CN108519712B - 一种利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：脉冲激光振荡器，用于产生脉冲激光；前置放大光路，与脉冲激光振荡器的输出端口连接，用于将脉冲激光进行功率放大并得到功率超过受激拉曼散射的功率阈值的高功率激光；主放大光路，与前置放大光路的输出端口连接，用于在将高功率激光进行功率放大的同时进行受激拉曼散射而得到包含有不同波段的拉曼特征峰的激光；以及硒化镓晶体片，与主放大光路的输出端口对应设置，用于对拉曼特征峰进行调制使不同波段的拉曼特征峰发生非线性差频效应而得到高频太赫兹波。本发明不受超高功率激发光源的限制，不需要抑制非线性效应，且受激拉曼散射产生的拉曼光谱成份丰富。
Description
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置。
背景技术
太赫兹单个脉冲的频带可以覆盖从GHz到几十THz的范围,便于在大的范围里分析物质的光谱性质。因此，太赫兹波在光谱技术方面可以成为红外光谱技术、拉曼光谱技术的互补技术。20世纪60年代，激光器的成功研制，加快了非线性光学技术的发展，为人们研究新型太赫兹波的产生方法提供了条件。激光二极管及更多新型非线性晶体的出现也使得人们开始利用非线性光学方法来得到太赫兹辐射。目前太赫兹技术虽然发展迅速，但仍存在些许问题尚待解决。如大部分生物组织中水成分对太赫兹的吸收，限制了太赫兹成像的灵敏度；太赫兹波的波长较长,限制了成像系统的空间分辨率。
目前来看，光电导天线法由于半导体天线结构材料等的限制产生的太赫兹波频率一般在6THz以下，而非线性晶体的非线性特性可用于产生高频太赫兹波，所以目前高频太赫兹波的产生主要是通过光学差频的方法。但是此方法产生高频太赫兹辐射需要超高功率二氧化碳激光器或可调谐的激光器来做激发光源，受限于激光器的使用，极大限制了其大规模的应用。
发明内容
本发明是针对上述现有高频太赫兹波产生方法存在的不足而进行的，目的在于提出一种利用非线性的拉曼特征峰差频产生高频太赫兹波的装置，利用自相似放大光路中的非线性效应受激拉曼散射获得拉曼特征峰，将输出的含有不同波段的拉曼特征峰的强激光入射到非线性硒化镓晶体片中，不同波段的拉曼特征峰受到硒化镓晶体片的调制通过差频效应产生高频太赫兹波。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：脉冲激光振荡器，用于产生脉冲激光；前置放大光路，与脉冲激光振荡器的输出端口连接，用于将脉冲激光进行功率放大并得到功率超过受激拉曼散射的功率阈值的高功率激光；主放大光路，与前置放大光路的输出端口连接，用于在将高功率激光进行功率放大的同时进行受激拉曼散射而得到包含有不同波段的拉曼特征峰的激光；以及硒化镓晶体片，与主放大光路的输出端口对应设置，用于对拉曼特征峰进行调制使不同波段的拉曼特征峰发生非线性差频效应而得到高频太赫兹波。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，脉冲激光振荡器为掺镱飞秒激光器，脉冲激光的波长为1040nm、功率为20mw。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：还包括：脉宽展宽器，用于将脉冲激光的脉宽进行展宽，其中，脉宽展宽器的输入端口以及输出端口分别与脉冲激光振荡器的输出端口以及前置放大光路的输入端口相连接。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，前置放大光路包括相连接的一级前置放大光路以及二级前置放大光路，一级前置放大光路用于将脉冲激光的功率进行一级前置放大而得到一级放大激光，该一级前置放大光路的输入端口与脉冲激光振荡器的输出端口连接，二级前置放大光路用于将一级放大激光的功率进行二级前置放大而得到二级放大激光，该二级放大激光即为高功率脉冲激光，二级前置放大光路的输出端口与主放大光路的输入端口连接。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，一级前置放大光路包含第一增益介质以及用于对该第一增益介质进行泵浦的第一泵浦源，二级前置放大光路包含第二增益介质以及用于对该第二增益介质进行反向泵浦的第二泵浦源，第一增益介质为单模掺镱光纤，第二增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤，对第一泵浦源为带尾纤单模激光二极管，第二泵浦源为多模激光二极管。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，一级放大激光的功率为630MW。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，受激拉曼散射的功率阈值为2.3W，高功率激光的功率为4.8W。
(1)本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：还包括：第一脉宽压缩器，用于将高功率脉冲激光的脉宽进行压缩，并且通过改变单脉冲能量来改变单光子能量，进而改变后斯托克斯光子能量，达到改变受激拉曼散射产生的拉曼特征峰的作用，实现太赫兹频段可调谐；以及第二脉宽压缩器，用于将包含不同波段的拉曼特征峰的激光的脉宽进行压缩，其中，第一脉宽压缩器的输入端口以及输出端口分别与前置放大光路的输出端口以及主放大光路的输入端口相连接，第二脉宽压缩器的输入端口以及输出端口分别与主放大光路的输出端口以及硒化镓晶体片的输入端口相连接。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，主放大光路包含主增益介质以及用于对该主增益介质进行泵浦主泵浦源，主增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤，主泵浦源为多模激光二极管。
本发明提供的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，还可以具有这样的特征：其中，高频太赫兹波的频率为10-40THz。
发明作用与效果
根据本发明所涉及的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，由于设置有前置放大光路、主放大光路以及硒化镓晶体片，前置放大光路和主放大光路形成自相似放大系统，能够对脉冲激光振荡器产生的低功率、窄脉宽的激光进行功率放大并产生包含有非线性的拉曼特征峰的高功率激光作为激发光源，硒化镓晶体片为非线性晶体片，能够对包含拉曼特征峰的高功率激光进行调制而使不同波段的拉曼特征峰产生差频效应而产生高频太赫兹波，所以，与现有的高频太赫兹波产生方法相比较，本发明采用一般的低功率脉冲激光振荡器作为激光器即可，不受超高功率激发光源的限制，大大减少了实验成本和设备要求。而且，与传统激光器中的啁啾放大系统比较，本发明的放大过程中不需要抑制非线性效应，且非线性效应受激拉曼散射产生的拉曼光谱成份丰富。
附图说明
图1是本发明的实施例中利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置的结构框图；
图2是本发明的实施例中利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置的光路结构示意图；
图3是本发明的实施例中受激拉曼峰产生原理示意图；以及
图4是本发明的实施例中非线性差频产生高频太赫兹波的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的实施例中利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置的结构框图。图2是本发明的实施例中利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置的光路示意图。
如图1所示，本实施例中的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置100，包括：脉冲激光振荡器10、脉宽展宽器20、前置放大光路30、第一脉宽压缩器40、主放大光路50、第二脉宽压缩器60以及硒化镓晶体片70。
如图1和图2所示，脉冲激光振荡器10为低功率的掺镱飞秒激光器301，用于产生波长为1040nm、功率为20mw的脉冲激光。
如图1和图2所示，脉宽展宽器20用于将脉冲激光振荡器产生的脉冲激光的脉宽进行展宽，其输入端口与脉冲激光振荡器10的输出端口相连接。在本实施例中，脉宽展宽器20为传统的单模光纤303。
如图1和图2所示，前置放大光路30用于将脉冲激光进行功率放大并得到功率超过受激拉曼散射的功率阈值2.3W的高功率激光，包括相连接的一级前置放大光路31以及二级前置放大光路32。
如图1和图2所示，一级前置放大光路31用于对脉冲激光的功率进行一级前置放大而得到功率为630MW的一级放大激光，其输入端口与脉宽展宽器20的输出端口连接。该一级前置放大光路31包含第一增益介质以及用于对该第一增益介质进行泵浦的第一泵浦源，其中，第一增益介质为单模掺镱光纤305，第一泵浦源为带尾纤单模激光二极管306。
如图1和图2所示，二级前置放大光路32用于将一级放大激光的功率进行二级前置放大而得到功率为4.8W的二级放大激光，该二级放大激光即为高功率脉冲激光。该二级前置放大光路32包含第二增益介质以及用于对该第二增益介质进行反向泵浦的第二泵浦源，其中，第二增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤3121，第二泵浦源为多模激光二极管3081。
如图1和图2所示，第一脉宽压缩器40用于将前置放大光路30得到的高功率脉冲激光的脉宽进行压缩，压缩后的脉宽为160fs，其输入端口与二级前置放大光路32的输出端口相连接。在本实施例中，第一脉宽压缩器40包含布拉格光栅对3101以及与该布拉格光栅对3101对应设置的等腰棱镜对311。
如图1和图2所示，主放大光路50用于在将高功率激光进行功率放大的同时进行受激拉曼散射而得到包含有不同波段的拉曼特征峰的激光，其输入端口与脉宽压缩器40的输出端口连接。该主放大光路50包含主增益介质以及用于对该主增益介质进行泵浦主泵浦源，其中，主增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤3122，主泵浦源为多模激光二极管3082。
图3是本发明的实施例中受激拉曼峰产生原理示意图。
如图3所示，受激拉曼峰产生的原理为：处于振动基底状态的晶格由于光的作用跃迁到中间状态，之后返回至振动激发态时产生斯托克斯光，见图3(a)；而晶格通过热作用激发到振动激发态，然后跃迁到中间状态后返回至基底状态产生反斯托克斯光，见图3(b)。斯托克斯光和反斯托克斯光都是由被激发的分子在散射时以不同于原来激发光的波长释放出能量产生的拉曼效应。
第一脉宽压缩器40将前置放大光路30的出射光束压缩脉宽后耦合到主放大器50中放大，种子光功率经多级放大后得到显著提高。同时，此过程中一激发光子与光纤增益介质晶格中一热振动声子碰撞产生一受激声子和一斯托克斯光子，产生的受激声子继续与光子碰撞产生斯托克斯光子和更多的受激声子，这个雪崩过程导致了受激拉曼散射过程中斯托克斯光成分以指数形式快速增多。由于满足动量守恒和能量守恒，“雪崩”过程每一级产生的斯托克斯光子的频率不一样，能量不一样，对应斯托克斯光的波长也不一样，故在自相似放大过程中可以得到丰富的不同波段的强度不一的拉曼特征峰。
如图1和图2所示，第二脉宽压缩器60用于将主放大光路50得到的包含不同波段的拉曼特征峰的激光的脉宽进行压缩，输入端口与主放大光路50的输出端口相连接。在本实施例中，第二脉宽压缩器60包含布拉格光栅对3102。
如图1和图2所示，硒化镓晶体片70为非线性晶体片，与第二脉宽压缩器60的输出端口对应设置，用于对被聚焦的激光中不同波段的拉曼特征峰进行调制，从而使不同波段的拉曼特征峰发生非线性差频效应而得到频率为10-40THz的高频太赫兹波。
图4是本发明的实施例中非线性差频产生高频太赫兹波的原理示意图。
如图4所示，非线性差频产生高频太赫兹波的原理为：利用双折射位相匹配技术，将激发光以特定的角度和偏振态入射到差频晶体，两个频率不同(波长不同)的拉曼特征峰差频产生一个等于其频率差的太赫兹频段的光子。在差频过程中，其频率关系满足能量守恒，位相匹配满足了高转换效率条件下的动量守恒Δk＝0，保证能量转移由基频光向差频光单向不断进行，位相匹配条件控制着光波之间能量转移的方向。
如图2所示，本实施例中的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置的工作过程为：
激光光源301输出的脉冲激光经光隔离器3021入射进一段单模光纤303，展宽后经波分复用器304耦合到由带尾纤单模激光二极管306泵浦的单模掺镱光纤305的一级前置放大光路31放大。一级前置放大光路31的出射光束经光隔离器3022以及反射镜3071、反射镜3072和凸透镜3091入射到由以波长975nm为中心的多模激光二极管3081反向泵浦的单模掺镱双包层光子晶体光纤3121的二级前置放大光路32放大，泵浦光经凸透镜透镜3093聚焦通过双色镜3141反射并经凸透镜3092耦合进单模掺镱双包层光子晶体光纤3121。经双色镜3141透射出的光束通过光隔离器3023透过反射镜3073照射到由布拉格光栅对3101和等腰棱镜对311组成的棱栅压缩机压缩脉宽，通过高反镜3131反射后折回。至此种子光被放大达到拉曼阈值，且脉宽压缩机制可调谐。
压缩后的光束依次经分束镜3171反射、反射镜3073反射和凸透镜3094聚焦入射到由以波长975nm为中心的多模激光二极管3082反向泵浦的单模掺镱双包层光子晶体光纤3122的主放大光路50放大并发生受激拉曼散射产生拉曼特征峰，包含斯托克斯谱线和反斯托克斯谱线，但斯托克斯谱线成分较多。泵浦光经凸透镜3095聚焦通过双色镜3142反射耦合进单模掺镱双包层光子晶体光纤3122。放大后的光束经分束镜3172透射入射到布拉格光栅对3102压缩脉宽，经高反镜3132反射折回后经分束镜3172反射。最终出射的高功率激光中含有不同的拉曼特征峰。接入光谱仪发现864nm,1203nm,1280nm拉曼峰可同时实现，还有其他波段的拉曼峰，可见其光谱成分丰富。
经上述自相似放大系统出射的激光经半波片315变成线偏振光，经凸透镜3097聚焦到非线性硒化镓晶体片316，不同频率的拉曼特征峰在晶体中经差频产生频率为10-40THz的高频太赫兹波。
由于此方法基于自相似放大系统，所以可通过调节入射主放大光路50中单模掺镱双包层光子晶体光纤激光脉宽改变单脉冲能量，进而调整拉曼峰强度实现太赫兹频段可调谐。根据如图4所示的差频原理，此实例中1174nm与1232nm的拉曼特征峰差频可产生12THz的太赫兹波；1232nm与1312nm的拉曼特征峰差频可产生15THz的太赫兹波；976nm与1030nm的拉曼特征峰差频可产生16THz的太赫兹波；1174nm与1312nm的拉曼特征峰差频可产生27THz的太赫兹波。
实施例作用与效果
根据本实施例所涉及的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，由于设置有前置放大光路、主放大光路以及硒化镓晶体片，前置放大光路和主放大光路形成自相似放大系统，能够对脉冲激光振荡器产生的低功率、窄脉宽的激光进行功率放大并产生包含有非线性的拉曼特征峰的高功率激光作为激发光源，硒化镓晶体片为非线性晶体片，能够对包含拉曼特征峰的高功率激光进行调制而使不同波段的拉曼特征峰产生差频效应而产生高频太赫兹波，所以，与现有的高频太赫兹波产生方法相比较，本实施例采用一般的低功率脉冲激光振荡器作为激光器即可，不受超高功率激发光源的限制，大大减少了实验成本和设备要求。
而且，与传统激光器中的啁啾放大系统比较，本实施例的方法放大过程中不需要抑制非线性效应，且非线性效应受激拉曼散射产生的拉曼光谱成份丰富。
进一步，由于本实施例基于由前置放大光路和主放大光路构成的自相似放大系统，通过调节输入主放大光路的主增益介质中的激光参数可实现拉曼特征峰的调节，从而实现太赫兹波的频段可调谐。
另外，由于前置放大光路包括相连接的一级前置放大光路以及二级前置放大光路，前置放大光路能够对脉冲激光进行二次放大使脉冲激光达到受激拉曼散射阈值，具有良好的可靠性和稳定性。
Claims (10)
1.一种利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：
脉冲激光振荡器，用于产生脉冲激光；
前置放大光路，与所述脉冲激光振荡器的输出端口连接，用于将所述脉冲激光进行功率放大并得到功率超过受激拉曼散射的功率阈值的高功率激光；
主放大光路，与所述前置放大光路的输出端口连接，用于在将所述高功率激光进行功率放大的同时进行受激拉曼散射而得到包含有不同波段的拉曼特征峰的激光；以及
硒化镓晶体片，与所述主放大光路的输出端口对应设置，用于对所述拉曼特征峰进行调制使不同波段的所述拉曼特征峰发生非线性差频效应而得到所述高频太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述脉冲激光振荡器为掺镱飞秒激光器，
所述脉冲激光的波长为1040nm、功率为20MW。
3.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于，还包括：
脉宽展宽器，用于将所述脉冲激光的脉宽进行展宽，
其中，所述脉宽展宽器的输入端口以及输出端口分别与所述脉冲激光振荡器的输出端口以及所述前置放大光路的输入端口相连接。
4.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述前置放大光路包括相连接的一级前置放大光路以及二级前置放大光路，
所述一级前置放大光路用于将所述脉冲激光的功率进行一级前置放大而得到一级放大激光，该一级前置放大光路的输入端口与所述脉冲激光振荡器的输出端口连接，
所述二级前置放大光路用于将所述一级放大激光的功率进行二级前置放大而得到二级放大激光，该二级放大激光即为所述高功率激光，所述二级前置放大光路的输出端口与所述主放大光路的输入端口连接。
5.根据权利要求4所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述一级前置放大光路包含第一增益介质以及用于对该第一增益介质进行泵浦的第一泵浦源，
所述二级前置放大光路包含第二增益介质以及用于对该第二增益介质进行反向泵浦的第二泵浦源，
所述第一增益介质为单模掺镱光纤，所述第二增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤，
所述第一泵浦源为带尾纤单模激光二极管，所述第二泵浦源为多模激光二极管。
6.根据权利要求4所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述一级放大激光的功率为630MW。
7.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述受激拉曼散射的功率阈值为2.3W，
所述高功率激光的功率为4.8W。
8.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于，还包括：
第一脉宽压缩器，用于将所述高功率激光的脉宽进行压缩，并且通过改变单脉冲能量来改变单光子能量，进而改变后斯托克斯光子能量，达到改变受激拉曼散射产生的拉曼特征峰的作用，实现太赫兹频段可调谐；以及
第二脉宽压缩器，用于将包含不同波段的所述拉曼特征峰的所述激光的脉宽进行压缩，
其中，所述第一脉宽压缩器的输入端口以及输出端口分别与所述前置放大光路的输出端口以及所述主放大光路的输入端口相连接，
第二脉宽压缩器的输入端口以及输出端口分别与所述主放大光路的输出端口以及所述硒化镓晶体片的输入端口相连接。
9.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述主放大光路包含主增益介质以及用于对该主增益介质进行泵浦主泵浦源，
所述主增益介质为单模掺镱双包层光子晶体光纤，
所述主泵浦源为多模激光二极管。
10.根据权利要求1所述的利用拉曼特征峰差频的高频太赫兹波产生装置，其特征在于：
其中，所述高频太赫兹波的频率为10-40THz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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