CN107561818A - 一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法，所述装置包括依次排列的飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体；所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述透射光栅发射衍射；所述半波片接收所述透射光栅的正/负一级衍射光；经半波片改变泵浦飞秒激光的偏振方向后，通过成像系统入射至铌酸锂发射晶体，在所述铌酸锂发射晶体中产生太赫兹脉冲辐射。透射光栅的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易，且能够实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹脉冲发射效率。

Description

一种基于透射光栅倾斜波前的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，涉及一种基于透射光栅倾斜波前的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。

倾斜波前技术是到目前为止被认为最有效的实现小型化高能太赫兹脉冲源的方式。要想实现激发光的波前倾斜，使得其群速度的传播方向与相速度的传播方向上存在一个特定的角度，传统的方式可通过投射型阶梯镜、反射型梯形镜、反射型光栅来实现。由于阶梯镜造价昂贵且对反射光路的要求很高，在光路搭建和优化过程中，存在一定的困难，使得反射型光栅备受青睐。

利用反射型光栅来实现倾斜波前技术存在以下问题：(1)光路搭建的困难；利用倾斜波前技术实现高能太赫兹脉冲辐射的产生对光路的精准度要求非常高，这就对光栅的入射角和反射角的精确度提出了很高的要求，增加了光路搭建的难度；(2)太赫兹波产生效率优化困难；在利用倾斜波前技术产生高能太赫兹波的实验过程中，光栅的角度优化对整个实验至关重要，利用反射型光栅使得在优化光栅的角度的时候，会导致从光栅出来的衍射光的传播方向随之改变，进而导致后续的光学元件出现偏离，需采用一致的调节方式来实现光路的对准和调节，使得优化太赫兹辐射的效率更加困难；(3)成本的增加；为了实现精准的光路调节，反射型光栅在使用过程中一般需要配置昂贵的光栅旋转台和调节架，极大地提高了实验的成本。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法，解决了现有技术中利用倾斜波前技术实现高能太赫兹脉冲辐射时光路搭建困难、难以调节及成本过高的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种太赫兹脉冲产生装置，包括依次排列的飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体；所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述透射光栅发射衍射；所述半波片接收所述透射光栅的正/负一级衍射光；经半波片改变泵浦飞秒激光的偏振方向后，通过成像系统入射至铌酸锂发射晶体，在所述铌酸锂发射晶体中产生太赫兹脉冲辐射。

作为优选的，所述铌酸锂发射晶体为三角形面中一角为62～63度的三角形棱柱铌酸锂晶体。

作为优选的，所述铌酸锂发射晶体为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，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

作为优选的，所述铌酸锂发射晶体掺杂有5～6.2mol％的氧化镁。

作为优选的，所述泵浦飞秒激光入射至所述铌酸锂发射晶体时，泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

作为优选的，所述成像系统为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合。

作为优选的，所述成像系统的成像倍数为0.3～0.6倍。

作为优选的，所述飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体分别通过可旋转调节的支架安装到一工作台上。

作为优选的，还包括反射镜和准直镜，所述反射镜设于所述飞秒激光器的发射光路上，所述准直镜设于所述反射镜的反射光路上，所述准直镜用于将泵浦飞秒激光准直的引入透射光栅。

一种太赫兹脉冲发射方法，包括：

对泵浦飞秒激光进行透射光栅衍射，将透射光栅的正/负一级衍射光入射至半波片上，经过半波片改变偏振方向后入射至成像系统，进行缩小成像；

将缩小成像后的光束入射至铌酸锂发射晶体，在铌酸锂发射晶体内或晶体结合结构的晶片内产生太赫兹脉冲辐射。

本发明提出一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法，采用透射光栅实现激发光的波前倾斜，通过实现计算好透射光栅的激发光入射角和衍射角度，再将激发光通过反射镜、准直镜引入透射光栅，利用透射光栅的正/负一级衍射获得最大能量，再通过成像系统将激发光传播到铌酸锂发射晶体上，实现高能太赫兹脉冲辐射；透射光栅的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易，且能够实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹脉冲发射效率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的太赫兹脉冲产生装置结构示意图；

图2为根据本发明实施例的透射光栅的衍射图样示意图；

图3为根据本发明实施例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。

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，图中示出了一种太赫兹脉冲产生装置，包括依次排列的飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体；所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述透射光栅发射衍射；所述半波片接收所述透射光栅的正/负一级衍射光；经半波片改变泵浦飞秒激光的偏振方向后，通过成像系统入射至铌酸锂发射晶体，在所述铌酸锂发射晶体中产生太赫兹脉冲辐射。

如图2所示，为透射光栅的衍射图样，本实施例中通过事先计算好透射光栅的激发光入射角和衍射角度，选择透射光栅的正/负一级衍射光，透射光栅的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易；利用透射光栅正/负一级衍射获得的最大能量，再通过成像系统将激发光传播到铌酸锂发射晶体上，保证对实验所用激发光的工作波长实现最高效率的衍射，损失最少的激发光能量。

在本实施例中，铌酸锂发射晶体为三角形面中一角为62～63度的三角形棱柱铌酸锂晶体，晶体的边长和厚度不限定。

在本实施例中，如图3所示，铌酸锂发射晶体还可采用铌酸锂晶体结合结构，所述铌酸锂晶体结合结构包括底角为62～63度，顶角为54～56度的Y方向切割的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的Y方向切割的铌酸锂晶片，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。

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。

在本实施例中，所述铌酸锂发射晶体为沿着Z轴方向切割的三角形棱柱铌酸锂晶体或沿着Y方向切割的三角形棱柱铌酸锂晶体与Y方向切割的铌酸锂晶片结合结构。

在本实施例中，所述铌酸锂发射晶体掺杂有5～6.2mol％的氧化镁。

采用本实施例的上述铌酸锂发射晶体或晶体结合结构，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。

在本实施例中，所述泵浦飞秒激光入射至所述铌酸锂发射晶体时，泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

在本实施例中，所述成像系统为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合。

通过精确计算光栅的入射角与衍射角，本实施例利用一个半波片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。

在本实施例中，所述飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体分别通过可旋转调节的支架安装到一工作台上。通过将透射光栅与后续成像系统及铌酸锂发射晶体安装在旋转台上，可实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹发射效率。

在本实施例中，还包括反射镜和准直镜，所述反射镜设于所述飞秒激光器的发射光路上，所述准直镜设于所述反射镜的反射光路上，所述准直镜用于将泵浦飞秒激光准直的引入透射光栅。

本实施例中还提供了一种太赫兹脉冲发射方法，包括：

对泵浦飞秒激光进行透射光栅衍射，将透射光栅的正/负一级衍射光入射至半波片上，经过半波片改变偏振方向后入射至成像系统，进行缩小成像；

将缩小成像后的光束入射至铌酸锂发射晶体，在铌酸锂发射晶体内产生太赫兹脉冲辐射。

其中，所述铌酸锂发射晶体为，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发射晶体时的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

本发明提出一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法，采用透射光栅实现激发光的波前倾斜，通过实现计算好透射光栅的激发光入射角和衍射角度，再将激发光通过反射镜、准直镜引入透射光栅，利用透射光栅的正/负一级衍射获得最大能量，再通过成像系统将激发光传播到铌酸锂发射晶体上，实现高能太赫兹脉冲辐射；透射光栅的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易，且能够实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹脉冲发射效率。

最后，本发明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 (10)

1.一种太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，包括依次排列的飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体；所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述透射光栅发射衍射；所述半波片接收所述透射光栅的正/负一级衍射光；经半波片改变泵浦飞秒激光的偏振方向后，通过成像系统入射至铌酸锂发射晶体，在所述铌酸锂发射晶体中产生太赫兹脉冲辐射。

2.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述铌酸锂发射晶体为三角形面中一角为62～63度的三角形棱柱铌酸锂晶体。

3.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述铌酸锂发射晶体为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，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

4.根据权利要求3所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述铌酸锂发射晶体掺杂有5～6.2mol％的氧化镁。

5.根据权利要求3所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述泵浦飞秒激光入射至所述铌酸锂发射晶体时，泵浦飞秒激光的偏振方向与所述铌酸锂晶片的晶轴平行。

6.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述成像系统为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合。

7.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲发射装置，其特征在于，所述成像系统的成像倍数为0.3～0.6倍。

8.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，所述飞秒激光器、透射光栅、半波片、成像系统和铌酸锂发射晶体分别通过可调节的支架安装到一工作台上。

9.根据权利要求8所述的太赫兹脉冲产生装置，其特征在于，还包括反射镜和准直镜，所述反射镜设于所述飞秒激光器的发射光路上，所述准直镜设于所述反射镜的反射光路上，所述准直镜用于将泵浦飞秒激光准直的引入透射光栅。

10.一种太赫兹脉冲发射方法，其特征在于，包括：

对泵浦飞秒激光进行透射光栅衍射，将透射光栅的正/负一级衍射光入射至半波片上，经过半波片改变偏振方向后入射至成像系统，进行缩小成像；

将缩小成像后的光束入射至铌酸锂发射晶体，在铌酸锂发射晶体内产生太赫兹脉冲辐射。