CN107505797A - 高能量太赫兹脉冲产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高能量太赫兹脉冲产生装置，包括：光栅、半波片、光束整形单元、成像单元和铌酸锂晶体；利用泵浦飞秒激光照射所述光束整形单元，将所述泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形；整形后的泵浦飞秒激光通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。太赫兹脉冲产生装置中的光束整形单元，可以使照射在铌酸锂晶体上的光斑为椭圆形，使高能量、大光斑的飞秒激光光斑尽量靠近铌酸锂晶体的62度角或63度角的切割边沿，最大限度的减少远离铌酸锂晶体切割边沿的位置产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内的传输损失。

Description

高能量太赫兹脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及高能量太赫兹脉冲产生装置。
背景技术
太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1-10THz的电磁波辐射，其波段在微波和远红外之间。由于太赫兹频率在电磁波谱上的特殊位置，使得这个频段的高能量光源非常缺乏。高能量的太赫兹辐射源按照装置的大小可分为同步辐射太赫兹源和桌面式小型太赫兹源。同步辐射的太赫兹源可产生百微焦量级的太赫兹脉冲，但这样的大型装置耗资巨大且运行昂贵。桌面式的强场太赫兹辐射源主要由脉冲飞秒激光器驱动，按照产生方式的不同可分为：光学整流、光电导天线、空气等离子体、激光打靶等。
尽管激光打靶已经获得了几百微焦的能量，但是激光打靶所获得的太赫兹辐射的方向性差，不适合后续应用，且辐射效率较低，辐射机理也有待进一步研究。空气等离子体产生的太赫兹可以获得超宽带的辐射，对材料的表征非常有优势，而且空气作为非线性介质不存在损伤阈值问题，但这种方法所产生的太赫兹辐射效率低，空气等离子体不稳定，系统的信噪比差，对双色的相位匹配要求高，机理也还有待进一步探索。大孔径光电导天线辐射的太赫兹效率高，稳定性好，覆盖了太赫兹辐射的低频段，但光电导天线依赖外加直流电场和高激发功率，会导致天线击穿和载流子的屏蔽效应，因此天线容易破坏，且获得的绝对太赫兹能量相对较低。
到目前为止，光学整流被认为是最有效的桌面式产生强场太赫兹辐射的方法。在利用光学整流产生太赫兹辐射的过程中，同一个红外光脉冲包罗中的不同光谱分量之间产生级联差频过程，实现太赫兹辐射的产生。只要相位匹配条件得到满足，该频率下转换的过程将会使级联反复发生，有可能使得红外光子完全转换为多个太赫兹光子，获得>100％光子转换效率。碲化锌(ZnTe)和磷化镓(GaP)一直是通过光学整流实现太赫兹源常见的材料。由于它们的非线性系数不够高且在红外频率有极大的双光子吸收，研究人员已经把目光转向非线性系数较大的有机晶体和铌酸锂(LiNbO3)晶体。虽然有机晶体很被看好，它所固有的缺点，例如低破坏阈值，无法用于高功率高能量激光器；小尺寸，无法用于高能量大光斑的激光器激发；材料不稳定，易于潮解，无法制备牢固的太赫兹发射源；需要特定的波长1.2μm-1.5μm泵浦，而该频段的高能量激光器的技术不够成熟；晶体价格非常昂贵等，使得利用有机晶体来产生强场太赫兹脉冲让人望而却步。
第二种方法光学整流的方法是在铌酸锂晶体中产生高能量太赫兹辐射，为了能够实现最大限度的相位匹配，有学者提出了利用倾斜波前技术的方法来实现，具体参见非专利文献美国光学快报Optics Express，10卷，第21期，1611-1166页。
在利用倾斜波前技术产生太赫兹脉冲辐射的实验中，一般通过透镜的方式，将从光栅衍射出来的光斑成像到铌酸锂晶体中。成像的方式有很多种，包括单透镜成像、透镜组成像、柱透镜成像等。对于激发光小于十个毫焦的飞秒激光脉冲来说，产生几个微焦的太赫兹脉冲的实验，可采用这种圆形光斑激发的模式。但对于高能量飞秒激光脉冲，由于铌酸锂晶体的破坏阈值的限制，需要将用于激发的飞秒激光光斑扩大，使用大光斑的飞秒激光激发。由于飞秒激光照射在铌酸锂晶体的62度角或63度角上，使得飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用区域的长度不相等。靠近铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与铌酸锂晶体的作用距离短，而远离铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与铌酸锂晶体的作用距离长。这使得产生的太赫兹脉冲在靠近铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太短；而远离铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太长，且产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内部需要传播很长的距离才能够耦合出来。由于这样的不均匀激发，随着飞秒激光能量密度的提高，很难保持住从飞秒激光到太赫兹脉冲的能量转化效率，甚至会导致能量转化效率的降低。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种太赫兹脉冲产生装置，包括：光栅、半波片、光束整形单元、成像单元和铌酸锂晶体；
利用泵浦飞秒激光照射所述光束整形单元，将所述泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形；整形后的泵浦飞秒激光通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。
优选地，所述光束整形单元具体包括：竖直设置的第一柱透镜和第二柱透镜；
所述第一柱透镜为平凸柱透镜，所述第二柱透镜为平凹柱透镜，所述第一柱透镜与所述第二柱透镜之间的间距为预设距离；
所述泵浦飞秒激光依次照射至所述第一柱透镜和所述第二柱透镜上。
优选地，所述预设距离为所述第一柱透镜的焦距与所述第二柱透镜的焦距之和的绝对值。
优选地，所述光栅为反射光栅或透射光栅。
优选地，所述成像单元为单个透镜或双透镜组合。
优选地，当所述成像单元包括第一平凸透镜和第二平凸透镜时，所述光栅位于所述第一平凸透镜的物方焦平面上，所述铌酸锂晶体位于所述第二平凸透镜的像方焦平面上；
所述第一平凸透镜与所述第二平凸透镜之间的间距为所述第一平凸透镜的焦距与所述第二平凸透镜的焦距之和。
优选地，所述装置还包括：至少一个反射镜；
所述至少一个反射镜设置在所述光束整形单元与所述光栅之间。
优选地，所述经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。
优选地，所述成像单元的成像倍数为0.3-0.6倍。
优选地，所述光栅的刻线密度为1500-2000线每毫米。
本发明提供的太赫兹脉冲产生装置，设置有光束整形单元，将泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形，使得最后入射至铌酸锂晶体上的激光光斑在竖直方向上成为一个椭圆形状，椭圆形状的长轴位于竖直方向上。激光光斑在竖直方向上的光斑宽度不变，在水平方向上的光斑宽度得到极大的压缩。通过这样的方式，可让高能量、大光斑的飞秒激光光斑尽量靠近铌酸锂晶体的62度角或63度角的切割边沿，最大限度的减少远离铌酸锂晶体切割边沿的位置产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内的传输损失，对提高太赫兹脉冲的能量转化效率有极大的帮助。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种太赫兹脉冲产生装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种太赫兹脉冲产生装置中光束整形单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种太赫兹脉冲产生装置中成像单元、光栅和铌酸锂晶体的位置关系图；
图4为本发明实施例提供的一种太赫兹脉冲产生装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明一实施例中提供的一种太赫兹脉冲产生装置的结构图，所述装置中包括：光栅1、半波片2、光束整形单元3、成像单元4和铌酸锂晶体5；
利用泵浦飞秒激光照射所述光束整形单元3，将所述泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形；整形后的泵浦飞秒激光通过所述光栅1衍射至所述半波片2上，经过所述半波片2改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元4后入射至所述铌酸锂晶体5上。以下均将泵浦飞秒激光简称为飞秒激光。
图1为俯视结构图，在太赫兹脉冲产生装置中，光束整形单元3、成像单元4与铌酸锂晶体5均为竖直设置。
具体地，由于现有技术中，对于飞秒激光器产生的高能量飞秒激光脉冲来说，由于铌酸锂晶体的破坏阈值的限制，需要将用于激发的飞秒激光光斑扩大，使用大光斑的飞秒激光激发。由于飞秒激光照射在铌酸锂晶体的62度角或63度角上是圆形光斑，使得飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用区域的长度不相等。靠近铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与晶体的作用距离短，而远离铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与铌酸锂晶体的作用距离长。这使得产生的高能量太赫兹脉冲在靠近铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太短；而远离铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太长，且产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内部需要传播很长的距离才能够耦合出来。这将会导致不均匀激发，当飞秒激光能量密度提高时，容易造成飞秒激光到太赫兹脉冲的能量转化效率降低。
为解上述问题，本发明在太赫兹脉冲产生装置中设置有光束整形单元，将所述飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形，使得最后入射至铌酸锂晶体上的激光光斑在竖直方向上成为一个椭圆形状，椭圆形状的长轴位于竖直方向上。激光光斑在竖直方向上的光斑宽度不变，在水平方向上的光斑宽度得到极大的压缩。通过这样的方式，可让高能量、大光斑的飞秒激光光斑尽量靠近铌酸锂晶体的62度角或63度角的切割边沿，最大限度的减少远离铌酸锂晶体切割边沿的位置产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内的传输损失，对提高太赫兹脉冲的能量转化效率有极大的帮助。
本发明光栅之前的光束整形单元可以将飞秒激光的圆形光斑在水平方向上压缩并调节成为准直光。这将直接影响进入光栅后的衍射光束的发散情况，以及后续光学元件的收集情况，也对太赫兹脉冲的产生效率有很大的影响。
图1中采用的铌酸锂晶体为63度角，光栅为反射光栅，入射至反射光栅上的整形后的飞秒激光与半波片位于反射光栅的同一侧。需要说明的是，本发明的方案并不限于反射光栅，还可以利用透射光栅达到相同的或更好的效果。当本发明采用透射光栅时，入射至反射光栅上的整形后的飞秒激光与半波片分别位于反射光栅的两侧。
在上述实施例的基础上，本发明提供的太赫兹脉冲产生装置中还包括飞秒激光器，用于产生飞秒激光。由于在太赫兹脉冲产生装置中设置了飞秒激光器，可以持续的产生高能量的太赫兹脉冲。
在上述实施例的基础上，所述光束整形单元具体包括：竖直设置的第一柱透镜和第二柱透镜；
所述第一柱透镜为平凸柱透镜，所述第二柱透镜为平凹柱透镜，所述第一柱透镜与所述第二柱透镜之间的间距为预设距离；
所述飞秒激光依次照射至所述第一柱透镜和所述第二柱透镜上。
具体地，如图2所示，为光束整形单元的结构图，图中第一柱透镜31为平凸柱透镜，第二柱透镜32为平凹柱透镜，第一柱透镜31和第二柱透镜32均竖直设置，且第一柱透镜31的平面与第二柱透镜32的凹面相对，飞秒激光从第一柱透镜31的凸面射入，依次经第一柱透镜31的平面、第二柱透镜32的凹面和第二柱透镜32的平面并入射至光栅1上。第一柱透镜31和第二柱透镜32之间的间距为预设距离d，这个预设距离d指的是从第一柱透镜31的平面和第二柱透镜32的平面之间的距离。设置预设距离的目的是为了使第一柱透镜31和第二柱透镜32的组合使用，使飞秒激光的圆形光斑竖直方向的直径不变，水平方向的直径变小，变为椭圆形光斑，同时又不使飞秒激光光束发生聚焦。
在上述实施例的基础上，所述预设距离为所述第一柱透镜的焦距与所述第二柱透镜的焦距之和的绝对值。
具体地，第一柱透镜31和第二柱透镜32之间的间距通过如下公式计算：
d＝|f1+f2|，
其中，d为第一柱透镜31和第二柱透镜32之间的间距，即预设距离，f1为第一柱透镜31的焦距，f2为第二柱透镜32的焦距。需要说明的是，由于第一柱透镜31为平凸柱透镜，所以f1>0；第二柱透镜32为平凹柱透镜，所以f2<0。例如，选取焦距为50mm的第一柱透镜31和焦距为-100mm的第二柱透镜32为例，则d＝50mm。
在上述实施例的基础上，可将第一柱透镜和第二柱透镜安装在可拆卸的光学支架上，取下两个柱透镜可进行圆形光斑激发的方式获得太赫兹辐射的效率；插上两个柱透镜则可进行椭圆形光斑激发的方式获得太赫兹辐射的效率，进而可比较椭圆形光斑激发与圆形光斑激发在不同的飞秒激光条件情况下产生的太赫兹辐射效率的不同，以及产生的太赫兹辐射的性质的不同，包括太赫兹光斑的发散角、太赫兹辐射的光谱宽度、太赫兹辐射的光斑与光束质量等。
在上述实施例的基础上，所述成像单元为单个透镜或双透镜组合。
需要注意的是，本发明采用的方法是利用倾斜波前技术的方法在铌酸锂晶体中产生高能量太赫兹辐射，而倾斜波前技术要求成像单元需要具有小于1的成像倍数，以使经过成像单元后的飞秒激光会聚在铌酸锂晶体上，产生高能量太赫兹脉冲。具体地，本发明中的成像单元的成像倍数设置为0.3-0.6倍。
需要注意的是，成像单元的成像倍数的设置会影响整形后的飞秒激光在光栅上的入射角及衍射角。也就是说，当选定了飞秒激光的波长，确定了光栅刻线密度，选定了成像单元的成像倍数，则光栅的入射角和衍射角就随之确定。
在上述实施例的基础上，当所述成像单元包括第一平凸透镜和第二平凸透镜时，所述光栅位于所述第一平凸透镜的物方焦平面上，所述铌酸锂晶体位于所述第二平凸透镜的像方焦平面上；
所述第一平凸透镜与所述第二平凸透镜之间的间距为所述第一平凸透镜的焦距与所述第二平凸透镜的焦距之和。
具体地，如图3所示为成像单元、光栅和铌酸锂晶体的位置关系图。图3中成像单元包括第一平凸透镜41和第二平凸透镜42，所述光栅1位于所述第一平凸透镜41的物方焦平面上，所述铌酸锂晶体5位于所述第二平凸透镜42的像方焦平面上。也就是说，光栅1与第一平凸透镜41之间的距离为第一平凸透镜的焦距，铌酸锂晶体5与第二平凸透镜42之间的距离为第二平凸透镜的焦距。
第一平凸透镜41与第二平凸透镜42之间的间距为第一平凸透镜的焦距与第二平凸透镜的焦距之和，以保证经光栅后的近似于平行的飞秒激光可以通过第一平凸透镜41会聚，再经过第二平凸透镜42以平行光射入铌酸锂晶体1中。
需要说明的是，图3中省略了半波片，半波片设置在光栅1和第一平凸透镜41之间。第一平凸透镜41和第二平凸透镜42可以是普通的平凸透镜，也可以是平凸柱透镜，本发明在此不作具体限定。
在上述实施例的基础上，高能量太赫兹脉冲产生装置中还包括：至少一个反射镜；所述至少一个反射镜设置在所述光束整形单元与所述光栅之间。还可以将一个反射镜设置在飞秒激光器与光束整形单元之间。在装置中设置反射镜的作用是可以使整个装置的尺寸小型化，避免光路过长，影响操作。
在上述实施例的基础上，需要保证的是，经过所述半波片改变所述整形后的飞秒激光的偏振方向后，所述整形后的飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。这样才能使整形后的飞秒激光激发铌酸锂晶体产生高能量太赫兹脉冲。
在上述实施例的基础上，如图4所示，本发明另一实施例提供了一种高能量太赫兹脉冲产生装置，本实施例采用重复频率为10Hz-1kHz，中心波长为800nm-2000nm的飞秒激光器6产生的飞秒激光脉冲来激发铌酸锂晶体5，飞秒激光脉冲宽度为50fs-1ps，单脉冲最高能量约mJ量级，光束截面为圆形，直径可选5mm-20mm。飞秒激光脉冲经过反射镜7射入第一柱透镜31和第二柱透镜32。光束截面为圆形的飞秒激光经过第一柱透镜31和第二柱透镜32后得到竖直方向宽度不变、水平方向宽度缩短的椭圆形光束截面的飞秒激光，例如，飞秒激光的圆形光斑直径为20mm，可得到竖直方向宽度为20mm、水平方向宽度为5mm的椭圆形光斑。
第一柱透镜31和第二柱透镜32整形后的飞秒激光经反射镜8、反射镜9反射后改变了光路的方向，并使整形后的飞秒激光通过1500-2000刻线每毫米的光栅1衍射到半波片2上，通过精确计算光栅1的入射角与衍射角，可以得到成像单元4的成像倍数。这里利用一个半波片2将光的偏振方向从水平转向竖直，并与铌酸锂晶体5的光轴方向平行。
本发明利用两个柱透镜实现椭圆形光斑的飞秒激光的制备，并与倾斜波前成像单元分开，在实验光路的搭建上更加简易，容易调节；在太赫兹脉冲的能量转化效率的优化上，也为实验降低了难度；在理解实验原理的过程中，使得实验每一步操作更加清晰明确，对理解实验原理以及各实验参数对太赫兹辐射效率的影响有更好的帮助。
最后，本发明仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，包括：光栅、半波片、光束整形单元、成像单元和铌酸锂晶体；
利用泵浦飞秒激光照射所述光束整形单元，将所述泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形；
整形后的泵浦飞秒激光通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束整形单元具体包括：竖直设置的第一柱透镜和第二柱透镜；
所述第一柱透镜为平凸柱透镜，所述第二柱透镜为平凹柱透镜，所述第一柱透镜与所述第二柱透镜之间的间距为预设距离；
所述泵浦飞秒激光依次照射至所述第一柱透镜和所述第二柱透镜上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预设距离为所述第一柱透镜的焦距与所述第二柱透镜的焦距之和的绝对值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光栅为反射光栅或透射光栅。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像单元为单个透镜或双透镜组合。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述成像单元包括第一平凸透镜和第二平凸透镜时，所述光栅位于所述第一平凸透镜的物方焦平面上，所述铌酸锂晶体位于所述第二平凸透镜的像方焦平面上；
所述第一平凸透镜与所述第二平凸透镜之间的间距为所述第一平凸透镜的焦距与所述第二平凸透镜的焦距之和。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：至少一个反射镜；
所述至少一个反射镜设置在所述光束整形单元与所述光栅之间。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述成像单元的成像倍数为0.3-0.6倍。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述光栅的刻线密度为1500-2000线每毫米。
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