CN106410572B - 一种高能量太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

一种高能量太赫兹波参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高能量太赫兹波参量振荡器，包括泵浦源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第P‑1反射镜、第P‑2反射镜……、第P‑（N‑1）反射镜、第S‑1反射镜、第S‑2反射镜……、第S‑（N‑1）反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体……、第N MgO:LiNbO3晶体。在不考虑泵浦光损耗的情况下，N块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率的N倍，而N块MgO:LiNbO3晶体可以同时产生N束太赫兹波，所以N块MgO:LiNbO3晶体产生的太赫兹波功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生太赫兹波功率的N2倍。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

一种高能量太赫兹波参量振荡器
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种高能量太赫兹波参量振荡器。
背景技术
太赫兹波（Terahertz，简称THz），是指频率在0.1-10THz（1THz＝1012THz）范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和红外线之间，是光子学与电子学、宏观理论向微观理论的过渡区域。太赫兹波所处的特殊位置使其在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹波主要应用在以下领域：
（1）成像领域
利用太赫兹时域光谱技术可以直接测量太赫兹电磁脉冲所产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。
（2）生物化学技术领域
由于许多生物大分子的转动吸收谱处于太赫兹频段，利用对生化反应太赫兹吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。
（3）天文学领域
在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波。碳（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在太赫兹频段进行探测。
（4）通信领域
太赫兹波是很好的宽带信息载体，可以携带声频或者视频信号进行传输。太赫兹波用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。
（5）国土安全领域
在国土安全领域，由于太赫兹波的非电离性，及强穿透性，所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离、大范围的预警。
缺少的能够产生高功率、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高能量太赫兹波参量振荡器，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：
一种高能量太赫兹波参量振荡器，包括泵浦源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第P-1反射镜、第P-2反射镜、第P-3反射镜……、第P-（N-1）反射镜、第S-1反射镜、第S-2反射镜、第S-3反射镜……、第S-（N-1）反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体……、第N MgO:LiNbO3晶体；
从泵浦源出射的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Stokes光和第一太赫兹波，Stokes光在由第二反射镜和第三反射镜组成的谐振腔中振荡放大，第一太赫兹波从第一MgO:LiNbO3晶体中垂直出射；
从第一MgO:LiNbO3晶体出射的泵浦光经第P-1反射镜反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体，从第一MgO:LiNbO3晶体出射的Stokes光经第S-1反射镜反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体；泵浦光和Stokes光在第二MgO:LiNbO3晶体中经光学参量效应产生第二太赫兹波，同时Stokes光被放大；Stokes光在由第二反射镜和第三反射镜组成的谐振腔中振荡放大，第二太赫兹波从第二MgO:LiNbO3晶体中垂直出射；
从第二MgO:LiNbO3晶体出射的泵浦光经第P-2反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体，从第二MgO:LiNbO3晶体出射的Stokes光经第S-2反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体；泵浦光和Stokes光在第三MgO:LiNbO3晶体中经光学参量效应产生第三太赫兹波，同时Stokes光被继续放大；Stokes光在由第二反射镜和第三反射镜组成的谐振腔中振荡放大，第三太赫兹波从第三MgO:LiNbO3晶体中垂直出射；
如此继续下去；
从第N-1MgO:LiNbO3晶体出射的泵浦光经第P-（N-1）反射镜反射后入射第N MgO:LiNbO3晶体，从第N-1MgO:LiNbO3晶体出射的Stokes光经第S-（N-1）反射镜反射后入射第NMgO:LiNbO3晶体；泵浦光和Stokes光在第N MgO:LiNbO3晶体中经光学参量效应产生第N太赫兹波，同时Stokes光被继续放大，第N太赫兹波从第N MgO:LiNbO3晶体中垂直出射。
还包括泵浦光回收盒，从第N MgO:LiNbO3晶体出射的泵浦光被泵浦光回收盒回收。
所述泵浦源为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为20Hz，单脉冲能量为200mJ，偏振方向为Z轴；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第P-1反射镜、第P-2反射镜、第P-3反射镜……、第P-（N-1）反射镜、第S-1反射镜、第S-2反射镜、第S-3反射镜……、第S-（N-1）反射镜均为平面镜，第一反射镜、第P-1反射镜、第P-2反射镜、第P-3反射镜……、第P-（N-1）反射镜角度可调，且对泵浦光全反射；第二反射镜和第三反射镜对Stokes光全反射，第S-1反射镜、第S-2反射镜、第S-3反射镜……、第S-（N-1）反射镜角度可调，且对Stokes光全反射。
所述第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体……、第NMgO:LiNbO3晶体是完全相同的，晶体在X-Y平面为等腰梯形，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
所述第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、第三MgO:LiNbO3晶体……、第NMgO:LiNbO3晶体的等腰梯形的两条边长度分别为10mm和18.7mm，晶体的腰边长度为10mm，晶体沿Z轴的厚度为5mm；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
本发明一种高能量太赫兹波参量振荡器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）在本装置中，在不考虑泵浦光损耗的情况下，N块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率的N倍，而N块MgO:LiNbO3晶体可以同时产生N束太赫兹波，所以N块MgO:LiNbO3晶体产生的太赫兹波功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生太赫兹波功率的N2倍。
（2）一束泵浦光可以泵浦多块MgO:LiNbO3晶体中，有效提高泵浦光利用效率。
（3）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是本发明实施例的结构原理图。
图2是MgO:LiNbO3晶体中泵浦光、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pump光波矢kp与Stokes光波矢ks之间的夹角。
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。
如附图1-2所示，一种高能量太赫兹波参量振荡器，包括泵浦源1、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜6、第P-1反射镜P-1、第P-2反射镜P-2、第P-3反射镜P-3……、第P-（N-1）反射镜P-（N-1）、第S-1反射镜S-1、第S-2反射镜S-2、第S-3反射镜S-3……、第S-（N-1）反射镜S-（N-1）、第一MgO:LiNbO3晶体C-1、第二MgO:LiNbO3晶体C-2、第三MgO:LiNbO3晶体C-3……、第N MgO:LiNbO3晶体C-N；
从泵浦源1出射的泵浦光2经第一反射镜3反射后入射第一MgO:LiNbO3晶体C-1，经光学参量效应产生Stokes光5和第一太赫兹波T-1，Stokes光5在由第二反射镜4和第三反射镜6组成的谐振腔中振荡放大，第一太赫兹波T-1从第一MgO:LiNbO3晶体C-1中垂直出射；
从第一MgO:LiNbO3晶体C-1出射的泵浦光2经第P-1反射镜P-1反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体C-2，从第一MgO:LiNbO3晶体C-1出射的Stokes光5经第S-1反射镜S-1反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体C-2；泵浦光2和Stokes光5在第二MgO:LiNbO3晶体C-2中经光学参量效应产生第二太赫兹波T-2，同时Stokes光5被放大；Stokes光5在由第二反射镜4和第三反射镜6组成的谐振腔中振荡放大，第二太赫兹波T-2从第二MgO:LiNbO3晶体C-2中垂直出射；
从第二MgO:LiNbO3晶体C-2出射的泵浦光2经第P-2反射镜P-2反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体C-3，从第二MgO:LiNbO3晶体C-2出射的Stokes光5经第S-2反射镜S-2反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体C-3；泵浦光2和Stokes光5在第三MgO:LiNbO3晶体C-3中经光学参量效应产生第三太赫兹波T-3，同时Stokes光5被继续放大；Stokes光5在由第二反射镜4和第三反射镜6组成的谐振腔中振荡放大，第三太赫兹波T-3从第三MgO:LiNbO3晶体C-3中垂直出射；
如此继续下去；
从第N-1MgO:LiNbO3晶体C-（N-1）出射的泵浦光2经第P-（N-1）反射镜P-（N-1）反射后入射第N MgO:LiNbO3晶体C-N，从第N-1MgO:LiNbO3晶体C-（N-1）出射的Stokes光5经第S-（N-1）反射镜S-（N-1）反射后入射第N MgO:LiNbO3晶体C-N；泵浦光2和Stokes光5在第NMgO:LiNbO3晶体C-N中经光学参量效应产生第N太赫兹波T-N，同时Stokes光5被继续放大，第N太赫兹波T-N从第N MgO:LiNbO3晶体C-N中垂直出射。
还包括泵浦光回收盒7，从第N MgO:LiNbO3晶体C-N出射的泵浦光2被泵浦光回收盒7回收。
泵浦源1为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为20Hz，单脉冲能量为200mJ，偏振方向为Z轴。
如图2所示，改变泵浦光2和Stokes光5之间的夹角θ，可以得到频率调谐的第一太赫兹波T-1、第二太赫兹波T-2、第三太赫兹波T-3……、第N太赫兹波T-N。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的太赫兹波，同时可以得到波长范围在1067-1076.2nm的Stokes光5。在频率调谐过程中，始终保证各晶体中泵浦光2和Stokes光5之间的夹角相等，从而可以保证第一太赫兹波T-1、第二太赫兹波T-2、第三太赫兹波T-3……、第N太赫兹波T-N是等同的。
第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜6、第P-1反射镜P-1、第P-2反射镜P-2、第P-3反射镜P-3……、第P-（N-1）反射镜P-（N-1）、第S-1反射镜S-1、第S-2反射镜S-2、第S-3反射镜S-3……、第S-（N-1）反射镜S-（N-1）均为平面镜，第一反射镜3、第P-1反射镜P-1、第P-2反射镜P-2、第P-3反射镜P-3……、第P-（N-1）反射镜P-（N-1）角度可调，且对泵浦光2全反射；第二反射镜4和第三反射镜6对Stokes光5全反射，第S-1反射镜S-1、第S-2反射镜S-2、第S-3反射镜S-3……、第S-（N-1）反射镜S-（N-1）角度可调，且对Stokes光5全反射。
第一MgO:LiNbO3晶体C-1、第二MgO:LiNbO3晶体C-2、第三MgO:LiNbO3晶体C-3……、第N MgO:LiNbO3晶体C-N是完全相同的，晶体在X-Y平面为等腰梯形，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴。等腰梯形的两条边长度分别为10mm和18.7mm，晶体的腰边长度为10mm，晶体沿Z轴的厚度为5mm。
本发明一种高能量太赫兹波参量振荡器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）在本装置中，在不考虑泵浦光损耗的情况下，N块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生的Stokes功率的N倍，而N块MgO:LiNbO3晶体可以同时产生N束太赫兹波，所以N块MgO:LiNbO3晶体产生的太赫兹波功率是只有一块MgO:LiNbO3晶体产生太赫兹波功率的N2倍。
（2）一束泵浦光可以泵浦多块MgO:LiNbO3晶体中，有效提高泵浦光利用效率。
（3）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。
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)

1.一种高能量太赫兹波参量振荡器，其特征在于：包括泵浦源（1）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第三反射镜（6）、第P-1反射镜（P-1）、第P-2反射镜（P-2）、第P-3反射镜（P-3）……、第P-（N-1）反射镜（P-（N-1））、第S-1反射镜（S-1）、第S-2反射镜（S-2）、第S-3反射镜（S-3）……、第S-（N-1）反射镜（S-（N-1））、第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）、第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）、第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）……、第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）；
从泵浦源（1）出射的泵浦光（2）经第一反射镜（3）反射后入射第一MgO:LiNbO3晶体（C-1），经光学参量效应产生Stokes光（5）和第一太赫兹波（T-1），Stokes光（5）在由第二反射镜（4）和第三反射镜（6）组成的谐振腔中振荡放大，第一太赫兹波（T-1）从第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）中垂直出射；
从第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）出射的泵浦光（2）经第P-1反射镜（P-1）反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体（C-2），从第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）出射的Stokes光（5）经第S-1反射镜（S-1）反射后入射第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）；泵浦光（2）和Stokes光（5）在第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）中经光学参量效应产生第二太赫兹波（T-2），同时Stokes光（5）被放大；Stokes光（5）在由第二反射镜（4）和第三反射镜（6）组成的谐振腔中振荡放大，第二太赫兹波（T-2）从第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）中垂直出射；
从第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）出射的泵浦光（2）经第P-2反射镜（P-2）反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体（C-3），从第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）出射的Stokes光（5）经第S-2反射镜（S-2）反射后入射第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）；泵浦光（2）和Stokes光（5）在第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）中经光学参量效应产生第三太赫兹波（T-3），同时Stokes光（5）被继续放大；Stokes光（5）在由第二反射镜（4）和第三反射镜（6）组成的谐振腔中振荡放大，第三太赫兹波（T-3）从第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）中垂直出射；
如此继续下去；
从第N-1MgO:LiNbO3晶体（C-（N-1））出射的泵浦光（2）经第P-（N-1）反射镜（P-（N-1））反射后入射第N MgO:LiNbO3晶体（C-N），从第N-1MgO:LiNbO3晶体（C-（N-1））出射的Stokes光（5）经第S-（N-1）反射镜（S-（N-1））反射后入射第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）；泵浦光（2）和Stokes光（5）在第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）中经光学参量效应产生第N太赫兹波（T-N），同时Stokes光（5）被继续放大，第N太赫兹波（T-N）从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）中垂直出射。
2.根据权利要求1所述的高能量太赫兹波参量振荡器，其特征在于：还包括泵浦光回收盒（7），从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）被泵浦光回收盒（7）回收。
3.根据权利要求1所述的高能量太赫兹波参量振荡器，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20Hz，单脉冲能量为200mJ，偏振方向为Z轴；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
4.根据权利要求1所述的高能量太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第三反射镜（6）、第P-1反射镜（P-1）、第P-2反射镜（P-2）、第P-3反射镜（P-3）……、第P-（N-1）反射镜（P-（N-1））、第S-1反射镜（S-1）、第S-2反射镜（S-2）、第S-3反射镜（S-3）……、第S-（N-1）反射镜（S-（N-1））均为平面镜，第一反射镜（3）、第P-1反射镜（P-1）、第P-2反射镜（P-2）、第P-3反射镜（P-3）……、第P-（N-1）反射镜（P-（N-1））角度可调，且对泵浦光（2）全反射；第二反射镜（4）和第三反射镜（6）对Stokes光（5）全反射，第S-1反射镜（S-1）、第S-2反射镜（S-2）、第S-3反射镜（S-3）……、第S-（N-1）反射镜（S-（N-1））角度可调，且对Stokes光（5）全反射。
5.根据权利要求1所述的高能量太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）、第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）、第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）……、第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）是完全相同的，晶体在X-Y平面为等腰梯形，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体的光轴沿Z轴；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
6.根据权利要求5所述的高能量太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述第一MgO:LiNbO3晶体（C-1）、第二MgO:LiNbO3晶体（C-2）、第三MgO:LiNbO3晶体（C-3）……、第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）的等腰梯形的两条边长度分别为10mm和18.7mm，晶体的腰边长度为10mm，晶体沿Z轴的厚度为5mm；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，Y轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为Y轴正向，X轴与泵浦源出射的泵浦光的方向垂直，且从第N MgO:LiNbO3晶体（C-N）出射的泵浦光（2）的方向与X轴正向的夹角为锐角。
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