CN108767628A - 基于多周期结构ppln级联差频产生太赫兹的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于多周期结构PPLN级联差频产生太赫兹的方法和装置。所述的方法步骤为：第1步、利用可调谐Nd:YAG激光器产生两束红外泵浦光，两束红外泵浦光的波长范围0.213μm～1.064μm且频率相差1THz；第2步、使两束红外泵浦光共线；第3步、将非线性晶体置于泵浦光束光路上，该非线性晶体为多周期结构，非线性晶体的极化周期连续变化，其晶体长度满足准相位匹配；第4步、变化Nd:YAG激光器泵浦光波长，连续平移周期结构晶体以改变晶体的极化周期，实现太赫兹可调谐输出。本发明利用晶体相位匹配条件下极化周期、有效非线性系数，非线性晶体三波耦合相互作用长度等于周期结构晶体长度，增大转换效率。

Description

基于多周期结构PPLN级联差频产生太赫兹的方法和装置
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及获得太赫兹源的方法和获取太赫兹源的装置。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz,1THz＝1012THz)辐射一般指波长30-3000μm(频率0.1-10THz)范围的电磁波，该波段是一个具有极大科学研究价值而尚未完全开发的电磁波段。THz辐射在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。一般情形下，微波电子技术频率低于200GHz，光子技术频率高于10THz，这使得THz辐射源成为THz技术发展的关键及瓶颈。因此，如何研制出性能优良的THz辐射源已成为科研工作者亟待解决的实际问题。
THz辐射源作为未来应用的有力工具受到了广泛关注，是THz技术最关键领域之一；获得高效率(能量)THz辐射源，已成为THz技术及其应用领域的关键。在许多相干THz产生的电子和光学方法中，非线性光学差频产生(difference frequency generation,DFG)具有宽度可调谐、低成本、结构紧凑、室温下稳定运转、易于实现等特性，逐渐为科研工作者青睐。在DFG中，通过二阶非线性相互作用过程以产生THz辐射。非线性光学变换中，晶体吸收致使差频量子转换效率低，选择非线性晶体应考虑下列因素：宽波段范围泵浦光；THz波段吸收系数小；非线性系数大；宽波段相位匹配；易生长大尺寸、高质量晶体；光损伤阈值高；较好的物理化学特性；适于加工、镀膜等。在3-5μm波段最常用有MgO:LN、PPLN等，周期结构PPLN晶体成本低，国内生长技术已十分成熟，达到国际先进水平，其高增益、无走离等优点广泛用于连续及高重复DFG红外光源系统中。
为了提高低量子效率、克服Manley-Rowe限制，级联差频是一种有效方法。当输入泵浦光功率1MW时，相较于差频过程，在波长1mm的情形下，THz输出峰值功率提高近8倍。THz辐射是两个入射光之间相互作用产生，在级联DFG中，高、低频中红外激光束在非线性光学介质中相互作用产生不同频率光，级联DFG过程消耗高频泵浦光ωm并放大低频泵浦光ωm+1，之后ωm+1继续作为高频泵，它放大THz辐射并产生较低的频率ωm+2。在级联DFG过程中，斯托克斯光的相互作用将产生THz辐射。同时，反斯托克斯光也会消耗THz辐射。从左到右是斯托克斯相互作用(THz波生成)，从右到左是反斯托克斯相互作用(THz波耗尽)。斯托克斯光的相互作用强于反斯托克斯光，最终增强THz辐射。基于同一PPLN产生高、低泵浦光和太赫兹光，PPLN结构紧凑和非线性系数大增强太赫兹产生。建立基于Nd:YAG激光器的共线准相位匹配模型，泵浦光、太赫兹频率大于1THz，PPLN晶体的吸收系数随频率增加而迅速增加，太赫兹输出迅速减小，故泵浦光、太赫兹频率低于1THz时可以有效地提高太赫兹产生效率。根据Manley-Rowe关系，级联差频过程的转换效率主要取决于太赫兹频率下周期结构非线性晶体的极化周期和吸收，基于周期结构PPLN晶体级联差频的方法由斯托克斯和反斯托克斯过程相互决定，量子转换效率超过100％，突破Manley-Rowe限制。
发明内容
为解决背景技术中提到的问题，本发明提供一种基于多周期结构PPLN晶体获得太赫兹源的方法，该方法克服了差频效率低的缺陷；并且提供一种基于多周期结构PPLN晶体获得太赫兹源的装置，该装置结构简单。
差频受多种因素限制，其主要缺点为转换效率低，这些因素分为两类：非线性介质特性和量子缺陷。基于同一PPLN产生高、低泵浦光和太赫兹光，PPLN结构紧凑和非线性系数大增强太赫兹产生。根据Manley-Rowe关系，差频最大转换效率低于1％。可以采用两种方法以克服差频限制：基于级联过程或较长的极化周期。基于上述，我们提出波导结构中级联差频产生太赫兹方案。
本发明的一种基于多周期结构晶体获得太赫兹源的方法，包括下述步骤：
第1步、利用可调谐Nd:YAG激光器产生两束红外泵浦光，两束红外泵浦光的波长范围0.213μm～1.064μm且频率相差1THz；
第2步、使两束红外泵浦光共线；
第3步、将非线性晶体置于泵浦光束光路上，该非线性晶体为多周期结构，非线性晶体的极化周期连续变化，其晶体长度满足准相位匹配；
第4步、变化Nd:YAG激光器泵浦光波长，连续平移周期结构晶体以改变晶体的极化周期，实现太赫兹可调谐输出。
进一步地，上述非线性晶体指多周期结构PPLN晶体。非线性晶体制作成多周期结构利用晶体相位匹配条件下反转周期、有效非线性系数，非线性晶体三波耦合相互作用长度等于周期结构晶体长度。
本发明的一种基于多周期结构晶体获得太赫兹源的装置，包括：
激光器，用于产生两束红外泵浦光；
分束镜和高反射镜，用于使两束高、低频泵浦光共线；
滤波片，用于使两束可调谐泵浦光变为连续正弦光波；
光学谐振腔，光学谐振腔中包括多周期结构的非线性晶体和高反膜，用于实现共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程。
进一步地，激光器包括第一激光器和第二激光器，分束镜设置在第二激光器所发出的低频泵浦光(第二激光)的光路上；高反射镜包括第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜和第四高反射镜，第一高反射镜设置在第一激光器所发出的高频泵浦光(第一激光)的光路上，并且配置为将第一激光反射到分束镜上；分束镜配置为透射第一激光器所发出的高频泵浦光(第一激光)、反射第二激光器所发出的低频泵浦光(第二激光)，并且使第一激光器所发出的高频泵浦光(第一激光)和第二激光器所发出的低频泵浦光(第二激光)共线；第二高反射镜、第三高反射镜和第四高反射镜配置为将所述的两束共线的可调谐泵浦光反射到滤波片上；滤波片包括第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片、第四滤波片和第五滤波片，所述的五个滤波片被设置为依次透射所述的两束共线的红外泵浦光中的正弦光波；光学谐振腔设置在所述的两束共线的红外泵浦光的光路上，两束共线的红外泵浦光在光学谐振腔内实现共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程。
进一步地，多周期结构的非线性晶体为多周期结构PPLN晶体。
进一步地，滤波片旁设有吸收体，用于吸收部分被这些滤波片反射的杂光。
更进一步地，第一激光器和第二激光器均为Nd:YAG激光器。
本发明建立基于Nd:YAG激光器的共线准相位匹配模型，泵浦光、太赫兹频率大于1THz，PPLN晶体的吸收系数随频率增加而迅速增加，太赫兹输出迅速减小，故泵浦光、太赫兹频率低于1THz时可以有效地提高太赫兹产生效率。级联差频过程的转换效率主要取决于太赫兹频率下周期结构非线性晶体的极化周期和吸收，基于周期结构PPLN晶体级联差频的方法由斯托克斯和反斯托克斯过程相互决定，量子转换效率超过100％，突破Manley-Rowe限制。
本发明利用两台Nd:YAG激光器输出可调谐泵浦光基于多周期结构晶体级联差频，平移改变周期结构非线性晶体的极化周期，实现可调谐输出。本发明具备其下优点：
(1)利用两台Nd:YAG激光器实现可调谐太赫兹输出，通过平移周期结构晶体变化极化周期长度获得宽范围太赫兹源。
(2)利用周期结构最大晶体极化周期、最大有效非线性系数，转换效率正比于泵浦光功率、有效非线性系数和三波耦合相互作用长度的平方，获得高效率太赫兹源。
(3)基于同一PPLN产生高、低泵浦光和太赫兹光，PPLN结构紧凑和非线性系数大增强太赫兹产生。
(4)建立基于Nd:YAG激光器的共线准相位匹配模型，泵浦光、太赫兹频率大于1THz，PPLN晶体的吸收系数随频率增加而迅速增加，太赫兹输出迅速减小，故泵浦光、太赫兹频率低于1THz时可以有效地提高太赫兹产生效率。
(5)级联差频过程的转换效率主要取决于太赫兹频率下周期结构非线性晶体的极化周期和吸收，基于周期结构PPLN晶体级联差频的方法由斯托克斯和反斯托克斯过程相互决定，量子转换效率超过100％，突破Manley-Rowe限制。
(6)基于本发明的调谐技术产生的太赫兹源，可以广泛应用于高速无线通信、无损评估和医疗诊断等领域。
附图说明
图1是本发明的基于多周期结构晶体获得太赫兹源的装置的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明的Nd:YAG激光器装置的原理示意图。
图3是本发明的多周期结构PPLN晶体的结构示意图。
图4是本发明的共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程的原理示意图。
图5是本发明的极化周期随泵浦光波长的变化关系图。
图6是本发明的波矢失配量随泵浦光频率的变化关系图。
图7是本发明的波矢失配量随泵浦光频率变化关系的局部放大图。
在图中，1-第一激光器，2-第一高反射镜，3-第二激光器，4-分束镜，5-第二高反射镜，6-第三高反射镜，7-第四高反射镜，8-第一滤波片，9-第二滤波片，10-第三滤波片，11-第四滤波片，12-第五滤波片，13-吸收体，14-高反膜，15-非线性晶体，16-光学谐振腔，17-太赫兹透镜，18-Golay探测器。
具体实施方式
下面通过实施例更详细说明本发明，以下实施例仅是说明性，本发明保护范围不受这些实施例限制。
采用如图1所示的基于多周期结构晶体获得太赫兹源的装置，利用Nd:YAG激光器模型，基于多周期结构PPLN晶体级联差频产生可调谐太赫兹装置。如图1所示，利用两台Nd:YAG激光器(标记为第一激光器1和第二激光器3)产生高、低两束泵浦光，两束可调谐泵浦光波长范围0.213μm到1.064μm，泵浦光能量100mJ，通过改变Nd:YAG激光器腔外光栅的角度改变波长。第一激光器1的左侧放置第一高反射镜2，第二激光器3的左侧放置分束镜4，并且，使第一高反射镜2反射第一激光器1发出的高频泵浦光(第一激光)到分束镜4上，使分束镜4反射第二激光器3发出的低频泵浦光(第二激光)，第一激光透过分束镜4和第二激光共线。共线的第一激光和第二激光(共线光)照射到第二高反射镜5上，再反射到第三高反射镜6上，最后反射到第四高反射镜7上；第三高反射镜6的位置比第四高反射镜7更低，使共线光顺利反射到第四高反射镜7上并被第四高反射镜7反射。被第四高反射镜7反射的共线光依次穿过第一滤波片8、第二滤波片9、第三滤波片10、第四滤波片11和第五滤波片12，进入光学谐振腔16。第一滤波片8、第二滤波片9、第三滤波片10、第四滤波片11和第五滤波片12旁设有吸收体13，用于吸收部分被这些滤波片反射的杂光。光学谐振腔16内设有多周期结构PPLN晶体15和左右两块高反膜14，共线光在光学谐振腔16内实现共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程。产生的太赫兹透过太赫兹透镜17集中，通过Golay探测器18进行探测。
工作物质是计算周期的周期结构非线性晶体，如本实施例中是多周期结构PPLN晶体。多周期PPLN晶体指多个不同极化周期(0.25μm、0.5μm、1μm等)的晶体横向排列在一块晶体上，图3为多周期结构PPLN晶体结构示意图。通过变化晶体极化周期或控制温度对输出波长进行调谐，多周期结构PPLN晶体可以放置在可控平移平台上，通过平移可控平移平台，连续变化基于周期结构非线性晶体入射共线光的周期，两束共线光通过PPLN晶体作用产生太赫兹。
本发明基于高、低两束泵浦光基于多周期结构晶体级联差频产生太赫兹。此过程中，为了实现级联过程有效输出，高、低泵浦光以及太赫兹光满足三波耦合过程准相位匹配条件。基于多周期极化非线性晶体结构的共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程如图4。本实施例采用一阶准相位匹配，多周期结构晶体为PPLN晶体。基于级联差频准相位匹配条件如公式(1)、(2)、(3)，在共线准相位匹配，联立3式计算周期结构PPLN晶体的波矢失配量、极化周期如公式(4)、(5)：
km-km+1-kT＝kΛ (2)
λm、λm+1和λT分别是高、低泵浦光(ωm、ωm+1)和太赫兹(ωT)的波长，km＝2πnm/λm，km+1＝2πnm+1/λm+1是两束泵浦光的波矢，kT＝2πnT/λT是太赫兹的波矢，kΛ＝2π/λΛ是周期结构晶体的倒格矢，nm、nm+1和nT分别是两束泵浦光和太赫兹的折射率。太赫兹输出通过调节泵浦光波长，由(3)、(4)式可知，波长变化极化周期随之变化，周期结构晶体的周期连续变化。因此，利用Nd:YAG激光器输出两束高、低泵浦光共线入射至周期结构晶体，即获得高效率、可调谐太赫兹。差频受多种因素限制，其主要缺点为转换效率低，这些因素分为两类：非线性介质特性和量子缺陷。基于同一PPLN产生高、低泵浦光和太赫兹光，PPLN结构紧凑和非线性系数大增强太赫兹产生。建立Nd:YAG激光器的共线准相位匹配模型，泵浦光、太赫兹频率大于1THz，PPLN晶体的吸收系数随频率增加而迅速增加，太赫兹输出迅速减小，故泵浦光、太赫兹频率低于1THz时可以有效地提高太赫兹产生效率。根据Manley-Rowe关系，差频最大转换效率低于1％。可以采用两种方法以克服差频限制：基于级联过程或较长的极化周期。基于上述，我们提出波导结构中级联差频产生太赫兹方案，该模型包括斯托克斯和反斯托克斯光相互作用。级联差频过程的转换效率主要取决于太赫兹频率下周期结构非线性晶体的极化周期和吸收，基于周期结构PPLN晶体级联差频的方法由斯托克斯和反斯托克斯过程相互决定，量子转换效率超过100％，突破Manley-Rowe限制。
图4为级联过程原理图。一阶差频过程，高、低频泵浦光和太赫兹在PPLN中通过准相位匹配相互作用产生太赫兹，由较长的极化周期和高泵浦功率以实现级联效应，提高了差频产生太赫兹的效率，对基于PPLN级联差频产生太赫兹过程进行理论分析。
图5、6为该实施例情况，泵浦光波长、频率0.213μm到1.064μm、281.955THz到1408.451THz，通过改变泵浦光波长(频率)产生太赫兹的极化长度和太赫兹的波矢量失配量曲线图。0.5THz、1THz理论调谐PPLN晶体极化周期长度从7.103mm、3.581mm连续变化至3712mm、1558mm，图4可以看出随着非线性晶体向极化周期增大方向平移调谐，产生太赫兹沿波长增大方向调谐。0.5THz、1THz理论调谐PPLN晶体波矢失配量从-98.496cm-1、-196.797cm-1连续变化至9034cm-1、17925cm-1，图5可以看出低频泵浦光调谐范围广，波矢失配的变化范围小使产生太赫兹衰减缓慢，太赫兹输出调谐大。
本发明提出通过平移变化周期结构非线性晶体极化周期利用Nd:YAG激光基于级联差频产生可调谐太赫兹方法，通过平台上连续平移周期结构非线性晶体而变化晶体周期以满足准相位匹配条件以获得可调谐太赫兹源。本实施例不仅克服红外激光差频晶体损伤阈值低、太赫兹波段吸收系数大的主要缺点，亦可产生更高转换效率太赫兹。该实施例具室温运转、结构紧凑和安装调试简单等显著特点。该发明获得太赫兹源在高速无线通信、无损评估和医疗诊断等领域展示广阔应用前景。
这里需要说明，本发明以实施例为中心展开详细说明。实际在组成、构造以及使用细节的变化都应属于本发明范围以内。

Claims (7)

1.一种基于多周期结构晶体获得太赫兹源的方法，包括下述步骤：
第1步、利用可调谐Nd:YAG激光器产生两束红外泵浦光，两束红外泵浦光的波长范围0.213μm～1.064μm且频率相差1THz；
第2步、使两束红外泵浦光共线；
第3步、将非线性晶体置于泵浦光束光路上，该非线性晶体为多周期结构，非线性晶体的极化周期连续变化，其晶体长度满足准相位匹配；
第4步、变化Nd:YAG激光器泵浦光波长，连续平移周期结构晶体以改变晶体的极化周期，实现太赫兹可调谐输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：非线性晶体指多周期结构PPLN晶体；非线性晶体制作成多周期结构利用晶体相位匹配条件下反转周期、有效非线性系数，非线性晶体三波耦合相互作用长度等于周期结构晶体长度。
3.一种基于多周期结构晶体获得太赫兹源的装置，包括：
激光器，用于产生两束红外泵浦光；
分束镜和高反射镜，用于使两束高、低泵浦光共线；
滤波片，用于使两束可调谐泵浦光变为连续正弦光波；
光学谐振腔，光学谐振腔中包括多周期结构的非线性晶体和高反膜，用于实现共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：激光器包括第一激光器和第二激光器，分束镜设置在第二激光器所发出的低频泵浦光的光路上；高反射镜包括第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜和第四高反射镜，第一高反射镜设置在第一激光器所发出的高频泵浦光的光路上，并且配置为将第一激光反射到分束镜上；分束镜配置为透射第一激光器所发出的高频泵浦光、反射第二激光器所发出的低频泵浦光，并且使第一激光器所发出的高频泵浦光和第二激光器所发出的低频泵浦光共线；第二高反射镜、第三高反射镜和第四高反射镜配置为将所述的两束共线的可调谐泵浦光反射到滤波片上；滤波片包括第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片、第四滤波片和第五滤波片，所述的五个滤波片被设置为依次透射所述的两束共线的红外泵浦光中的正弦光波；光学谐振腔设置在所述的两束共线的红外泵浦光的光路上，两束共线的红外泵浦光在光学谐振腔内实现共线相位匹配级联差频产生太赫兹的物理过程。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：多周期结构的非线性晶体为多周期结构PPLN晶体。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：滤波片旁设有吸收体。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：第一激光器和第二激光器均为Nd:YAG激光器。
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