CN110474225A - 一种太赫兹波生成装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种太赫兹波的生成装置，包括：第一腔镜、侧泵模块、调Q模块、第二腔镜、拉曼晶体、多周期极化晶体、太赫兹波输出镜和第三腔镜；其中，所述第一腔镜与所述第二腔镜形成第一腔室；所述侧泵模块与所述调Q模块设置于所述第一腔室内，构成调Q激光器；所述第二腔室和所述第三腔室形成第二腔室；所述拉曼晶体、所述多周期极化晶体和所述太赫兹波输出镜设置于所述第二腔室内；按照激光从左至右的传播方向，所述第一腔室位于所述第二腔室的左侧。本申请所提供的装置机械结构稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够连续波或脉冲形式运转，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及太赫兹波技术领域，尤其涉及一种太赫兹波生成装置。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz,1THz＝1012Hz)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。太赫兹辐射在物理、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，这使得太赫兹辐射源成为THz技术发展的关键及瓶颈。因此，如何研制出性能优良的太赫兹辐射源已成为科研工作者亟待解决的实际问题。
太赫兹辐射源作为未来应用的有力工具受到了广泛关注，是太赫兹技术最关键领域之一；获得高效率(能量)太赫兹辐射源，已成为太赫兹技术及其应用领域的关键。在许多相干太赫兹产生的电子和光学方法中，目前，太赫兹参量振荡器通常利用大能量的脉冲Nd:YAG激光器作为泵浦源，利用铌酸锂(LiNbO3)或掺氧化镁铌酸锂(MgO:LiNbO3)作为非线性晶体在谐振腔内通过非共线相位匹配产生参量振荡，并通过硅棱镜耦合或垂直晶体表面输出太赫兹波，调节入射光角度或谐振腔可以实现太赫兹波的调谐(参考Jun-ichi Shikat等2000年发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques的文章Tunableterahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3 and MgO:LiNbO3 crystals)。为进一步降低太赫兹参量振荡器的阈值并减小装置的体积，有人利用PPLN作为非线性晶体，并将其置于激光谐振腔内，激光器与参量振荡器共用谐振腔，即采用内腔泵浦方式，实现了高重复频率的太赫兹波输出(参考T.J.Edwards等2006年发表在Optics Express的文章Compact source of continuously and widely-tunable terahertz radiation)。国内多家单位在脉冲激光器泵浦的太赫兹参量振荡器方面也做了大量的理论和实验研究工作(参考刘磊等2012年发表在“激光与光电子学进展”的文章“太赫兹波参量振荡器研究进展”)。
太赫兹的产生有光电导，光整流，自由电子激光器，非线性参量过程，差频等多种方法，其中利用差频获得太赫兹波最大优点是没有阈值，设备容易搭建，容易实现差频转换，便于工程化，使得在脉宽为纳秒的激光脉冲泵浦下产生太赫兹，有着广泛的发展空间和应用前景。目前获得两波长相近的信号光比较成熟和容易实现的方法有：（1）双波长运转的钛宝石激光器，（2）工作在简并点附近的光参量振荡器，（3）利用双非线性晶体实现双信号光运转的参量振荡器，（4）利用双周期或者级联周期的周期极化晶体实现双信号光运转的参量振荡器。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太赫兹辐射。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；太赫兹波段吸收系数小；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。
但是，基于在非线性晶体中进行差频的方案，需要两个波长相近的激光光源，无法保证在利用固态激光器双波长运转的情况下，也能保证波长的稳定输出，且无法从根本上实现小型化，即便是对于较为紧凑的内腔泵浦太赫兹参量振荡器，由于产生激光的晶体和实现频率变换的晶体并非一块晶体，谐振腔也并非共用，在一定程度上无法有效压缩整个装置的体积。同时现有的传统太赫兹参量振荡器相位匹配方式大多采用非共线相位匹配，但太赫兹波需要采用硅棱镜耦合输出或需要设计复杂的晶体表面输出结构；太赫兹参量振荡器的调谐需要改变泵浦方向或整个参量振荡器谐振腔的角度，机械结构的调整不利于整体器件的稳定性。
发明内容
本申请提供了一种太赫兹波的生成装置，以解决现有太赫兹波生成装置的机械结构不利于整体器件的稳定性的问题。
本申请提供了一种太赫兹波的生成装置，所述装置包括：第一腔镜、侧泵模块、调Q模块、第二腔镜、拉曼晶体、多周期极化晶体、太赫兹波输出镜和第三腔镜；
其中，所述第一腔镜与所述第二腔镜形成第一腔室；所述侧泵模块与所述调Q模块设置于所述第一腔室内，构成调Q激光器；
所述第二腔室和所述第三腔室形成第二腔室；所述拉曼晶体、所述多周期极化晶体和所述太赫兹波输出镜设置于所述第二腔室内；
按照激光从左至右的传播方向，所述第一腔室位于所述第二腔室的左侧。
可选地，所述装置还包括：步进电机；
所述步进电机与所述多周期极化晶体电连接。
可选地，所述第一腔镜为平凹镜，所述第一腔镜镀有对波长为1066nm的激光高反射的高反膜；所述第一腔镜的焦距为1000mm。
可选地，所述侧泵模块采用可调谐功率的LD，所述LD的最大功率为500W；
所述侧泵模块中的激光晶体为Nd：YAG或者Nd:YVO4，其中， Nd：YAG的浓度为0.5-at%，Nd:YVO4的浓度为1.2-at%，所述激光晶体的长度均采用5mm-50mm。
可选地，所述调Q模块采用重复频率为10KHz-30KHz的调Q声光模块。
可选地，所述第二腔镜镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第二腔室镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第二腔室镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
可选地，所述拉曼晶体采用沿c轴或者平行于c轴切割的YVO4，所述YVO4的长度为5mm-20mm。
可选地，所述多周期极化晶体采用带有MgO的PPLN、PPLT、PPSLT中的一种；
所述多周期极化晶体的极化反转畴周期为98μm-130μm；
所述多周期极化晶体的尺寸为适应腔模式的长度即可。
可选地，所述太赫兹波输出镜采用离轴抛物面镜；
所述太赫兹波输出镜的中心轴与所述第二腔室中激光的光路重合，且所述太赫兹波输出镜具有通光孔，所述通光孔的直径为1-3mm；
所述太赫兹波输出镜的反射面镀有反射膜；
所述太赫兹波输出镜的离轴角度为45°，以使反射的太赫兹波垂直于所述中心轴输出所述第二腔室的外部。
可选地，所述第三腔镜镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第三腔室镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第三腔室镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
由以上技术可知，本申请提供了一种太赫兹波的生成装置，所述装置包括：第一腔镜、侧泵模块、调Q模块、第二腔镜、拉曼晶体、多周期极化晶体、太赫兹波输出镜和第三腔镜；其中，所述第一腔镜与所述第二腔镜形成第一腔室；所述侧泵模块与所述调Q模块设置于所述第一腔室内，构成调Q激光器；所述第二腔室和所述第三腔室形成第二腔室；所述拉曼晶体、所述多周期极化晶体和所述太赫兹波输出镜设置于所述第二腔室内；按照激光从左至右的传播方向，所述第一腔室位于所述第二腔室的左侧。使用时，在第一腔室中由侧泵模块2和调Q模块3形成一定频率的泵浦激光。该泵浦激光从第一腔室射入第二腔室，首先，该泵浦激光经过拉曼晶体5之后产生一定频率的拉曼激光，此时，该拉曼激光与泵浦激光的频率相近，这两种激光经过多周期极化晶体6之后，通过差频处理，可以得到太赫兹波，所生成的太赫兹波可以经由太赫兹波输出镜7输出第二腔室。可见，本申请所提供的装置能够通过产生双波长信号的方法，减小激光器的体积，实现较为紧凑的内腔式的太赫兹参量振荡器，机械结构稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够连续波或脉冲形式运转，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1展示了一种太赫兹波的生成装置的结构示意图；
图2展示了一种带有步进电机的太赫兹波生成装置的结构示意图；
图3展示了一种带有偏振调节器的太赫兹波生成装置的结构示意图。
图示说明：
其中，1-第一腔镜，2-侧泵模块，3-调Q模块，4-第二腔镜，5-拉曼晶体，6-多周期极化晶体，7-太赫兹波输出镜，8-第三腔镜，9-步进电机，10-偏振调节器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解的是，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本申请并不局限于以下描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
图1展示了一种太赫兹波的生成装置的结构示意图，如图1所示，本申请所提供的一种太赫兹波的生成装置，包括：第一腔镜1、侧泵模块2、调Q模块3、第二腔镜4、拉曼晶体5、多周期极化晶体6、太赫兹波输出镜7和第三腔镜8；
其中，所述第一腔镜1与所述第二腔镜4形成第一腔室；所述侧泵模块2与所述调Q模块3设置于所述第一腔室内，构成调Q激光器；
所述第二腔室4和所述第三腔室8形成第二腔室；所述拉曼晶体5、所述多周期极化晶体6和所述太赫兹波输出镜7设置于所述第二腔室内；
按照激光从左至右的传播方向，所述第一腔室位于所述第二腔室的左侧。
使用时，在第一腔室中由侧泵模块2和调Q模块3形成一定频率的泵浦激光。该泵浦激光从第一腔室射入第二腔室，首先，该泵浦激光经过拉曼晶体5之后产生一定频率的拉曼激光，此时，该拉曼激光与泵浦激光的频率相近，这两种激光经过多周期极化晶体6之后，通过差频处理，可以得到太赫兹波，所生成的太赫兹波可以经由太赫兹波输出镜7输出第二腔室。可见，本申请所提供的装置能够通过产生双波长信号的方法，减小激光器的体积，实现较为紧凑的内腔式的太赫兹参量振荡器，机械结构稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够连续波或脉冲形式运转，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。
可选地，图2展示了带有步进电机的太赫兹波生成装置的结构示意图，所述装置还包括：步进电机9；
所述步进电机9与所述多周期极化晶体6电连接。
具体地，步进电机9带动多周期极化晶体6转动，进而改变多周期极化晶体6的通光通道，改变多周期极化晶体6的极化周期，同时也可以改变晶体温度，从而实现对输出太赫兹波波长的调谐。
可选地，所述第一腔镜1为平凹镜，所述第一腔镜1镀有对波长为1066nm的激光高反射的高反膜；所述第一腔镜1的焦距为1000mm。
具体地，第一腔镜1可以采用材料为K9，反射率为99.7%的高反射膜。
可选地，所述侧泵模块2采用可调谐功率的LD，所述LD的最大功率为500W；
所述侧泵模块2中的激光晶体为Nd：YAG或者Nd:YVO4，其中，Nd：YAG的浓度为0.5-at%，Nd:YVO4的浓度为1.2-at%，所述激光晶体的长度均采用5mm-50mm。
其中，当激光晶体为Nd:YVO4时，可以采用如图1和图2所示的太赫兹波的生成装置。当激光晶体为Nd：YAG时，需要增设偏振调节器，图3展示了一种带有偏振调节器的太赫兹波生成装置的结构示意图，如图3所示，在调Q模块3与第二腔镜4之间增设偏振调节器10，偏振调节器10通过振荡第二腔室，以调整从第一腔室射入第二腔室中的激光的偏振方向，以使所述激光的偏振方向与第二腔室内多周期极化晶体6的极化方向一致，从而实现e+e→e的准相位的共线匹配，令泵浦激光与后续形成的拉曼激光在多周期极化晶体6中进行差频产生太赫兹激光，泵浦激光在谐振腔的作用下产生参量振荡效应，将激光频率变换到太赫兹波段，其中，常温下产生的太赫兹波频率为7.95THz。
其中，所述偏振调节器10为1066nm激光高透的高损伤阈值的偏振片。
可选地，所述调Q模块3采用重复频率为10KHz-30KHz的调Q声光模块。
进一步地，所述调Q模块3可以为主动调Q声光模块。
可选地，所述第二腔镜4镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第二腔室4镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第二腔室4镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
可选地，所述拉曼晶体5采用沿c轴或者平行于c轴切割的YVO4，所述YVO4的长度为5mm。
可选地，所述多周期极化晶体6采用带有MgO的PPLN、PPLT、PPSLT中的一种；
所述多周期极化晶体6的极化反转畴周期为98μm-130μm；
所述多周期极化晶体6的尺寸为20mm×3mm×25mm。
可选地，所述太赫兹波输出镜7采用离轴抛物面镜；
所述太赫兹波输出镜7的中心轴与所述第二腔室中激光的光路重合，且所述太赫兹波输出镜7具有通光孔，所述通光孔的直径为1-3mm；
所述太赫兹波输出镜7的反射面镀有反射膜；
所述太赫兹波输出镜7的离轴角度为45°，以使反射的太赫兹波垂直于所述中心轴输出所述第二腔室的外部。
具体地，太赫兹波输出镜7的焦距可以采用100mm，反射面可以镀有氧化金反射膜。
其中，太赫兹波输出镜7上设有的通光孔可以保证双波长激光通过。
可选地，所述第三腔镜8镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第三腔室8镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第三腔室8镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
由以上技术方案可知，本申请所提供的太赫兹波的生成装置可以利用受激拉曼效率获得波长相近的双波长激光，采用周期极化晶体的共线准相位匹配，省去了非共线垂直表面输出带来的复杂设计产生太赫兹波。极大地减小了传统太赫兹参量振荡器的尺寸，其结构简单，设计方便，可在不改变机械结构的前提下通过改变非线性晶体工作温度调节输出波长。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种太赫兹波的生成装置，其特征在于，所述装置包括：第一腔镜（1）、侧泵模块（2）、调Q模块（3）、第二腔镜（4）、拉曼晶体（5）、多周期极化晶体（6）、太赫兹波输出镜（7）和第三腔镜（8）；
其中，所述第一腔镜（1）与所述第二腔镜（4）形成第一腔室；所述侧泵模块（2）与所述调Q模块（3）设置于所述第一腔室内，构成调Q激光器；
所述第二腔室（4）和所述第三腔室（8）形成第二腔室；所述拉曼晶体（5）、所述多周期极化晶体（6）和所述太赫兹波输出镜（7）设置于所述第二腔室内；
按照激光从左至右的传播方向，所述第一腔室位于所述第二腔室的左侧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：步进电机（9）；
所述步进电机（9）与所述多周期极化晶体（6）电连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一腔镜（1）为平凹镜，所述第一腔镜（1）镀有对波长为1066nm的激光高反射的高反膜；所述第一腔镜（1）的焦距为1000mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述侧泵模块（2）采用可调谐功率的LD，所述LD的最大功率为500W；
所述侧泵模块（2）中的激光晶体为Nd：YAG或者Nd:YVO4，其中， Nd：YAG的浓度为0.5-at%，Nd:YVO4的浓度为1.2-at%，所述激光晶体的长度均采用5mm-50mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调Q模块（3）采用重复频率为10KHz-30KHz的调Q声光模块。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二腔镜（4）镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第二腔室（4）镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第二腔室（4）镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拉曼晶体（5）采用沿c轴或者平行于c轴切割的YVO4。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多周期极化晶体（6）采用带有MgO的PPLN、PPLT、PPSLT中的一种；
所述多周期极化晶体（6）的极化反转畴周期为98μm-130μm；
所述多周期极化晶体（6）的尺寸为20mm×3mm×25mm。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述太赫兹波输出镜（7）采用离轴抛物面镜；
所述太赫兹波输出镜（7）的中心轴与所述第二腔室中激光的光路重合，且所述太赫兹波输出镜（7）具有通光孔，所述通光孔的直径为1-3mm；
所述太赫兹波输出镜（7）的反射面镀有反射膜；
所述太赫兹波输出镜（7）的离轴角度为45°，以使反射的太赫兹波垂直于所述中心轴输出所述第二腔室的外部。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三腔镜（8）镀有对波长为1066nm的激光高透的增透膜；
所述第三腔室（8）镀有对波长为1097nm的激光高反射的高反射膜；
所述第三腔室（8）镀有对波长为1178nm的激光高透的增透膜。
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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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