CN110768088A - 一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，包括泵浦激光器、Stokes光产生晶体、THz波产生晶体，以及由旋转台，Stokes光产生晶体的形状为长条薄片型，一束泵浦光掠入射晶体侧面并发生全反射，构成交叉泵浦形式，利用交叉泵浦SPS的自选频效应，产生单波长的Stokes种子激光，输出的Stokes光和另一束泵浦光在等腰梯形的THz波产生晶体内相互作用，构成种子注入THz波参量发生器，产生THz波以垂直表面发射的形式耦合输出。其有益效果是：本发明无需另外的可调谐窄线宽种子激光源即可实现THz波的可调谐输出，并应适用于亚纳秒激光泵浦条件，降低系统经济成本，提高THz波的产生效率。

Description

一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源
技术领域
本发明涉及太赫兹波激光源技术领域，特别是指一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源。
背景技术
太赫兹 (THz) 波是指波长范围为3000-30μm,频率范围为0.1~10 THz的电磁波。THz波介于红外线与微波之间，具有许多其它波段不具备的一系列特殊性质，其中最引人注目的是穿透性和指纹识别特性。THz波在有机大分子材料、布料、木材和陶瓷等很多在红外和可见光波段不透明的物质内具有很高的透过率，可以对它们进行穿透成像；许多大分子和极性分子在THz波段内具有特征吸收谱，以利用反射或透射波谱就可鉴别不同分子或物质。由此产生了THz波最重要的两方面应用：THz穿透成像及THz波谱测量。目前，THz波在许多基础和应用研究领域如生物医学、无损检测、环境监测、安全检查及反恐等方面都展现出重大科研价值和应用前景。在THz波谱技术应用中，高功率、窄线宽、宽带可调谐的THz波激光源是推动技术发展的重要研究方向。
基于受激电磁耦子散射（SPS）的THz波参量源能够产生高功率、宽带连续可调谐的相干 THz 波，并具有频率调谐简便、室温工作、结构紧凑易于集成、晶体和泵浦源技术非常成熟等特点。尤其是结合基于参量下转换原理的探测技术，可以在一个泵浦系统下集成THz波源和高灵敏THz波探测装置，能够提供107以上的测量动态范围，使此技术在THz波谱测量应用上具有很大的技术优势。
研究表明，采用亚ns的窄脉冲宽度激光泵浦时，可有效抑制参量THz波源中的受激布里渊散射（SBS）过程的建立，相比于ns脉冲宽度的激光泵浦，THz波的产生效率可提升数十倍。并且短脉冲激光泵浦还能提高晶体损伤阈值，从而可提高泵浦功率密度。由于脉宽太短，亚ns脉冲激光泵浦不能通过THz波参量振荡器（TPO）的形式利用谐振腔进行选频，目前主流的方式是采用种子注入THz波发射器（is-TPG）的方式获得可调谐的THz波输出。但种子激光源一般为波长连续可调谐外腔半导体激光器，价格高昂，且输出功率较低。在THz波高频处，由于泵浦光和种子光间的夹角较大，有效作用长度较小，且高频处SPS的增益系数同中心频率处相比非常小，低功率的种子光难以实现成功的种子注入，会存在增益竞争的问题，严重影响THz波的调谐范围。综上，如何在亚ns泵浦条件下，获得经济高效的高功率Stokes光种子源是目前THz参量源研究中面临的重要问题。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提出一种基于薄片晶体结构和交叉泵浦SPS的自选频高功率Stokes种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，无需另外的窄线宽种子激光源即可实现THz波（20）的可调谐输出，降低系统经济成本，并能够适用于亚纳秒激光泵浦条件，提高THz波（20）的产生效率。
本发明的技术方案是这样实现的：一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，包括泵浦激光器（1）、1/2λ波片A（2）、1/2λ波片B（4）、偏振分光棱镜（3）、缩束透镜组（5）、五块反射镜、旋转台（7）、Stokes光产生晶体（8）、扩束透镜组（9）、两块凸透镜、THz波产生晶体（16），反射镜分别为反射镜A（6）、反射镜B（12）、反射镜C（13）、反射镜D（14）、反射镜E（15），凸透镜为凸透镜A（10）和凸透镜B（11）；
泵浦激光器（1）输出的泵浦光穿过1/2λ波片A（2）并由偏振分光棱镜（3）分成泵浦光A（17）和泵浦光B（18）两束，两束泵浦光的能量比例通过1/2λ波片A（2）调节，泵浦光A（17）的偏振状态通过1/2λ波片B（4）进行调节；
然后泵浦光A（17）经过缩束透镜组（5）缩束后，经过反射镜A（6）和旋转台（7）入射到Stokes光产生晶体（8）发生全反射，入射泵浦光A（17）和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，通过交叉泵浦SPS的自选频效应产生单频Stokes光（19）；
Stokes产生光晶体放置在旋转台（7）上，Stokes产生光晶体的泵浦光入射端面与旋转台（7）的旋转轴重合；
凸透镜A（10）和凸透镜B（11）在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1望远镜系统，Stokes光（19）经过凸透镜A（10）和凸透镜B（11）后， Stokes光（19）与泵浦光B（18）在THz波产生晶体（16）上底面处相互耦合并发生全反射；
泵浦光B（18）经过反射镜B（12）、反射镜C（13）、反射镜D（14）、反射镜E（15），泵浦光B（18）利用两个反射镜C（13）、反射镜D（14）构成的延时系统来调节泵浦光B（18）与Stokes光（19）在时间上的重合，相互耦合产生THz波（20）。
进一步，Stokes光产生晶体（8）和THz波产生晶体（16）为具有红外活性和拉曼活性的非线性晶体，其红外与拉曼活性振动模在泵浦光的激发下发生SPS，通过非线性参量过程产生Stokes光子和对应的THz波（20）。
进一步，Stokes光产生晶体（8）为MgO:LiNbO3晶体，形状为薄片长条形，Stokes光产生晶体（8）的光轴与z轴重合；泵浦光掠入射Stokes光产生晶体（8），在晶体侧面（xz）发生全反射，构成交叉泵浦形式。
进一步，THz波产生晶体（16）为MgO:LiNbO3晶体，晶体形状为底角65°的等腰梯形，晶体的光轴与z轴重合，产生的THz波（20）以垂直表面发射的形式耦合输出。
进一步，泵浦激光器（1）为亚ns脉冲的Nd:YAG微片激光器，输出泵浦光波长为1064nm，脉冲宽度150-。
进一步， Stokes光产生晶体（8）的上下两个端面（xy）精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光（19）波段的防反射膜，两个侧面（xz）精密抛光。
进一步， THz波产生晶体（16）的两个腰面精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光（19）波段的防反射膜，晶体两个底面精密抛光。
本发明的有益效果是：本发明所提出的这种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源不需要单独的可调谐单频Stokes光种子源，能够适用于亚ns激光泵浦情况，具有结构简单、操作方便、经济成本低、产生THz波效率高等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的自选频种子激光注入可调谐太赫兹波参量源结构原理图；
图2为交叉泵浦SPS实现自选频相位匹配关系图。
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、完整地描述，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付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。
如图1~图2所示一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，包括泵浦激光器1、1/2λ波片A2、1/2λ波片B4、偏振分光棱镜3、缩束透镜组5、五块反射镜、旋转台7、Stokes光产生晶体8、扩束透镜组9、两块凸透镜、THz波产生晶体16，反射镜分别为反射镜A6、反射镜B12、反射镜C13、反射镜D14、反射镜E15，凸透镜为凸透镜A10和凸透镜B11；
泵浦激光器1输出的泵浦光穿过1/2λ波片A2并由偏振分光棱镜3分成泵浦光A17和泵浦光B18两束，两束泵浦光的能量比例通过1/2λ波片A2调节，泵浦光A17的偏振状态通过1/2λ波片B4进行调节；
然后泵浦光A17经过缩束透镜组5缩束后，经过反射镜A6和旋转台7入射到Stokes光产生晶体8发生全反射，入射泵浦光A17和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，通过交叉泵浦SPS的自选频效应产生单频Stokes光19；
Stokes产生光晶体放置在旋转台7上，Stokes产生光晶体的泵浦光入射端面与旋转台7的旋转轴重合；
凸透镜A10和凸透镜B11在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1望远镜系统，Stokes光19经过凸透镜A10和凸透镜B11后， Stokes光19与泵浦光B18在THz波产生晶体16上底面处相互耦合并发生全反射；
泵浦光B18经过反射镜B12、反射镜C13、反射镜D14、反射镜E15，泵浦光B18利用两个反射镜C13、反射镜D14构成的延时系统来调节泵浦光B18与Stokes光19在时间上的重合，相互耦合产生THz波20。
Stokes光产生晶体8和THz波产生晶体16为具有红外活性和拉曼活性的非线性晶体，其红外与拉曼活性振动模在泵浦光的激发下发生SPS，通过非线性参量过程产生Stokes光子和对应的THz波20。
Stokes光产生晶体8为MgO:LiNbO3晶体，形状为薄片长条形，Stokes光产生晶体8的光轴与z轴重合；泵浦光掠入射Stokes光产生晶体8，在晶体侧面xz发生全反射，构成交叉泵浦形式；根据图2的相位匹配关系图可知，在交叉泵浦状态下，SPS提供的拉曼增益不是宽带的，只有同时与两个泵浦光k P 、k RP 符合相同相位匹配条件的Stokes光k S ，即在图2中满足θ 1 =θ 2 的Stokes光19才具有有效的拉曼增益，可被放大，其他频率Stokes光19的放大过程被抑制，即交叉泵浦SPS具有自选频效应，可输出单频Stokes光19；改变泵浦光A和其反射的泵浦光的交叉角度，可实现输出Stokes光频率的调谐，长条波片型的晶体能够实现泵浦光在Stokes光产生晶体8的两个侧面上发生多次全反射，以增大有效非线性作用长度，提高Stokes光19的产生效率。
THz波产生晶体16为MgO:LiNbO3晶体，晶体形状为底角65°的等腰梯形，晶体的光轴与z轴重合，产生的THz波20以垂直表面发射的形式耦合输出。
泵浦激光器1为亚ns脉冲的Nd:YAG微片激光器，输出泵浦光波长为1064nm，脉冲宽度150-；亚ns短脉冲激光泵浦可抑制SPS过程中的SBS过程，提高Stokes光19以及THz波20的产生效率。同时还能够提升晶体的损伤阈值，提升THz波20的输出峰值功率。
Stokes光产生晶体8的上下两个端面既坐xy方向的端面精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光19波段的防反射膜，两个侧面既xz方向的侧面精密抛光。
THz波产生晶体16的两个腰面精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光19波段的防反射膜，晶体两个底面精密抛光。
以上给出了具体的实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案,对本领域普通技术人员而言,根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：包括泵浦激光器（1）、1/2λ波片A（2）、1/2λ波片B（4）、偏振分光棱镜（3）、缩束透镜组（5）、五块反射镜、旋转台（7）、Stokes光产生晶体（8）、扩束透镜组（9）、两块凸透镜、THz波产生晶体（16），反射镜分别为反射镜A（6）、反射镜B（12）、反射镜C（13）、反射镜D（14）、反射镜E（15），凸透镜为凸透镜A（10）和凸透镜B（11）；
泵浦激光器（1）输出的泵浦光穿过1/2λ波片A（2）并由偏振分光棱镜（3）分成泵浦光A（17）和泵浦光B（18）两束，两束泵浦光的能量比例通过1/2λ波片A（2）调节，泵浦光A（17）的偏振状态通过1/2λ波片B（4）进行调节；
然后泵浦光A（17）经过缩束透镜组（5）缩束后，经过反射镜A（6）和旋转台（7）入射到Stokes光产生晶体（8）发生全反射，入射泵浦光A（17）和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，通过交叉泵浦SPS的自选频效应产生单频Stokes光（19）；
Stokes产生光晶体放置在旋转台（7）上，Stokes产生光晶体的泵浦光入射端面与旋转台（7）的旋转轴重合；
凸透镜A（10）和凸透镜B（11）在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1望远镜系统，Stokes光（19）经过凸透镜A（10）和凸透镜B（11）后， Stokes光（19）与泵浦光B（18）在THz波产生晶体（16）上底面处相互耦合并发生全反射；
泵浦光B（18）经过反射镜B（12）、反射镜C（13）、反射镜D（14）、反射镜E（15），泵浦光B（18）利用两个反射镜C（13）、反射镜D（14）构成的延时系统来调节泵浦光B（18）与Stokes光（19）在时间上的重合，相互耦合产生THz波（20）。
2.根据权利要求1所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：Stokes光产生晶体（8）和THz波产生晶体（16）为具有红外活性和拉曼活性的非线性晶体。
3.根据权利要求1所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：Stokes光产生晶体（8）为MgO:LiNbO3晶体，形状为薄片长条形，Stokes光产生晶体（8）的光轴与z轴重合；泵浦光掠入射Stokes光产生晶体（8），在晶体侧面发生全反射，构成交叉泵浦形式。
4.根据权利要求1所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：THz波产生晶体（16）为MgO:LiNbO3晶体，晶体形状为底角65°的等腰梯形，晶体的光轴与z轴重合，产生的THz波（20）以垂直表面发射的形式耦合输出。
5.根据权利要求1所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：泵浦激光器（1）为亚ns脉冲的Nd:YAG微片激光器，输出泵浦光波长为1064nm，脉冲宽度150-。
6.根据权利要求3所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：Stokes光产生晶体（8）的上下两个端面精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光（19）波段的防反射膜，两个侧面精密抛光。
7.根据权利要求4所述的自选频种子激光注入的可调谐太赫兹波参量源，其特征在于：THz波产生晶体（16）的两个腰面精密抛光，并镀有泵浦光和Stokes光（19）波段的防反射膜，晶体两个底面精密抛光。
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