CN110571631A - 太赫兹激光器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种太赫兹激光器，包括：处于第一轴线且按顺序布置的固定光栅、第一ZnSe增透窗片、TEA二氧化碳增益模块、第二ZnSe增透窗片、全反射金镜，全反射金镜的镜面法线与第一轴线成45度，第一和第二ZnSe增透窗片分别密封固定在TEA二氧化碳增益模块两端，光栅与全反射金镜分别以一定距离固定在TEA二氧化碳增益模块左右两侧；处于第二轴线的石英晶体片、太赫兹激光增益区、曲率全反射金镜和二色片，石英晶体片与太赫兹激光增益区的右端密封连接，曲率全反射金镜与太赫兹激光增益区的左端密封连接，二色片位于太赫兹激光增益区的内部，与第二轴线成45度角，太赫兹激光增益区右端的上侧面与第三ZnSe增透窗片密封连接，且二色片位于第三ZnSe增透窗片的正下方。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹激光器，具体地涉及一种二氧化碳激光器泵浦气体的太赫兹激光器。
背景技术
光泵气体太赫兹激光器及其谐振腔的研究较早，关于二氧化碳激光器为泵浦源的外腔光泵气体太赫兹激光器已相对成熟。二氧化碳激光器的外腔光泵气体太赫兹激光器具有输出脉冲能量高，峰值功率高的优势。
但现有的二氧化碳激光泵浦太赫兹激光器采用的是外腔泵浦结构，泵浦激光只能单程单次，最多一次往返经过太赫兹增益区，泵浦激光利用率低，会有一部分泵浦激光浪费。要想获得高功率，大能量输出，只能增加泵浦激光能量和增加太赫兹增益区的长度，从而导致TEA二氧化碳激光器的体积和太赫兹激光器的体积，能量利用率较低，光光转化效率低，不能充分利用泵浦能量等。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
在现有二氧化碳激光器外腔光泵气体太赫兹谐振腔技术下，太赫兹激光器体积较大，能量利用率较低，光光转化效率低，不能充分利用泵浦能量。鉴于此，做出本发明。
根据本发明的一个方面，提供了一种太赫兹激光器，其特征在于，包括：处于第一轴线且按顺序布置的固定光栅、第一ZnSe增透窗片、TEA二氧化碳增益模块、第二ZnSe增透窗片、全反射金镜，且其中全反射金镜的镜面法线与第一轴线成45度角，第一ZnSe增透窗片和第二ZnSe增透窗片分别密封固定在TEA二氧化碳增益模块的两端，光栅与全反射金镜分别以一定距离固定在TEA二氧化碳增益模块的左右两侧；处于第二轴线的石英晶体片、太赫兹激光增益区、曲率全反射金镜和二色片，其中石英晶体片与太赫兹激光增益区的右端密封连接，曲率全反射金镜与太赫兹激光增益区的左端密封连接，二色片位于太赫兹激光增益区的内部，与第二轴线成45度角，太赫兹激光增益区右端的上侧面与第三ZnSe增透窗片密封连接，且二色片位于第三ZnSe增透窗片的正下方，其中所述全反射金镜的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向第三ZnSe增透窗片，且所述二色片的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向太赫兹激光增益区。
进一步地，二色片的中心与位于太赫兹激光增益区右端的石英晶体片所在平面的距离为40mm，且二色片的中心与位于太赫兹激光增益区右端的上侧面的第三ZnSe增透窗片所在平面的距离也是40mm。
进一步地，二色片对45度角入射的9-10.6微米的二氧化碳激光的反射率大于0.92，对45度角入射的太赫兹激光的透射率大于0.75。
进一步地，第三ZnSe增透窗片、石英晶体片、曲率全反射金镜和太赫兹激光增益区10构成一个密封闭合的腔体。
进一步地，石英晶体片是太赫兹激光器的输出耦合腔镜，其对太赫兹激光的透射率在0.70-0.85之间。
进一步地，太赫兹激光增益区内填充有太赫兹增益气体，气体压强在20Pa-3500Pa之间。
进一步地，太赫兹增益气体为以下中的一个：D2O、CH3F、NH3。
根据本申请的实施方式，提供一种基于二色片的内腔光泵气体太赫兹激光谐振腔结构的太赫兹激光器。该激光器具有以下优点至少之一：设备一体化，小型化，泵浦光可多次经过太赫兹激光增益区，泵浦能量利用率高，光光转化效率高等。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是根据本发明实施方式的太赫兹激光器的结构示意图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种太赫兹激光器，该太赫兹激光器包括处于第一轴线且按顺序布置的固定光栅、第一ZnSe增透窗片、横向激励大气压(Transversely ExcitedAtmospheric，以下简称TEA)二氧化碳增益模块、第二ZnSe增透窗片、全反射金镜，且其中全反射金镜的镜面法线与第一轴线成45度角，第一ZnSe增透窗片和第二ZnSe增透窗片分别密封固定在TEA二氧化碳增益模块的两端，光栅与全反射金镜分别以一定距离固定在TEA二氧化碳增益模块的左右两侧；处于第二轴线的石英晶体片、太赫兹激光增益区、曲率全反射金镜和二色片，其中石英晶体片与太赫兹激光增益区的右端密封连接，曲率全反射金镜与太赫兹激光增益区的左端密封连接，二色片位于太赫兹激光增益区的内部，与第二轴线成45度角，太赫兹激光增益区右端的上侧面与第三ZnSe增透窗片密封连接，且二色片位于第三ZnSe增透窗片的正下方，其中所述全反射金镜的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向第三ZnSe增透窗片，且所述二色片的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向太赫兹激光增益区。
下面结合图1来描述根据本发明实施方式的太赫兹激光器。该太赫兹激光器包括按顺序布置的固定光栅1、第一ZnSe增透窗片2、TEA二氧化碳增益模块3、第二ZnSe增透窗片4、全反射金镜5，这些部件处于同一轴线，且其中全反射金镜5的镜面法线与该轴线成45度角。
第一ZnSe增透窗片2和第二ZnSe增透窗片4分别密封固定在TEA二氧化碳增益模块3的两端，该密封方式可以是真空密封，或本领域技术人员根据实际需要可以采用其他密封方式。
光栅1与全反射金镜5分别以一定距离固定在TEA二氧化碳增益模块3的左右两侧，该距离可以由本领域技术人员根据实际需要来决定，只要能够实现下文描述的泵浦工作过程即可，比如可以设置成光栅1与TEA二氧化碳增益模块3左侧的距离为20cm，全反射金镜5与TEA二氧化碳增益模块3右侧的距离为30cm。固定方式可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择，比如可以是光栅1安放在光学精密转台上，全反射金镜5安放在光学镜架上。
该太赫兹激光器还包括石英晶体片8、太赫兹激光增益区10、曲率全反射金镜9和二色片7。石英晶体片8与太赫兹激光增益区10的右端密封连接，曲率全反射金镜9与太赫兹激光增益区10的左端密封连接，该密封连接可以是真空密封，或本领域技术人员可以根据实际需要采用其他密封连接方式。
二色片7位于太赫兹激光增益区10的内部，位于石英晶体片8、曲率全反射金镜9的轴线上，且与该轴线成45度角。太赫兹激光增益区10右端的上侧面与第三ZnSe增透窗片6密封连接，且二色片7位于第三ZnSe增透窗片6的正下方。二色片7可以固定在太赫兹激光增益区10的内部，固定方式可以是安装在光学精密调整架上，或者本领域技术人员可以根据实际需要采用其他方式。
根据一个实现方式，二色片7的中心与位于太赫兹激光增益区10右端的石英晶体片8所在平面的距离为40mm，且二色片的中心与位于太赫兹激光增益区10右端的上侧面的第三ZnSe增透窗片6所在平面的距离也是40mm。
二色片7对45度角入射的9-10.6微米的二氧化碳激光的反射率可以大于0.92，对45度角入射的太赫兹激光的透射率可以大于0.75。
此外，石英晶体片8可以是太赫兹激光器的输出耦合腔镜，其对太赫兹激光的透射率在0.70-0.85之间。
以上所举数字是为实现本发明实施方式而示例的，本领域技术人员可以根据需要采用其他数字。
根据另一个实现方式，第三ZnSe增透窗片6、石英晶体片8、曲率全反射金镜9和太赫兹激光增益区10构成一个密封闭合的腔体。
太赫兹激光增益区10内部可以填充有太赫兹增益气体，气体压强在20Pa-3500Pa之间，且增益气体可以为以下中的一个：D2O、CH3F、NH3。
太赫兹激光器的泵浦方式
下面描述根据本发明实施方式的太赫兹激光器的泵浦方式。
在图1所示的太赫兹激光器中，光栅1与曲率全反射金镜9构成二氧化碳激光器的谐振腔。二氧化碳激光由光栅1反射后，经ZnSe增透窗片2进入TEA增益模块3中被放大，透过ZnSe增透窗片4，经全反射金镜5反射，通过ZnSe增透窗片6，且由二色片7的反射后，入射到太赫兹激光增益区10，在太赫兹激光增益区10内被太赫兹工作气体介质吸收一部分，剩余的泵浦激光由曲率全反射金镜9反射后，再次进入太赫兹工作气体介质再次被吸收一部分，剩余的一部分再次经二色片7、ZnSe增透窗片6、全反射金镜5、ZnSe增透窗片4再次返回到TEA二氧化碳增益模块3内被放大。
以这种方式，二氧化碳激光在光栅1与曲率全反射金镜9之间来回往返多次，每次在TEA二氧化碳增益模块3内被放大，在太赫兹激光增益区10内作为泵浦激光被吸收。
太赫兹激光器的工作原理
下面描述根据本发明实施方式的太赫兹激光器的工作原理。其中，石英晶体片8和曲率全反射金镜9构成太赫兹激光器的谐振腔，石英晶体片8为太赫兹激光器的输出耦合腔镜，其对太赫兹激光的透射率在0.70-0.85之间。太赫兹激光在石英晶体片8和曲率全反射金镜9之间往返振荡，边振荡边输出。
另外，太赫兹激光增益区10内可以充有太赫兹增益气体，所述太赫兹增益气体可以为D2O、CH3F或NH3，气体压强可以在20Pa-3500Pa之间。
光栅1和曲率反射镜9构成二氧化碳激光器的谐振腔，曲率反射镜9和石英晶片8构成太赫兹谐振腔。太赫兹激光增益区10置于二氧化碳激光器的谐振腔内。二氧化碳激光在光栅1和曲率反射镜9之间来回往返，每经过TEA增益模块3一次被放大一次，然后经过太赫兹激光增益区10被吸收一部分，如此往返多次。
二氧化碳激光在TEA增益模块3中被放大的光，作为泵浦激光被太赫兹激光增益区10内的增益气体吸收，被吸收的泵浦激光激励太赫兹增益气体分子，使气体分子在同一振动能级上的不同转动能级之间形成粒子数反转分布，从而形成受激辐射的太赫兹光波。
受激辐射的太赫兹光波在曲率反射镜9和石英晶片8之间来回往返传播，在曲率反射镜9和二色片7之间被多次放大，被放大的太赫兹激光由输出耦合腔镜即石英晶体片8耦合输出。
根据本发明的实施方式，基于TEA二氧化碳激光器内腔泵浦结构，泵浦光可多次经过太赫兹增益区。因为泵浦光能够多次经过太赫兹增益区，泵浦光能量就可以多次利用，因此，泵浦光能量利用率高，光光转化效率高。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.一种太赫兹激光器，其特征在于，包括：
处于第一轴线且按顺序布置的固定光栅、第一ZnSe增透窗片、TEA二氧化碳增益模块、第二ZnSe增透窗片、全反射金镜，且其中所述全反射金镜的镜面法线与所述第一轴线成45度角，所述第一ZnSe增透窗片和所述第二ZnSe增透窗片分别密封固定在TEA二氧化碳增益模块的两端，所述光栅与全反射金镜分别以一定距离固定在TEA二氧化碳增益模块的左右两侧；
处于第二轴线的石英晶体片、太赫兹激光增益区、曲率全反射金镜和二色片，其中石英晶体片与太赫兹激光增益区的右端密封连接，曲率全反射金镜与太赫兹激光增益区的左端密封连接，二色片位于太赫兹激光增益区的内部，位于所述第二轴线上，且与所述第二轴线成45度角，所述太赫兹激光增益区右端的上侧面与第三ZnSe增透窗片密封连接，且所述二色片位于所述第三ZnSe增透窗片的正下方，
其中所述全反射金镜的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向第三ZnSe增透窗片，且所述二色片的朝向使得将入射的二氧化碳激光反射向太赫兹激光增益区。
2.根据权利要求1所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述二色片的中心与位于所述太赫兹激光增益区右端的石英晶体片所在平面的距离为40mm，且所述二色片的中心与位于所述太赫兹激光增益区右端的上侧面的第三ZnSe增透窗片所在平面的距离也是40mm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述二色片对45度角入射的9-10.6微米的二氧化碳激光的反射率大于0.92，对45度角入射的太赫兹激光的透射率大于0.75。
4.根据权利要求1所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述第三ZnSe增透窗片、石英晶体片、曲率全反射金镜和太赫兹激光增益区构成一个密封闭合的腔体。
5.根据权利要求1所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述石英晶体片是所述太赫兹激光器的输出耦合腔镜，其对太赫兹激光的透射率在0.70-0.85之间。
6.根据权利要求1所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述太赫兹激光增益区内填充有太赫兹增益气体，气体压强在20Pa-3500Pa之间。
7.根据权利要求6所述的太赫兹激光器，其特征在于，所述太赫兹增益气体为以下中的一个：D2O、CH3F、NH3。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191213 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |