CN107561815B - 一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法，所述装置包括：飞秒激光器、反射光栅、半波片、成像透镜和铌酸锂晶体结合结构，所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅衍射到所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜后入射至铌酸锂晶体结合结构中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。其中，所述铌酸锂晶体结合结构包括切割成底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

Description

一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1～10THz的电磁波，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，光学整流是被认为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级联的反复发生，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)一直是被用来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。

第二种方法利用光学整流的方法是利用倾斜波前技术在铌酸锂晶体中产生强场太赫兹辐射。铌酸锂在光学领域的地位相当于硅材料在半导体工业，是一个很好的候选材料。它具有非常多的优点，比如大的损伤阈值，可用于高能量激光器；高非线性系数，可获得高的能量转化效率；大的能量带隙(4eV)，克服双光子或多光子吸收带来的能量损耗；对泵浦波长无选择性等。但由于红外光和太赫兹波在铌酸锂晶体中有着不同的折射率，前者约为5，后者约为2.3，为了能够实现最大限度的相位匹配，Hebling等提出了倾斜波前的方法参见非专利文献美国光学快报Optics Express，10卷，第21期，1611-1166页。

现有技术中，使用光子学方法产生太赫兹波的关键步骤在于铌酸锂发射晶体的切割方式采用梯形或等腰三角形的切割方式。在实验过程中，激发光直接照射在晶体的62-63°角，太赫兹波则沿着与入射激发光成一个角度方向发射出来。

在现有技术中，由于倾斜波前技术在空间几何上的非共线特征，使得当高能量(单脉冲能量高于100mJ)、大光斑(光斑直径大于5mm)的飞秒激光脉冲作用在铌酸锂晶体上产生高能太赫兹脉冲的时候，靠近晶体62-63°角切割边沿的激发光在晶体内传播距离过短，而远离该角边沿的激发光在晶体内传播距离长，这就使得激发光到太赫兹波的光子能量转化效率无法进一步提高，甚至保持在原有水平都有困难。

发明内容

为解决现有技术中飞秒激光脉冲作用在铌酸锂晶体上产生高能太赫兹脉冲的时候，靠近晶体62-63°角切割边沿的激发光在晶体内传播距离过短，而远离该角边沿的激发光在晶体内传播距离长，这就使得激发光到太赫兹波的光子能量转化效率无法进一步提高的问题，提出一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种铌酸锂晶体结合结构，包括：底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上；

其中，所述等腰三角柱形铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

其中，所述铌酸锂晶体结合结构中掺杂有5～6.2mol％的氧化镁。

根据本发明的第二方面，提供一种高能太赫兹脉冲产生装置，包括：飞秒激光器、反射光栅、半波片、成像透镜和一个如本发明第一方面提供的铌酸锂晶体结合结构，所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅衍射到所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜后入射至铌酸锂晶体结合结构中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。

其中，所述反射光栅的刻线密度为1500～2000线每毫米。

其中，所述光栅和所述铌酸锂晶体之间的成像透镜为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合；所述成像透镜的成像倍数为0.3～0.6倍。

其中，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体结合结构时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

根据本发明的第三方面，提供一种基于上述第二方面所述装置的高能太赫兹脉冲产生方法，包括对飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光进行光栅衍射后垂直射到半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再垂直射向成像透镜，进行缩小成像；

将缩小成像后的光束入射至铌酸锂晶体结合结构中，在所述铌酸锂晶体结合结构的晶片内产生太赫兹脉冲辐射。

其中，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体结合结构时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

本发明提出的一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法，通过改进铌酸锂晶体的结构，对于高能量、大光斑的激发光可以维持高效率的太赫兹辐射，同时辐射的太赫兹波不存在非线性失真的问题，获得更好的太赫兹波发射特性，便于后续实验应用。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种用于产生高能太赫兹脉冲的铌酸锂晶体结合结构中等腰三角形棱柱铌酸锂晶体设计的结构图；

图2为本发明一实施例提供的一种用于产生高能太赫兹脉冲的铌酸锂晶体结合结构的俯视图；

图3为本发明另一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生装置的结构图；

图4为本发明另一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生装置的光路图；

图5为本发明又一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生方法的流程图；

图6为本发明又一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生方法中太赫兹辐射产生的示意图。

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。

参考图1和图2，图1为本发明一实施例提供的一种用于产生高能太赫兹脉冲的铌酸锂晶体结合结构中等腰三角形棱柱铌酸锂晶体的结构图；图2为本发明一实施例提供的一种用于产生高能太赫兹脉冲的铌酸锂晶体结合结构的俯视图。所述铌酸锂晶体结合结构具体包括：

切割成底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上，其中，所述等腰三角柱形铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

具体的，沿着晶体的Y方向切割的铌酸锂等腰三角棱形晶体；该晶体在XZ平面内的切割方式为两个底角62.8度、顶角54.4度的等腰三角形；Y方向切割的铌酸锂棱镜为6.0mol％的MgO掺杂浓度。它为三角形结构。三个长方形表面未镀增透膜。在晶体XZ平面内的两等腰三角形面无需抛光，而对于与Y轴方向平行的三个面需光学抛光。该铌酸锂棱形晶体的作用在于，将入射激光倾斜的波前通过成功传输到结合的铌酸锂晶片上，并将产生了太赫兹辐射后的生物激发光能量成功的全反射出来，以便用于下一级太赫兹辐射的产生，达到激发光能量反复使用的目的，以提高太赫兹辐射的能量转化效率。

在该晶体的54.4度角正对的平面上，通过光学接触的方法需紧密结合一块铌酸锂晶片，该晶片的切个方式为Y方向切割；晶片的Z轴方向与晶体的Y轴平行；晶片的大小需完全覆盖铌酸锂棱形晶体的等腰三角形底边所在的面，且该晶片的X轴与铌酸锂棱形晶体的Y轴垂直。通过铌酸锂棱形晶体后的激发光可顺利传输到铌酸锂晶片中，在结合的面内不会造成反射损失，也不会对倾斜波前造成破坏而使得高能太赫兹脉冲无法产生。

其中，所述铌酸锂晶体结合结构掺杂有5～6.2mol％的氧化镁。

通过此铌酸锂晶体结合结构，对于高能量、大光斑的激发光，克服传统晶体结构无法维持高效率的太赫兹辐射的问题，同时特殊的设计使得出射的太赫兹波不存在非线性失真的问题，获得更好的太赫兹波发射特性，便于后续实验应用。

参考图3，图3为本发明另一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生装置的结构图，所述装置包括：飞秒激光器31、反射光栅32、半波片33、成像透镜34和铌酸锂晶体结合结构35。

所述飞秒激光器31发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅32衍射到所述半波片33上，经过所述半波片33改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜34后入射至铌酸锂晶体结合结构35中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。

具体的，参考图4，图4为本发明另一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生装置的光路图，本实施例采用重复频率为10Hz-1kHz，中心波长为800nm-2000nm的放大级激光器41产生的激光脉冲来激发上述实施例提供的铌酸锂晶体结合结构45，激发光脉冲宽度为50fs-1ps，单脉冲最高能量约mJ量级，光斑直径为5.6mm*5.3mm。激发光脉冲通过1500-2000刻线每毫米的光栅42衍射到半波片上，通过精确计算光栅的入射角与衍射角，这里利用一个半波片43将光的偏振方向从水平转向竖直，并与绑定的铌酸锂晶片的光轴方向平行，使得对于晶片结合结构，产生太赫兹脉冲辐射位于被绑定的晶片内，而非三角形切割的铌酸锂晶体内。光栅与晶体间的成像系统为柱透镜对44，成像缩小倍数为0.3-0.6倍。

在上述实施例的基础上，优选的，所述反射光栅的刻线密度为1500～2000线每毫米。

所述光栅和所述铌酸锂晶体之间的成像透镜可以为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合，所述成像透镜的成像倍数为0.3～0.6倍。其中，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体时的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

通过此装置，由于竖直方向的偏振光与绑定的铌酸锂晶片的光轴方向平行，使得对于晶片结合结构，产生太赫兹脉冲辐射位于被绑定的晶片内，而非三角形切割的铌酸锂晶体内，使得对于高能量、大光斑的激发光，可以长时间维持高效率的太赫兹辐射高效率的太赫兹辐射，射的太赫兹波不存在非线性失真的问题，获得更好的太赫兹波发射特性，便于后续实验应用。

参考图5，图5为本发明又一实施例提供的一种高能太赫兹脉冲产生方法的流程图，所述方法包括：

S501，对飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光进行光栅衍射后垂直射到半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再垂直射向成像透镜，进行缩小成像；

S502，将缩小成像后的光束入射至铌酸锂晶体结合结构中，在所述铌酸锂晶片内产生太赫兹脉冲辐射。

具体的，如图6所示，所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅衍射到所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜后入射至铌酸锂晶体结合结构中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。

其中，所述铌酸锂晶体为，切割成底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上；其中，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

其中，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体结合结构时的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

通过此方法，通过改进铌酸锂晶体的结构，对于高能量、大光斑的激发光可以维持高效率的太赫兹辐射，同时辐射的太赫兹波不存在非线性失真的问题，获得更好的太赫兹波发射特性，便于后续实验应用。

最后，本申请的方法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 (8)

1.一种铌酸锂晶体结合结构，其特征在于，包括：底角为62~63度，顶角为54~56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1~5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上；

其中，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理；所述铌酸锂晶体结合结构掺杂有5~6.2mol%的氧化镁。

2.一种高能太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，包括：

飞秒激光器、反射光栅、半波片、成像透镜和如权利要求1所述的铌酸锂晶体结合结构，所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅衍射到所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜后入射至如权利要求1所述的铌酸锂晶体结合结构中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射光栅的刻线密度为1500~2000线每毫米。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光栅和所述铌酸锂晶体结合结构之间的成像透镜为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述成像透镜的成像倍数为0.3~0.6倍。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体结合结构时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

7.一种基于权利要求2-6任一所述装置的高能太赫兹脉冲产生方法，其特征在于，包括：

对飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光进行光栅衍射后垂直射到半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再垂直射向成像透镜，进行缩小成像；

将缩小成像后的光束入射至如权利要求1所述的铌酸锂晶体结合结构中，在所述铌酸锂晶片内产生太赫兹脉冲辐射。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述泵浦飞秒激光入射到所述铌酸锂晶体结合结构时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。