镜24、第十四反射镜25、第十五反射镜30和第十六反射镜31的角度可调节，第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜12、第五反射镜14、第七反射镜18、第八反射镜19、第九反射镜20、第十反射镜21、第十一反射镜22、第十二反射镜23、第十三反射镜24、第十四反射镜25、第十五反射镜30和第十六反射镜31对波长范围在1060-1080nm内的pump光和Stokes光全反射，第四反射镜13和第六反射镜15对波长范围在1060-1080nm内的Stokes光透过率为60%。
第一MgO:LiNbO3晶体8、第二MgO:LiNbO3晶体9、第三MgO:LiNbO3晶体26和第四MgO:LiNbO3晶体27是完全相同的，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴，晶体在X-Y平面为等腰梯形，等腰梯形的两个内角分别为64.2°和115.8°，等腰梯形的两条边长度分别为20mm和37.4mm，晶体的腰边长度为20mm，晶体沿Z轴的厚度为8mm。
除泵浦源1外，整个装置沿X轴严格对称。
第一太赫兹波16垂直于第一MgO:LiNbO3晶体8出射，第二太赫兹波17垂直于第二MgO:LiNbO3晶体9出射，第三太赫兹波28垂直于第三MgO:LiNbO3晶体26出射，第四太赫兹波29垂直于第四MgO:LiNbO3晶体27出射，第一太赫兹波16和第二太赫兹波17共线传播。
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 (7)

1.一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：包括泵浦源（1）、分光镜（3）、第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（12）、第四反射镜（13）、第五反射镜（14）、第六反射镜（15）、第七反射镜（18）、第八反射镜（19）、第九反射镜（20）、第十反射镜（21）、第十一反射镜（22）、第十二反射镜（23）、第十三反射镜（24）、第十四反射镜（25）、第十五反射镜（30）、第十六反射镜（31）、第一MgO:LiNbO3晶体（8）、第二MgO:LiNbO3晶体（9）、第三MgO:LiNbO3晶体（26）和第四MgO:LiNbO3晶体（27）；
从泵浦源（1）出射的泵浦光（2）经分光镜（3）分光后变为第一束泵浦光（4）和第二束泵浦光（5），第一束泵浦光（4）经第一反射镜（6）反射后入射第一MgO:LiNbO3晶体（8），经光学参量效应产生第一Stokes光（10）和第一太赫兹波（16），第一Stokes光（10）在由第三反射镜（12）和第四反射镜（13）组成的谐振腔中振荡，第一太赫兹波（16）直接入射第二MgO:LiNbO3晶体（9）；第二束泵浦光（5）经第二反射镜（7）反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体（9），经光学参量效应产生第二Stokes光（11）和第二太赫兹波（17），第二Stokes光（11）在由第五反射镜（14）和第六反射镜（15）组成的谐振腔中振荡，第二太赫兹波（17）直接入射第一MgO:LiNbO3晶体（8）；
第二太赫兹波（17）作为种子光入射第一MgO:LiNbO3晶体（8），经光学参量效应后放大第一Stokes光（10），第一太赫兹波（16）作为种子光入射第二MgO:LiNbO3晶体（9），经光学参量效应后放大第二Stokes光（11）；
放大后的第一Stokes光（10）经第四反射镜（13）出射后，经第九反射镜（20）和第十一反射镜（22）反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体（26），第一束泵浦光（4）经第一反射镜（6）、第一MgO:LiNbO3晶体（8）、第七反射镜（18）和第十三反射镜（24）后入射第三MgO:LiNbO3晶体（26），第一Stokes光（10）和第一束泵浦光（4）在第三MgO:LiNbO3晶体（26）中经光学差频效应产生第三太赫兹波（28），同时第一Stokes光（10）在差频过程中被进一步放大，放大后的第一Stokes光（10）经第十六反射镜（31）反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体（27），第一束泵浦光（4）经第十五反射镜（30）反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体（27）；
放大后的第二Stokes光（11）经第六反射镜（15）出射后，经第十反射镜（21）和第十二反射镜（23）反射后入射第四MgO:LiNbO3晶体（27），第二束泵浦光（5）经第二反射镜（7）、第二MgO:LiNbO3晶体（9）、第八反射镜（19）和第十四反射镜（25）后入射第四MgO:LiNbO3晶体（27），第二Stokes光（11）和第二束泵浦光（5）在第四MgO:LiNbO3晶体（27）中经光学差频效应产生第四太赫兹波（29），同时第二Stokes光（11）在差频过程中被进一步放大，放大后的第二Stokes光（11）经第十六反射镜（31）反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体（26），第二束泵浦光（5）经第十五反射镜（30）反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体（26）；
第一束泵浦光（4）和第一Stokes光（10）在第四MgO:LiNbO3晶体（27）中发生光学差频效应，放大第四太赫兹波（29）；第二束泵浦光（5）和第二Stokes光（11）在第三MgO:LiNbO3晶体（26）中发生光学差频效应，放大第三太赫兹波（28）。
2.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：所述泵浦源（1）为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为10Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为Z轴。
3.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：所述分光镜（3）对泵浦光（2）45°角半反射半透射。
4.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：所述第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（12）、第四反射镜（13）、第五反射镜（14）、第六反射镜（15）、第七反射镜（18）、第八反射镜（19）、第九反射镜（20）、第十反射镜（21）、第十一反射镜（22）、第十二反射镜（23）、第十三反射镜（24）、第十四反射镜（25）、第十五反射镜（30）和第十六反射镜（31）的角度可调节，第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（12）、第五反射镜（14）、第七反射镜（18）、第八反射镜（19）、第九反射镜（20）、第十反射镜（21）、第十一反射镜（22）、第十二反射镜（23）、第十三反射镜（24）、第十四反射镜（25）、第十五反射镜（30）和第十六反射镜（31）对波长范围在1060-1080nm内的pump光和Stokes光全反射，第四反射镜（13）和第六反射镜（15）对波长范围在1060-1080nm内的Stokes光透过率为60%。
5.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：所述第一MgO:LiNbO3晶体（8）、第二MgO:LiNbO3晶体（9）、第三MgO:LiNbO3晶体（26）和第四MgO:LiNbO3晶体（27）是完全相同的，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴，晶体在X-Y平面为等腰梯形，等腰梯形的两个内角分别为64.2°和115.8°，等腰梯形的两条边长度分别为20mm和37.4mm，晶体的腰边长度为20mm，晶体沿Z轴的厚度为8mm。
6.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：除泵浦源（1）外，整个装置沿X轴对称。
7.根据权利要求1所述的基于光学混频效应的太赫兹波辐射源，其特征在于：第一太赫兹波（16）垂直于第一MgO:LiNbO3晶体（8）出射，第二太赫兹波（17）垂直于第二MgO:LiNbO3晶体（9）出射，第三太赫兹波（28）垂直于第三MgO:LiNbO3晶体（26）出射，第四太赫兹波（29）垂直于第四MgO:LiNbO3晶体（27）出射，第一太赫兹波（16）和第二太赫兹波（17）共线传播。
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