CN107561816A

CN107561816A - 一种高能太赫兹波产生装置

Info

Publication number: CN107561816A
Application number: CN201710979132.7A
Authority: CN
Inventors: 吴晓君; 戴军; 方兆吉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明提供一种高能太赫兹波产生装置，包括：飞秒激光器、用于波前倾斜的光栅以及铌酸锂晶体，所述光栅制备在所述铌酸锂晶体的入射面上；所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述光栅射入所述铌酸锂晶体中，从而在所述铌酸锂晶体中产生太赫兹辐射，其中，所述泵浦飞秒激光通过所述光栅射入到所述铌酸锂晶体时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。本发明提出的一种高能太赫兹波产生装置，通过将用于波前倾斜的光栅元件制备在发射晶体上，实现空间上的共线光路，从而优化太赫兹辐射效率。

Description

一种高能太赫兹波产生装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种高能太赫兹波产生装置。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1～10THz的电磁波，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波，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波让人望而却步。

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，在利用倾斜波前技术产生高能太赫兹辐射的实验中，多是采用波前倾斜元件与发射晶体分离的方式，并且在波前倾斜元件与发射晶体之间，还需增加成像系统，才能最终通过倾斜波前技术产生太赫兹辐射，一般的波前倾斜元件包括台阶镜、光栅等，发射晶体一般采用采用铌酸锂晶体。

但是，由于倾斜波前技术在空间几何上的非共线特征，导致光路搭建困难，太赫兹辐射效率优化困难。

发明内容

为解决现有技术中由于倾斜波前技术在空间几何上的非共线造成光路搭建困难的问题，提出一种高能太赫兹波产生装置。

根据本发明的一个方面，提供一种高能太赫兹波产生装置，包括：飞秒激光器、用于波前倾斜的光栅以及铌酸锂晶体，所述光栅制备在所述铌酸锂晶体的入射面上；

所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述光栅射入所述铌酸锂晶体中，从而在所述铌酸锂晶体中产生太赫兹辐射，其中，所述泵浦飞秒激光通过所述光栅射入到所述铌酸锂晶体时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。

其中，所述用于波前倾斜的光栅为透射型光栅或反射型光栅。

其中，所述透射型光栅或反射型光栅的光程差等于一个波长。

其中，所述透射型光栅或反射型光栅的刻线密度为1500～2000线每毫米。

其中，所述铌酸锂晶体的出射面上安置有激发光分离器，所述激发光分离器将所述铌酸锂晶体中产生的太赫兹辐射和所述泵浦飞秒激光分离。

其中，所述激发光分离器为高阻硅片，所述高阻硅片透射所述太赫兹辐射，并反射所述泵浦飞秒激光。

其中，所述激发光分离器为ITO玻璃，所述ITO玻璃透射所述泵浦飞秒激光，并反射所述太赫兹辐射。

其中，所述铌酸锂晶体的相位匹配角度为62～63度。

其中，所述铌酸锂晶体为厚度1～5mm的铌酸锂晶片。

其中，所述铌酸锂晶体的入射面和出射面进行了光学抛光。

本发明提出的一种高能太赫兹波产生装置，通过将用于波前倾斜的光栅元件制备在发射晶体上，实现空间上的共线光路，从而优化太赫兹辐射效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种透射式光栅结构的高能太赫兹波产生装置；

图2为本发明一实施例提供的一种反射式光栅结构的高能太赫兹波产生装置。

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。

现有技术中，在利用倾斜波前技术产生高能太赫兹辐射的实验中，多是采用波前倾斜元件与发射晶体分离的方式。因此，在波前倾斜元件与发射晶体之间，还需增加成像系统，才能最终通过倾斜波前技术产生太赫兹辐射。

这种高能太赫兹辐射生成方式由于波前倾斜元件和发射晶体之间分离，并且还需在二者之间搭建成像系统，这样的构造不仅复杂，并且会使得实验光路在空间几何上出现了非共线的情况，导致光路搭建困难，太赫兹辐射效率优化困难，后续太赫兹辐射的应用对接困难等问题。

可以理解的是，波前倾斜元件在本领域中一般采用台阶镜或光栅，而发射晶体一般采用铌酸锂晶体。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种高能太赫兹波产生装置来解决现有技术中存在的问题。

本发明实施例提供的高能太赫兹波产生装置包括：

飞秒激光器、用于波前倾斜的光栅以及铌酸锂晶体，所述光栅制备在所述铌酸锂晶体的入射面上；

其中，所述高能太赫兹波在本发明实施例中具体表现为太赫兹辐射，进一步的，所述太赫兹辐射为太赫兹脉冲辐射。

可以理解的是，本发明实施例提供的高能太赫兹波产生装置直接在发射晶体的入射面上直接制备光栅，所述发射晶体本发明实施例优选的使用了铌酸锂晶体，所述光栅即为波前倾斜元件。

需要说明的是，光栅和铌酸锂晶体之间不能随意制备，在制备中需要使得飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述光栅射入到所述铌酸锂晶体时的所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。

进一步的，通过满足所述泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行的条件，可以直接在铌酸锂晶体生成太赫兹辐射，而无需将波前倾斜元件和发射晶体分离，并额外增加成像系统。

本发明实施例提出的一种高能太赫兹波产生装置，通过将用于波前倾斜的光栅元件制备在发射晶体上，实现空间上的共线光路，从而优化太赫兹辐射效率。

在上述实施例的基础上，所述用于波前倾斜的光栅为透射型光栅或反射型光栅。

如图1所示，本发明实施例提供的透射式光栅结构的高能太赫兹波产生装置，由于采用的是透射式光栅，飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光照射在透射式光栅的栅缝从而产生多缝衍射，使得泵浦飞秒激光透过透射式光栅进入铌酸锂晶体中。

如图2所示，本发明实施例提供的反射式光栅结构的高能太赫兹波产生装置，由于采用的是反射式光栅，光栅的表面镀有一层金属膜，秒激光器发射的泵浦飞秒激光照射在反射式光栅的金属膜上从而将泵浦飞秒激光反射进铌酸锂晶体中。

可以理解的是，采用透射式光栅或反射式光栅时，均需预先计算好透射角度和反射角度，使得射入的泵浦飞秒激光产生的偏振方向与所述铌酸锂晶体的晶轴平行。

在上述实施例的基础上，所述透射型光栅或反射型光栅的光程差等于一个波长。

可以理解的是，为了减少激发光的能量损失，需要尽可能的提高光栅的衍射效率。

需要说明的是，在本发明所有实施例中，所述激发光即为飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光。

进一步的，为了提高光栅的衍射效率，本发明实施例优选的采用了正负一级的衍射光，所述正负一级即为光栅的光程差等于一个波长。

在上述实施例的基础上，所述透射型光栅或反射型光栅的刻线密度为1500～2000线每毫米。

进一步的，光栅的刻线密度将直接影响高能太赫兹波产生的效率，优选的，本发明实施例提供的透射式或反射式光栅的刻线密度均为1500～2000线每毫米。

在上述实施例的基础上，所述铌酸锂晶体的出射面上安置有激发光分离器，所述激发光分离器将所述铌酸锂晶体中产生的太赫兹辐射和所述泵浦飞秒激光分离。

可以理解的是，在飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光射入铌酸锂晶体后，一方面铌酸锂晶体会产生太赫兹辐射，但另一方面泵浦飞秒激光仍然会有一部分存在于铌酸锂晶体中，那么需要将太赫兹辐射和所述泵浦飞秒激光分离，从而排除激发光的干扰。

具体的，本发明实施例通过在铌酸锂晶体的出射面上安装有激发光分离器，从而将所述铌酸锂晶体中产生的太赫兹辐射和所述泵浦飞秒激光分离。

在上述实施例的基础上，所述激发光分离器为高阻硅片，所述高阻硅片透射所述太赫兹辐射，并反射所述泵浦飞秒激光。

那么，通过本发明实施例提供的高阻硅片，将所述太赫兹辐射透射出铌酸锂晶体，并将所述泵浦飞秒激光反射出所述铌酸锂晶体，优选的，本发明实施例采用45度的反射角，从而可以在透射光的区域探测太赫兹辐射。

在上述实施例的基础上，所述激发光分离器为ITO玻璃，所述ITO玻璃透射所述泵浦飞秒激光，并反射所述太赫兹辐射。

可以理解的是，当激光分离器采用ITO玻璃时，所述ITO玻璃透射将所述泵浦飞秒激光透射出所述铌酸锂晶体，并将所述太赫兹辐射反射出所述铌酸锂晶体，优选的，本发明提供的反射角为45度，从而可以在反射光的区域探测太赫兹辐射。

在上述实施例的基础上，所述铌酸锂晶体的相位匹配角度为62～63度。

可以理解的是，铌酸锂晶体在太赫兹频段的折射率4.9和光学频段的折射率2.3，经过计算，所述铌酸锂晶体的最优相位匹配角度为62～63度。

优选的，为了获得最佳的试验效果，那么需要将所述铌酸锂晶体切割为底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱结构，如图1和图2中所示的铌酸锂晶体形状。

在上述实施例的基础上，所述铌酸锂晶体为厚度1～5mm的铌酸锂晶片。

可以理解的是，一般的激光晶体，即铌酸锂晶体采用的均是三角形棱柱铌酸锂晶体以及铌酸锂晶片的结合结构，而在本发明实施例中由于光栅直接制备在铌酸锂晶体的入射面上，因而不需要使用三角形棱柱铌酸锂晶体以及铌酸锂晶片的结合结构，而可以直接使用铌酸锂晶片作为发射晶体。

优选的，本发明实施例使用了厚度1～5mm的铌酸锂晶片为发射晶体，从而取代三角形棱柱铌酸锂晶体以及铌酸锂晶片的结合结构，并且能起到同样的效果。

在上述实施例的基础上，所述铌酸锂晶体的入射面和出射面进行了光学抛光。

可以理解的是，通过光学抛光能够使得铌酸锂晶体的入射面和出射面表面光亮并且平整，使得整个晶体的粗糙度降低，从而取得更佳的高能太赫兹波产生效率。

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

1.一种高能太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：飞秒激光器、用于波前倾斜的光栅以及铌酸锂晶体，所述光栅制备在所述铌酸锂晶体的入射面上；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于波前倾斜的光栅为透射型光栅或反射型光栅。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透射型光栅或反射型光栅的光程差等于一个波长。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透射型光栅或反射型光栅的刻线密度为1500～2000线每毫米。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铌酸锂晶体的出射面上安置有激发光分离器，所述激发光分离器将所述铌酸锂晶体中产生的太赫兹辐射和所述泵浦飞秒激光分离。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述激发光分离器为高阻硅片，所述高阻硅片透射所述太赫兹辐射，并反射所述泵浦飞秒激光。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述激发光分离器为ITO玻璃，所述ITO玻璃透射所述泵浦飞秒激光，并反射所述太赫兹辐射。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铌酸锂晶体的相位匹配角度为62～63度。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铌酸锂晶体为厚度1～5mm的铌酸锂晶片。

10.根据权利要求1-9任一所述的装置，其特征在于，所述铌酸锂晶体的入射面和出射面进行了光学抛光。