CN107561813A - 基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞秒激光光学整流法产生太赫兹波的方法，为提出一种基于薄棱镜组实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法。采用薄棱镜组对扩束后的泵浦飞秒脉冲实现连续倾斜脉冲波面，较少引入任何时、空、频域的畸变，能够提升光‑太赫兹波转换效率，且具有造价低廉，调节方便，简单高效，实用性强的特点，本发明，基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置与方法，由飞秒激光光源、扩束镜、薄棱镜组、成像透镜、铌酸锂晶体构成；薄棱镜组由四个小顶角的直角薄棱镜构成；飞秒激光光源产生的激光脉冲经过所述的扩束镜后脉冲波面为平面，然后垂直入射到薄棱镜组，再经成像透镜投射到铌酸锂晶体。本发明主要应用于产生太赫兹波。

Description

基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置与方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光光学整流法产生太赫兹波的方法，特别是一种基于薄棱镜组实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法。

背景技术

目前采用光学整流方法产生超快太赫兹波是太赫兹技术领域中的重要光子学手段之一[1]。光学整流方法产生超快太赫兹波的主要机理是利用非线性晶体的二阶非线性效应。当飞秒脉冲作用于非线性晶体时，脉冲中的单色分量不再独立传播，而是发生了混频现象。其中和频效应产生频率接近于二次谐波的光波，而差频效应则会产生一个低频振荡的电极化场，此电极化场能够辐射出处于太赫兹波段的低频电磁波。因此，利用光学整流效应产生太赫兹波的能量主要来源于入射激光脉冲的能量，而其能量转换效率主要依赖于：介质的二阶非线性系数、介质对太赫兹波的吸收系数以及激光脉冲与太赫兹波之间的相位匹配情况。当非线性晶体选定之后，相位匹配条件就是唯一考虑的可操控的因素。飞秒激光与非线性晶体作用时的相位匹配越好，则泵浦脉冲与产生的太赫兹波在晶体中可以作用的距离越长，太赫兹波的光-光转换效率就更高。

在光学整流法产生太赫兹波的研究中，需要具有较大非线性系数的非线性晶体，而目前能够匹配激光源波段产生太赫兹波的非线性晶体是有限的。其中具有较高非线性系数的铌酸锂(LiNbO3)晶体是目前使用最广泛的晶体之一。但是该晶体中的THz波段折射率大于泵浦光的折射率，因此常规泵浦条件下只能以“切伦科夫辐射”的形式发出太赫兹波，并用硅棱镜导出或者沿THz波出射方向切割晶体面。在这种条件下，由于泵浦光和太赫兹波的“空间走离”效应和“切伦科夫辐射”[2]的太赫兹波的锥形发射面，使得采用LiNbO3晶体的太赫兹源的产生效率较低和太赫兹波质量较差。

直到2002年，匈牙利的Hebling等[3]提出在LiNbO3晶体中采用倾斜脉冲波面泵浦(TPFP)的新方法，可以提供泵浦光在太赫兹波方向具有速度分量，并维持与太赫兹波速度同步，这样就克服了“时、空走离效应”，明显增加了转换效率；并使得太赫兹波由“切伦科夫辐射”的锥面发射变为单向平面发射，太赫兹波的有效使用率也大大提升。从此该项技术的研究与应用获得了快速发展。目前TPFP技术中实现脉冲波面倾斜的方法是利用衍射光栅提供的角色散，再利用透镜成像系统将倾斜波面脉冲成像于LiNbO3晶体棱镜的出射面内侧。

因此，在倾斜脉冲波面泵浦LiNbO3晶体产生太赫兹波的技术中，倾斜脉冲波面的质量对太赫兹波的产生过程和质量至关重要。原则上讲，倾斜脉冲波面的方法除了提供脉冲波面倾斜的效果之外，不应该对原有泵浦脉冲的时、空、频域等特性带来影响，否则其产生太赫兹波的时、空、频域特性必将不同于非倾斜脉冲波面泵浦方法的结果。然而，在采用衍射光栅角色散实现TPFP的过程中，必然对原泵浦飞秒脉冲引入时间和空间啁啾；同时由于光栅结构的存在，对脉冲作用的结果是时、频分散，即倾斜波面后的脉冲波面不再是连续的，即是由光束中各个时、频分离的小脉冲集合而成，而且光束也是发散光，这给后面成像的准确性和产生太赫兹过程带来明显影响。

此外，日本人提出了另一种波面倾斜方法[4]，是利用不同长度光纤排列，不同光纤提供了不同延迟，从而在光纤出射的排列面上的脉冲集合就形成了一个斜面。但是这种方法产生的所谓“脉冲波面倾斜”完全不同于脉冲波面倾斜概念的宗旨，即脉冲波面倾斜应该是对单个脉冲实现的连续倾斜，而不是多个分离脉冲面的组合。与光栅法的原脉冲引入了时、空啁啾相比，光纤方法是对原脉冲进行了时、空分离，由此产生的太赫兹波是各个分离脉冲独立产生的，从而使得叠加后太赫兹波的时空特性出现畸变。

此外，目前能够实现精确满足LiNbO₃晶体棱镜出射角度(铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫波面)的倾斜脉冲波面所需衍射光栅参数很难与现有商用光栅参数匹配。如果定制光栅费用高昂。一般都是采购参数相近的商用光栅，这样必然引入了倾斜角度误差。因此，对于TPFP铌酸锂晶体产生太赫兹波技术领域，研究和发展一种连续倾斜泵浦脉冲波面，又不引起泵浦脉冲的时、空、频域等特性畸变的新技术是非常必要的。

[1]许景周、张希成，太赫兹科学技术和应用，北京大学出版社，2007.

[2]D.H.Auston,K.P.Cheung,J.A.Valdmanis,and D.A.Kleinman,Cherenkovradiation from femtosecond optical pulses in electro-optic media,Phys.Rev.Lett.1984,53:1555.

[3]Hebling J,Almasi G,Kozma I Z,et al.Velocity matching by pulsefront tilting for large-area THz-pulse generation,Optics Express,2002,10(21):1161.

[4]大竹秀幸；上原让；田中耕一郎；永井正也,太赫兹波产生装置以及太赫兹波产生方法，中国发明专利(ZL200980133581.3)

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于薄棱镜组实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法。采用薄棱镜组对扩束后的泵浦飞秒脉冲实现连续倾斜脉冲波面，较少引入任何时、空、频域的畸变，能够提升光-太赫兹波转换效率，且具有造价低廉，调节方便，简单高效，实用性强的特点。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置，由飞秒激光光源、扩束镜、薄棱镜组、成像透镜、铌酸锂晶体构成；薄棱镜组由四个小顶角的直角薄棱镜构成；飞秒激光光源产生的激光脉冲经过所述的扩束镜后脉冲波面为平面，然后垂直入射到薄棱镜组，经薄棱镜组折射后输出，再经成像透镜投射到铌酸锂晶体。

所述的铌酸锂晶体通光入射面为晶体光轴的z-a面，晶体出射面与z-b面的夹角为63.5度；根据入射波长该角度可以调整。

投射到铌酸锂晶体脉冲波面平行于铌酸锂晶体的出射面，铌酸锂晶体的出射面按照铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫辐射面切割。

薄棱镜组由四个顶角为10.7°的直角棱镜构成，材质为BK7玻璃，且在通光面镀有对泵浦激光波段的增透膜，并使它们的底边相连，直角通光面始终保持垂直于入射激光方向。

基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生方法，使用飞秒激光光源、扩束镜产生脉冲波面为平面的脉冲，利用薄薄棱镜组使扩束后的泵浦飞秒脉冲实现连续倾斜脉冲波面，再经成像透镜投射到铌酸锂晶体。

投射到铌酸锂晶体脉冲波面平行于铌酸锂晶体的出射面，铌酸锂晶体的出射面按照铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫辐射面切割。

本发明的特点及有益效果是：

由于本方法采用薄棱镜组实现波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的技术，仅仅涉及较少的角色散，没有衍射，因此与先方法相比，本发明具有以下显著的特点：

1.该方法采用薄棱镜组，由4个(不限于4个)小顶角的直角薄棱镜构成。

2.该方法采用薄棱镜组，每个薄透镜仅通过对扩束泵浦脉冲在上下空间范围引入连续光程差实现了对泵浦脉冲波面连续的倾斜，而没有对原有脉冲引入空、频域的畸变。

3.该方法中采用的薄棱镜组，每个薄棱镜的通光直角面总是保持垂直于入射激光方向放置，因此调节方便，

4.该方法中采用的薄棱镜组，每个薄棱镜的底面保持相连放置，占有空间最小。

5.该方法中采用的薄棱镜组，薄棱镜的设计避免了在棱镜出射面的全内反射损耗，且在通光面镀制对入射激光的增透膜，可大大减少损耗。

6.该方法中采用的薄棱镜组，薄棱镜的通光面尺寸取为如射光束的尺寸，可起到限束的作用。

7.该方法中采用薄棱镜组如果反向放置，可十分方便地实现倾斜脉冲面的反转。

8.该方法中仅对扩束泵浦脉冲有效。而扩束同时也大大降低了入射到晶体内的功率(能量)密度，有利于继续增加泵浦功率，获得更高的太赫兹波功率(能量)。

9.该方法中采用的元器件都非常容易获得，相对先方法，成本低廉。

附图说明：

图1用薄棱镜组(四个薄棱镜)构成的连续倾斜脉冲波面的结构及原理图。

图2采用薄棱镜组实现波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法的简图。图中标号分别为：飞秒激光光源1、扩束镜2、薄棱镜组3、成像透镜4、铌酸锂晶体5。

具体实施方式

本发明目的在于克服现有技术采用光栅倾斜脉冲波面泵浦铌酸锂产生太赫兹波方法的局限性，提供一种采用薄棱镜组实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法。该方法利用了四个连续放置的薄棱镜对扩束后的泵浦飞秒脉冲实现了连续倾斜脉冲波面。这种倾斜脉冲波面方法通过光程引入倾斜，不引入任何空间和频域的畸变，而由于材料色散引入的时间啁啾对于百飞秒—皮秒级的入射脉冲宽度影响可以忽略不计。该方法不但提升了光-太赫兹波转换效率，而且具有造价低廉，调节方便，简单高效，实用性强的特点。

本发明的方法解决方案如下：

一种采用薄棱镜组实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法，所采用的器件包括飞秒激光光源、扩束镜、薄棱镜组、成像透镜、铌酸锂晶体。其特征在于该方法包括下列步骤：

①所述的飞秒激光光源输出波长为1040nm的飞秒脉冲，激光脉冲经过所述的扩束镜；

②经过所述的扩束镜将泵浦激光光束直径扩束至2-4倍。扩束后的泵浦脉冲经过所述的薄棱镜组；

③经过所述的薄棱镜组泵浦脉冲经过所述的成像透镜入射至所述的铌酸锂晶体；

所述的1040nm泵浦激光脉冲可以满足以下条件：

①所述的1040nm飞秒激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

②所述的1040nm飞秒激光器脉冲宽度为百fs-ps量级。

所述的薄棱镜组满足以下要求。

①所述的薄棱镜组由四个薄直角棱镜底边连续放置构成，见图1；

③所述的薄直角棱镜用BK7(n＝1.517)(或者K9(n＝1.516))玻璃制成，BK7为德国肖特玻璃牌号，该薄棱镜的顶角为10.7°。这是考虑对入射脉冲最终实现倾斜64°的效果，即四棱镜组中每个棱镜需要实现倾斜16°的设计参数。以此类推可用于对于其他倾斜角度要求的设计；

③所述的薄直角棱镜的通光面尺寸取入射光束的尺寸，即棱镜也做为限束光阑；

④所述的薄直角棱镜的两个通光面都镀有对入射激光的增透膜，以减小损耗；

⑤所述的薄直角棱镜的直角面为泵浦激光的入射面，且都保持垂直于入射方向放置。

所述的成像透镜满足以下要求：

①所述的成像透镜可以是单透镜成像，也可以是多透镜组合成像。

所述的铌酸锂晶体满足以下要求：

②所述的铌酸锂晶体通光入射面为晶体光轴的z-a面，晶体出射面与z-b面的夹角为63.5度；根据入射波长该角度可以调整。

本发明的原理是：

产生泵浦脉冲波面倾斜的薄棱镜组由四个顶角为10.7°的直角棱镜(BK7玻璃，设计总倾斜角为64°)构成，且在通光面镀有对泵浦激光波段的增透膜，并使它们的底边相连，直角通光面始终保持垂直于入射激光方向，其放置结构和延迟原理如图1所示。一束扩展的泵浦脉冲，其脉冲波面开始时为平面，即在同一时间内空间所有部分同时到达垂直参考平面；当该脉冲光入射到薄棱镜组后，光束在棱镜的上下沿位置经历的光程不同，下沿处光束慢于上沿处，因此实现了出射光束脉冲面的倾斜。而采用本方法的薄棱镜组的优点是：(1)由于是扩展光束，该脉冲经过薄棱镜组后仅仅产生了脉冲波面相对于位相面的倾斜，避免引入较大的角色散，光束发散和空间啁啾；(2)在棱镜的出射面(斜面)内远离全内反射角，减小反射损耗；(3)棱镜组的体积最小。倾斜脉冲波面的泵浦光经过透镜成像系统进入铌酸锂晶体，脉冲波面平行于铌酸锂晶体的出射面(该面按照晶体内产生太赫兹波的切伦科夫辐射面切割)。如上所述，整个系统的构成简图如图2所示。本项发明技术与原有方法相比能够有效提升太赫兹波的转换效率和太赫兹波的质量。

本发明是采用四个薄棱镜构成的薄棱镜组实现波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法，请先参阅图2，图2是本发明采用薄棱镜组实现波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法的光路图，由图可见，所采用的器件包括飞秒激光光源、扩束镜、薄棱镜组、成像透镜、铌酸锂晶体。该方法包括下列步骤：

a)所述的飞秒激光光源(1)输出一个波长为1040nm的150fs-2ps的激光脉冲，激光脉冲经过所述的扩束镜(2)；

b)经过所述的扩束镜(2)输出泵浦激光脉冲光束的直径为2mm-4mm，再经过所述的薄棱镜组(3)。

c)所述的薄棱镜组(3)输出一个倾斜脉冲波面的泵浦脉冲经过所述的成像透镜(4)。

d)所述的成像透镜(4)将倾斜脉冲波面的泵浦脉冲耦合进入铌酸锂晶体(5)产生太赫兹波。

所述的1040nm泵浦激光脉冲满足以下条件：

所述的1040nm飞秒激光器可以为其他波长的脉冲激光器。

所述的薄棱镜组满足以下要求：

①所述的薄棱镜组由BK7玻璃制成，顶角为10.7°(根据不同棱镜材料设计)，通光面镀有增透膜；

②所述的薄棱镜组中的棱镜都以通光直角面垂直于入射激光方向，底面相连之间的方式放置；

③所述的薄棱镜组中的棱镜的通光面尺寸根据入射光束的尺寸选择。

所述的成像透镜满足以下要求：

①所述的成像透镜可以是单透镜成像，也可以是多透镜组合成像，如望远镜系统。

所述的铌酸锂晶体满足以下要求：

①所述的铌酸锂晶体通光入射面为晶体光轴的z-a面，晶体出射面与z-b面的夹角为63.5度(根据入射波长计算该角度)。

Claims (6)

1.一种基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置，其特征是，由飞秒激光光源、扩束镜、薄棱镜组、成像透镜、铌酸锂晶体构成；薄棱镜组由四个小顶角的直角薄棱镜构成；飞秒激光光源产生的激光脉冲经过所述的扩束镜后脉冲波面为平面，然后垂直入射到薄棱镜组，经薄棱镜组折射后输出，再经成像透镜投射到铌酸锂晶体。

2.如权利要求1所述的基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置，其特征是，所述的铌酸锂晶体通光入射面为晶体光轴的z-a面，晶体出射面与z-b面的夹角为63.5度；根据入射波长该角度可以调整。

3.如权利要求1所述的基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置，其特征是，投射到铌酸锂晶体脉冲波面平行于铌酸锂晶体的出射面，铌酸锂晶体的出射面按照铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫辐射面切割。

4.如权利要求1所述的基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生装置，其特征是，薄棱镜组由四个顶角为10.7°的直角棱镜构成，材质为BK7玻璃，且在通光面镀有对泵浦激光波段的增透膜，并使它们的底边相连，直角通光面始终保持垂直于入射激光方向。

5.一种基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生方法，其特征是，连续倾斜脉冲波面泵浦铌酸锂产生太赫兹波的方法，使用飞秒激光光源、扩束镜产生脉冲波面为平面的脉冲，利用薄薄棱镜组使扩束后的泵浦飞秒脉冲实现连续倾斜脉冲波面，再经成像透镜投射到铌酸锂晶体。

6.如权利要求5所述的基于薄透镜组连续倾斜脉冲波面太赫兹波产生方法，其特征是，投射到铌酸锂晶体脉冲波面平行于铌酸锂晶体的出射面，铌酸锂晶体的出射面按照铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫辐射面切割。