CN112086847A - 单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，包括依次设置的LD激光器、光纤、耦合透镜组、激光增益介质、基频光后腔镜、Stokes光后腔镜、非线性晶体和前腔镜；所述LD激光器、光纤与耦合透镜组构成LD端面泵浦系统，并与所述前腔镜和基频光后腔镜构成基频激光谐振腔以及激光增益介质构成基频激光振荡器；所述Stokes光后腔镜与前腔镜构成Stokes激光谐振腔，并与腔内的非线性晶体构成Stokes激光振荡器；所述前腔镜为晶体端面加工形成的直角棱镜，作为基频光和Stokes光的共用腔镜。本发明利用直角棱镜原路回射光束的原理，通过调整单个反射镜的角度即可实现输出THz波的频率调谐，简化频率调谐过程，提升系统的实用性和稳定性。

Description

单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器
技术领域
本发明涉及参量太赫兹波激光源技术领域，特别涉及一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指波长范围为3000-30μm，频率范围为0.1-10THz的电磁波，其波长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，产生了THz波技术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，其中，高功率、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。
与光整流、量子级联激光器、光电导等其他技术的THz源相比，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激光，并具有频率调谐简便、室温工作、晶体和泵浦源技术非常成熟等特点，是THz波产生领域的研究热点之一。腔内泵浦太赫兹波参量振荡器具有低阈值、高效率、结构紧凑等优势，特别是采用浅表面垂直出射的THz波耦合方式，输出的THz波具有优异的光束质量，现有方法中THz波的频率调谐目前只能相向地精密调节两个Stokes光腔镜的角度来实现，造成频率调谐不便和系统稳定性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，该振荡器克服现有技术中THz波频率调谐需要精密调节两个谐振腔反射镜角度，造成应用不便和稳定性较差的问题，实现通过调整一个谐振腔反射镜即可完成角度调谐过程，大大提升了系统的实用性和稳定性。
为实现上述目标，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，包括依次设置的LD激光器、光纤、耦合透镜组、基频光后腔镜、激光增益介质、Stokes光后腔镜、非线性晶体和前腔镜；所述LD激光器、光纤与耦合透镜组构成LD端面泵浦系统，所述前腔镜和基频光后腔镜构成基频激光谐振腔，所述LD端面泵浦系统、基频激光谐振腔、激光增益介质构成基频激光振荡器；所述Stokes光后腔镜与前腔镜构成Stokes激光谐振腔，并与腔内的非线性晶体构成Stokes激光振荡器；所述前腔镜为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜ABC，作为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共用腔镜；所述直角棱镜ABC的AB面、BC面与非线性晶体x轴的夹角分别为α、β，所述α角由非线性晶体构建浅表面垂直出射太赫兹波源的相位匹配方式确定，所述β角为β＝90°-α；基频激光谐振腔内的基频光、Stokes激光谐振腔内的Stokes光从沿非线性晶体x轴方向传输，入射直角棱镜ABC后原路返回；振荡的基频光与Stokes光通过非线性参量作用产生的THz波以AB面垂直出射输出。
泵浦光激发激光增益介质，在基频激光谐振腔内形成基频激光振荡，基频激光谐振腔内的基频光激发所述非线性晶体，发生受激电磁耦子散射，通过Stokes激光谐振腔限定相位匹配关系，形成特定频率的Stokes光振荡和相应频率的THz波输出。
优选的，所述的非线性晶体为极性离子晶体。
优选的，所述直角棱镜ABC的BC面设置有高反膜；所述非线性晶体的激光入射端面设置有1050-1100nm波长的增透膜。
优选的，所述基频光后腔镜设置有808nm波段的增透膜和1050-1100nm波段的高反膜；所述Stokes光后腔镜设置有1050-1100nm波段的高反膜。
优选的，所述Stokes光后腔镜的形状为D型。
优选的，所述激光增益介质的入射端面和出射端面均设置有增透膜。
优选的，还包括有调Q装置，所述调Q装置设置在基频激光谐振腔内。
优选的，所述调Q装置为电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置。
本发明的有益效果为：本发明所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，通过调整一个谐振腔反射镜的角度即可完成腔内泵浦浅表面垂直出射耦合太赫兹波参量振荡器的频率调谐，大大简化频率调谐操作过程，提升系统的实用性和稳定性。
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为本发明的结构示意图；
图2为非线性晶体的结构示意图及晶体内的光波矢方向。
其中：1.LD激光器，2.光纤，3.耦合透镜组，4.基频光后腔镜，5.激光增益介质，6.调Q装置，7.Stokes光后腔镜，8.非线性晶体，9.基频光，10.Stokes光，11.THz波，12.前腔镜。
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，一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，包括LD激光器1、光纤2、耦合透镜组3、基频光后腔镜4、激光增益介5、调Q装置6、Stokes光后腔镜7、非线性晶体8和前腔镜12。LD激光器1、光纤2与耦合透镜组3构成LD端面泵浦系统，前腔镜12和基频光后腔镜4构成基频激光谐振腔，基频激光谐振腔内设置激光增益介质5和调Q装置6。前腔镜和基频光后腔镜构成基频激光谐振腔，LD端面泵浦系统、基频激光谐振腔、激光增益介质构成基频激光振荡器。Stokes光后腔镜7与前腔镜12构成Stokes激光谐振腔，并与腔内的非线性晶体构成Stokes激光振荡器。
Stokes激光振荡器包括非线性晶体、Stokes光后腔镜和前腔镜，Stokes激光振荡器置于所述的基频激光振荡器的谐振腔内部，构成腔内泵浦形式。非线性晶体为极性离子晶体，具有拉曼与红外活性振动模，受基频激光激发产生受激电磁耦子散射(SPS)，通过非线性参量过程产生频率可调谐的Stokes光和THz波，频率调谐根据非共线相位匹配关系通过调节基频光与Stokes光的交叉角度实现，基频光9和Stokes光10以特定的入射角在晶体侧面发生全反射，产生的THz波11以浅表面垂直出射的形式耦合输出晶体。基频光与Stokes光在晶体内的交叉角度很小，为0.5°-3°左右。
前腔镜12为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜ABC，所述直角棱镜ABC的AB面、BC面与非线性晶体x轴的夹角分别为α、β，α+β＝90°；基频激光谐振腔内的基频光、Stokes激光谐振腔内的Stokes光从沿非线性晶体x轴方向传输，入射直角棱镜ABC后原路返回。
前腔镜为所述非线性晶体的两个相邻侧面精密加工形成的直角棱镜，利用直角棱镜原路返回入射光束的特性，原路回射入射的基频光和Stokes光，所述的前腔镜由基频激光振荡器和Stokes激光振荡器共用，为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共腔镜。单反射镜频率调谐是利用直角棱镜的原路返回入射光束的原理，通过调整Stokes光后腔镜的角度来实现相位匹配关系的改变，从而实现Stokes光和THz波的频率调谐。
非线性晶体为MgO:LiNbO3、KTiOPO4、KTiOAsO4或RbTiOPO4等极性离子晶体，具有红外活性与拉曼振动模，根据晶体发生SPS的要求：基频光偏振方向与晶体z轴平行、基频光传输方向与x轴平行，根据SPS相位匹配的要求，基频光需以合适的入射角在晶体的一个侧面发生全反射，产生的THz波垂直输出晶体，根据上述要求，将x-cut的矩形晶体的出射端面根据SPS的相位匹配的要求进行切角，形成直角棱镜，并将入射角小于全反射临界角的切面镀高反膜，保证直角棱镜对入射光束的原路回射特性。晶体厚度方向与晶体z轴平行，晶体的入射端面与晶体的y轴平行，基频激光在晶体内的传输方向与晶体x轴平行，将矩形晶体的出射端面进行切角并进行精密抛光形成直角棱镜ABC，AB、BC、与x轴的夹角分别为α、β，产生的THz波在AB面垂直耦合输出晶体，根据相位匹配关系，对于MgO:LiNbO3晶体，α、β角分别为65°、25°；对于KTiOPO4晶体，α、β角分别为62°、28°；对于KTiOAsO4晶体，α、β角分别为60°、30°；对于RbTiOPO4晶体，α、β角分别为58°、32°。90°顶角B的两个相邻侧面AB、BC构成直角棱镜，入射角小于全反射临界角的切面BC镀有入射角为30°的高反膜。基频光、Stokes光从沿晶体x方向传输，入射直角棱镜ABC后原路返回，直角棱镜ABC作为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共腔镜。
非线性晶体的四个侧面精密抛光，激光入射面镀有基频光和Stokes光波段的增透膜。基频光后腔镜镀有LD泵浦光波段的增透膜和基频光波段的高反膜；Stokes光后腔镜镀有相应波段的高反膜。
激光增益介质可以是掺杂钕(Nd)或者镱(Yb)的激光晶体，包括YAG、YVO4、GdVO4、YLF、YAP等，也可以是键合晶体YAG/Nd:YAG、YVO4/Nd:YVO4、GdVO4/Nd:GdVO4等诸晶体中的一种，激光增益介质的两个端面均镀有对泵浦光波段及基频光波段的增透膜。
调Q装置可以是电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置中的任意一种，当需要连续运转时，调Q装置也可以去掉。
本实施例中，非线性晶体为MgO:LiNbO3晶体，晶体的形状为输出端面进行直角棱镜切角的矩形晶体，具体形状如图2所示，晶体的x、y、z轴方向的尺寸分别为20mm、5mm、3mm，切面AB、BC与x轴的夹角α、β分别为25°和65°，切面AB、BC精密抛光，形成直角棱镜ABC，BC面镀1050-1100nm波段入射角为25°左右的全反射介质膜，晶体的激光入射端面镀有1050-1100nm波长的增透膜。图中，kP、kS和kT分别是基频光、Stokes光和THz波的波矢量，构成SPS的波矢量守恒三角形，波矢量守恒kP＝kS+kT与能量守恒ωP＝ωS+ωT(其中ωP、ωS和ωT分别为基频光、Stokes光和THz波的角频率)共同确定SPS的非共线相位匹配关系，从而确定kP、kS之间的夹角与THz波频率之间的对应关系。
在一个实施例中，谐振腔中的基频光后腔镜镀有808nm波段的增透膜和1050-1100nm波段的高反膜；Stokes光后腔镜镀有1050-1100nm波段的高反膜，此处所述的高反膜，其反射率大于98％。此处所述的增透膜，其反射率小于5％。Stokes光后腔镜的形状为D型，直边的边缘处抛光和镀膜质量良好，对Stokes光具有良好的反射性能。激光增益介质为Nd:YAG晶体，尺寸为3mm*3mm*8mm，掺杂浓度为1-at.％,两个端面均镀有808nm及1050-1100nm波段的增透膜。调Q装置6为声光调Q开关，调制频率为2kHz。
激光振荡器的LD端面泵浦系统浦为连续运转的光纤耦合LD端面泵浦系统，准连续的重复频率为100-100kHz运转的光纤耦合LD端面泵浦系统，连续或准连续运转的LD侧面泵浦系统。
泵浦系统发出的泵浦光激发激光增益介质，在基频光后腔镜和前腔镜组成的谐振腔内形成基频激光振荡，腔内的高功率基频光激发所述非线性介质，发生受激电磁耦子散射，通过Stokes光后腔镜和前腔镜组成的谐振腔限定相位匹配关系，形成特定频率的Stokes光振荡和相应频率的THz波输出，调节Stokes光后腔镜的角度，改变相位匹配关系，实现Stokes光与THz波频率的调谐。通过调节Stokes光后腔镜的角度，实现THz波频率的调谐。
本发明的工作方法如下：
由LD激光器1发出的808nm泵浦光，通过光纤2和耦合透镜组3对激光增益介质5进行端面泵浦，在由前腔镜12和基频光后腔镜4构成的谐振腔内形成1064nm的基频激光(基频光9)振荡，基频激光激发非线性晶体8内的红外与拉曼活性振动模，形成受激电磁耦子散射，通过Stokes光后腔镜7与前腔镜12构成的Stokes激光谐振腔限定相位匹配关系，形成特定频率的Stokes激光(Stokes光10)振荡，并同时产生相应频率的THz波11，THz波11以浅表面垂直出射输出晶体。调节Stokes光后腔镜7的角度，实现相位匹配关系的改变以及Stokes光10、THz波11的频率调谐。
本发明利用直角棱镜原路回射光束的原理，通过调整单个反射镜的角度即可实现输出THz波的频率调谐，简化频率调谐过程，提升系统的实用性和稳定性。
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 (8)

1.一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：包括依次设置的LD激光器、光纤、耦合透镜组、基频光后腔镜、激光增益介质、Stokes光后腔镜、非线性晶体和前腔镜；所述LD激光器、光纤与耦合透镜组构成LD端面泵浦系统，所述前腔镜和基频光后腔镜构成基频激光谐振腔，所述LD端面泵浦系统、基频激光谐振腔、激光增益介质构成基频激光振荡器；所述Stokes光后腔镜与前腔镜构成Stokes激光谐振腔，并与腔内的非线性晶体构成Stokes激光振荡器；所述前腔镜为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜ABC，作为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共用腔镜；所述直角棱镜ABC的AB面、BC面与非线性晶体x轴的夹角分别为α、β，所述α角由非线性晶体构建浅表面垂直出射太赫兹波源的相位匹配方式确定，所述β角为β＝90°-α；基频激光谐振腔内的基频光、Stokes激光谐振腔内的Stokes光从沿非线性晶体x轴方向传输，入射直角棱镜ABC后原路返回；振荡的基频光与Stokes光通过非线性参量作用产生的THz波以AB面垂直出射输出。
2.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述的非线性晶体为极性离子晶体。
3.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述直角棱镜ABC的BC面设置有高反膜；所述非线性晶体的激光入射端面设置有1050-1100nm波长的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述基频光后腔镜设置有808nm波段的增透膜和1050-1100nm波段的高反膜；所述Stokes光后腔镜设置有1050-1100nm波段的高反膜。
5.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述Stokes光后腔镜的形状为D型。
6.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述激光增益介质的入射端面和出射端面均设置有增透膜。
7.根据权利要求1所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：还包括有调Q装置，所述调Q装置设置在基频激光谐振腔内。
8.根据权利要求7所述的一种单反射镜频率调谐的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述调Q装置为电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置。
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张瑞亮: "高效宽带可调谐Si棱镜阵列耦合THz波参量振荡器研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》 *

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