CN110137783A - 一种强度调制太赫兹参量源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强度调制太赫兹参量源装置，包括：当激光增益大于基频光第一腔镜、第二腔镜构成的基频光谐振腔的损耗后，产生基频光，在基频光谐振腔内振荡；非线性晶体满足SPS产生THz波的相位匹配关系，基频光通过非线性晶体产生SPS增益，当斯托克斯光的增益大于斯托克斯光第一腔镜、第二腔镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗时，产生斯托克斯光，在斯托克斯光谐振腔内振荡，同时产生THz波，遵从非共线相位匹配动量守恒原则，从所述非线性晶体侧面经硅棱镜耦合输出；非线性晶体上下表面镀金，用导线与直流源相连，当对晶体上下表面施加直流电压时，晶体内的感生电场改变基频光横向空间分布，改变THz波的输出功率，实现强度调制。

Description

一种强度调制太赫兹参量源装置
技术领域
本发明涉及固体激光器及非线性光学频率变换领域，尤其涉及一种强度调制太赫兹参量源装置。
背景技术
太赫兹(THz)波在短距离无线通信、生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测以及非破坏式探测等方面均具有广泛的应用。THz调制技术是太赫兹在通信及探测领域应用中的关键，目前THz调制的研究多基于超材料等人工电磁材料的外部调制器件，需外加光场或电场改变其对THz波的透过率[1]，调制深度和速率有限，对外加光场的要求也使得其应用受到很大局限。量子级联激光器等半导体THz源虽然能实现对THz波强度的直接调制，但其波长调谐范围和输出THz波的相干性仍无法与基于非线性光学频率变换技术的THz源相比。因此，实现光学方法THz源高效、高速的强度调制具有迫切的需求。
基于铌酸锂(LN)类非线性光学晶体受激偶子散射(SPS)的太赫兹参量振荡器(TPO)是目前非线性光学THz源的主流技术手段之一。特别是将非线性晶体置于基频激光谐振腔内的内腔TPO，具有结构简单紧凑、阈值低、效率高等优良特性[2]。LN类晶体对于强激光场具有光折变响应，即当基频光入射LN晶体时，光场将束缚在晶体杂质或缺陷形成的浅阱中的载流子(电子或空穴)激发，如果光强是不均匀的，光激发载流子将通过扩散等过程进行迁移，结果是在介质里出现光感生电场。光感生电场再通过介质的电光效应产生折射率变化。光折变效应会改变TPO基频光的光束质量，也即空间分布，进而影响THz波产生效率，最终引起THz波的强度变化。因此，通过对光折变效应的控制，就有可能实现对THz波强度的调制。
参考文献
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发明内容
本发明提供了一种强度调制太赫兹参量源装置，本发明使用LN类非线性晶体实现内腔太赫兹参量振荡，由于在基频光作用下LN类晶体的光折变效应会对TPO的效率，也即出射THz波强度产生影响，而对LN类非线性晶体外加电压能够抑制光折变效应，因此只要改变晶体的外加电压，实现对光折变效应的控制，就能够实现对THz波的强度调制，详见下文描述：
一种强度调制太赫兹参量源装置，所述装置包括：
当激光增益大于基频光第一腔镜、第二腔镜构成的基频光谐振腔的损耗后，产生基频光，在基频光谐振腔内振荡；
非线性晶体满足SPS产生THz波的相位匹配关系，基频光通过非线性晶体产生SPS增益，当斯托克斯光的增益大于斯托克斯光第一腔镜、第二腔镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗时，产生斯托克斯光，在斯托克斯光谐振腔内振荡，同时产生THz波，遵从非共线相位匹配动量守恒原则(该原则为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述)，从所述非线性晶体侧面经硅棱镜耦合输出；
所述非线性晶体上下表面镀金，用导线与直流电源相连，当电源不施加电压时，晶体上下表面处于导通状态，热释电效应产生的电荷不会在上下表面积累形成无偏压，因此也就不会在晶体内产生引起光折变相应电场，晶体中的光束质量不会受到负面影响，因而能够保持最优的转换效率，实现最高THz波输出强度，当对晶体上下表面施加直流电压时，晶体内的感生电场改变基频光横向空间分布，从而改变THz波的输出功率，实现强度调制。
进一步地，所述基频光第一腔镜、第二腔镜镀有对泵浦光高透、基频光高反膜系；所述斯托克斯光第一腔镜、第二腔镜镀有对斯托克斯光高反膜系。
其中，所述基频光晶体镀有对泵浦光和基频光增透膜系；所述非线性晶体侧面粘有硅棱镜以减小THz波耦合输出时的损耗，所述非线性晶体镀有对基频光和斯托克斯光增透膜系。
进一步地，所述装置还包括：调Q器件，
所述调Q器件是主动Q开关或可饱和吸收体，所述调Q器件镀有基频光增透膜，置于基频光谐振腔内，使基频光脉冲运转。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过对非线性晶体施加电压直接对太赫兹源进行强度调制，无需外加光场，结构简单，能耗低、调制速率快；
2、本发明可以在室温下运转，环境适应性好；
3、本发明采用基于SPS的内腔TPO结构实现THz波，阈值低、转换效率高。
附图说明
图1为一种强度调制太赫兹参量源装置的光路示意图(俯视)；
图2为一种强度调制太赫兹参量源装置的另一光路示意图(俯视)；
图3为一种强度调制太赫兹参量源装置中的对非线性晶体外加电压实现光折变控制的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2-1：基频光第一腔镜；
2-2：基频光第二腔镜； 3：基频光晶体；
4-1：斯托克斯光第一腔镜； 4-2：斯托克斯光第二腔镜；
5：非线性晶体； 6：调Q器件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1：
本发明实施例提供了一种强度调制太赫兹参量源装置，参见图1，该太赫兹参量源装置包括：泵浦源1、基频光第一腔镜2-1、基频光晶体3、斯托克斯光第一腔镜4-1、非线性晶体5、斯托克斯光第二腔镜4-2、基频光第二腔镜2-2，以及调Q器件6。
其中，泵浦源1是半导体激光器，波长878.6nm；基频光第一腔镜2-1为平镜，镀878.6nm增透、1064nm高反膜系；基频光晶体3为a切割Nd:YVO4晶体，长10mm，掺杂浓度0.3％，镀878.6nm、1064nm增透膜系；斯托克斯光第一腔镜4-1为凹镜，曲率半径100mm，凹面镀1060-1080nm高反膜系；非线性晶体5为LN晶体，长30mm，镀1060-1080nm增透膜系，上下表面镀金作为电极，一侧面贴有硅棱镜减小THz波输出的菲涅尔损耗；基频光第一腔镜2-2为凹镜，曲率半径100mm，镀1064nm高反膜系；斯托克斯光第二腔镜4-2为凹镜，曲率半径100mm，凹面镀1060-1080nm高反膜系；基频光谐振腔长120mm，斯托克斯光谐振腔长190mm。
泵浦源1的878.6nm泵浦光被基频光晶体3Nd:YVO4吸收，产生激光增益，在基频光第一腔镜2-1和基频光第二腔镜2-2构成的基频光谐振腔的反馈作用和声光Q开关6的调Q作用下形成脉冲的1064nm基频光振荡，基频光经过非线性晶体5时产生SPS增益，斯托克斯光第一腔镜4-1和斯托克斯第二腔镜4-2构成的斯托克斯光谐振腔的反馈作用下形成斯托克斯光振荡，产生的THz波经由硅棱镜从侧面耦合输出；通过整体调节斯托克斯光第一腔镜4-1和第二腔镜4-2，改变斯托克斯光与基频光在非线性晶体5中的夹角，可实现斯托克斯光波长和输出THz波频率的调谐，基频光与斯托克斯光的夹角从0.9°变化至3.3°时，输出THz波频率可从1.3THz调谐至2.2THz。
本发明实施例对上述的夹角、THz波频率的取值不做限制，仅以上述取值为例进行说明，具体实现时本发明实施例对此不做赘述。
参见图2，当非线性晶体5的上下表面导通时，泵浦源1的功率为10W时，能够输出9.8μW的连续THz波；当通过直流电源施加260V直流电压于非线性晶体5的上下表面时，基频光的光斑发生明显劣化，输出的THz波功率降至2.3μW；当非线性晶体5的上下表面施加的直流电压增加至780V时，输出的THz波功率降至0。即通过改变施加在非线性晶体5上下表面的电压值可实现对非线性晶体5光折变的调控，从而改变基频光的空间分布，进而实现对输出的THz波强度(即功率)的调制。
本发明实施例仅以上述施加的功率值、电压值为例进行说明，具体实现时本发明实施例对此不做赘述。
综上所述，本发明实施例的目的在于通过外加电压改变内腔TPO中非线性晶体的光折变效应，实现对输出THz波强度的调制。
实施例2
本发明实施例提供了一种强度调制太赫兹参量源装置，参见图3，该太赫兹参量源装置包括：泵浦源1、基频光第一腔镜2-1、基频光晶体3、斯托克斯光第一腔镜4-1、非线性晶体5、斯托克斯光第二腔镜4-2、基频光第二腔镜2-2；
其中，泵浦源1是半导体激光器，波长808nm；基频光第一腔镜2-1为平镜，镀808nm增透、1341nm高反膜系；基频光晶体3为a切割Nd:GdVO4晶体，长10mm，掺杂浓度0.5％，镀808nm、1063nm、1341nm增透膜系；斯托克斯光第一腔镜4-1为凹镜，曲率半径100mm，凹面镀1340-1360nm高反膜系；非线性晶体5为钽酸锂(LT)晶体，长25mm，镀1060-1080nm、1340-1360nm增透膜系，上下表面镀金作为电极，一侧面贴有硅棱镜减小THz波输出的菲涅尔损耗；基频光第一腔镜2-2为凹镜，曲率半径100mm，镀1341nm高反膜系；斯托克斯光第二腔镜4-2为凹镜，曲率半径100mm，凹面镀1063nm增透、1340-1360nm高反膜系；调Q器件6为声光Q开关，镀1064nm、1341nm增透膜，超声波频率41MHz；基频光谐振腔长130mm，斯托克斯光谐振腔长200mm。
泵浦源1的808nm泵浦光被基频光晶体3Nd:GdVO4吸收，产生激光增益，在基频光第一腔镜2-1和基频光第二腔镜2-2构成的基频光谐振腔的反馈作用和调Q器件6的调Q作用下形成脉冲的1341nm基频光振荡，基频光经过非线性晶体5时产生SPS增益，在斯托克斯光第一腔镜4-1和斯托克斯第二腔镜4-2构成的斯托克斯光谐振腔的反馈作用下形成斯托克斯光振荡，产生的THz波经由硅棱镜从侧面耦合输出；通过转动非线性晶体5的角度改变相位匹配条件可实现斯托克斯光波长和输出THz波频率的调谐。
参见图2，通过改变施加在非线性晶体5上下表面的电压可实现对晶体光折变的调控，从而改变基频光空间分布，实现对输出THz波强度的调制。具体施加的电压值参见实施例1，本发明实施例在此不做赘述。
上述实施例中，基频光晶体3可以是Nd:GdVO4、Nd:YVO4，也可以是Nd:YLF、Yb:YAP等常用激光晶体，本发明实施例对此不做限制。
相应地，非线性晶体5可以是LN、LT，也可以是其他常用铌酸锂类非线性晶体，只要能够提供SPS增益并存在光折变效应即可，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
综上所述，本发明实施例的目的在于通过外加电压改变内腔TPO中非线性晶体的光折变效应，实现对输出THz波强度的调制。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种强度调制太赫兹参量源装置，其特征在于，所述装置包括：
当激光增益大于基频光第一腔镜、第二腔镜构成的基频光谐振腔的损耗后，产生基频光，在基频光谐振腔内振荡；
非线性晶体满足SPS产生THz波的相位匹配关系，基频光通过非线性晶体产生SPS增益，当斯托克斯光的增益大于斯托克斯光第一腔镜、第二腔镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗时，产生斯托克斯光，在斯托克斯光谐振腔内振荡，同时产生THz波，遵从非共线相位匹配动量守恒原则，从所述非线性晶体侧面经硅棱镜耦合输出；
所述非线性晶体上下表面镀金，用导线与直流电源相连，当对晶体上下表面施加直流电压时，晶体内的感生电场改变基频光横向空间分布，改变THz波的输出功率，实现强度调制。
2.根据权利要求1所述的一种强度调制太赫兹参量源装置，其特征在于，
所述基频光第一腔镜、第二腔镜镀有对泵浦光高透、基频光高反膜系；
所述斯托克斯光第一腔镜、第二腔镜镀有对斯托克斯光高反膜系。
3.根据权利要求1所述的一种强度调制太赫兹参量源装置，其特征在于，
所述基频光晶体镀有对泵浦光和基频光增透膜系；
所述非线性晶体侧面粘有硅棱镜以减小THz波耦合输出时的损耗，所述非线性晶体镀有对基频光和斯托克斯光增透膜系。
4.根据权利要求1-3中任意权利要求所述的一种强度调制太赫兹参量源装置，其特征在于，所述装置还包括：调Q器件，
所述调Q器件是主动Q开关或可饱和吸收体，所述调Q器件镀有基频光增透膜，置于基频光谐振腔内，使基频光脉冲运转。
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