CN112086848B - 均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器 - Google Patents

均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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、光束整形装置、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的基频激光谐振腔、激光增益介质和光束整形装置构成基频光振荡器；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。本发明利用柱透镜组构成的光束整形装置将入射非线性晶体的基频光z轴尺寸扩束，使基频光发生全反射的晶体区域，即THz波的耦合出射区域为较大尺寸的圆形区域，实现发散角近似均匀、圆形光斑的高功率THz波输出。

Description

均匀发散角圆光斑输出的高功率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，特别涉及一种均匀发散角圆光斑输出的均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器。
背景技术
太赫兹(THz)波具有穿透性和指纹识别特性，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，高功率、高光束质量、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、光泵THz波气体激光器等其他技术的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还具有低阈值、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波具有较好的光束质量，现有方法中，腔内基频光的光斑尺寸较小，非线性晶体表面发生全反射附近的THz波耦合输出区域尺寸较小，且为椭圆状，造成出射THz波的发散角不对称；同时，受限于晶体损伤阈值功率密度的影响，输出THz波的功率较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种均匀发散角圆光斑输出的高功率的腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，克服了现有技术中THz波耦合区域为小尺寸椭圆状，造成输出THz波发散角不对称，THz波输出功率低的问题，实现较大尺寸的圆形THz波耦合输出区域，以及近似均匀发散角圆形光斑的高功率THz波输出。
为实现上述目标，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，包括包括依次设置的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、前腔镜和光束整形装置；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、光束整形装置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；所述非线性晶体为五边形晶体AEFCD，EF面与晶体的x轴的夹角为α，所述前腔镜为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜FCD，所述前腔镜为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共用腔镜；所述的光束整形装置包括凹柱透镜和凸柱透镜；所述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，所述基频光和Stokes光在所述EF面的入射角大于全反射临界角，在直角棱镜FCD的FC面及DC面的入射角也均大于全反射临界角；沿非线性晶体x轴入射的所述基频光和Stokes光在EF面上发生全反射，反射光入射直角棱镜FCD后原路返回；振荡的基频光和Stokes激光通过非线性参量作用产生的THz波以EF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激光谐振腔限定非共线相位匹配关系，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，所述非线性晶体的五个侧面精密抛光；所述非线性晶体的激光入射端面设置有1050-1100nm波段的增透膜。
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，所述光束整形装置对基频光的z轴方向进行扩束及缩束整形，放大倍数约为1/(sinα)。
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：
本发明所述的一种均匀发散角圆光斑输出的均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，根据物理光学原理，耦合输出光束的发散角与耦合区域的尺寸呈反比，该振荡器利用柱透镜组构成的光束整形装置，将入射晶体基频光的z方向尺寸放大，使基频光发生全返射的区域为圆形，克服了现有技术中THz波耦合区域为小尺寸椭圆状，造成输出THz波发散角不对称，THz波输出功率低的问题，实现较大尺寸的圆形THz波耦合输出区域，以及近似均匀发散角圆形光斑的高功率THz波输出，此外，z轴尺寸放大的基频光对其与Stokes光的空间分离不产生影响，不影响THz波的调谐范围。
本发明具有低阈值、高效率、结构紧凑的优点，通过柱透镜组构成的光束整形装置，将入射晶体的基频光整形为y:z轴尺寸为1：(1/sinα)的椭圆形，使以90°-α角入射的基频光发生全反射的区域(THz波耦合出射区域)变为较大尺寸的圆形区域，实现均匀发散角圆光斑的高功率THz波输出。
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示意图。
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，13.光束整形装置。
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、前腔镜12和光束整形装置13。LD激光器1、光纤2与耦合透镜组3构成激光泵浦系统，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、调Q装置6和光束整形装置13，激光泵浦系统、激光增益介质与基频激光谐振腔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°-2°左右。
非线性晶体8为对矩形晶体ABCD的出射端面BC面进行切角，形成的五边形晶体AEFCD，切面EF与晶体的x轴的夹角为α；前腔镜为非线性晶体的两个相邻侧面精密加工形成的直角棱镜FCD，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，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。
非线性晶体为对矩形晶体ABCD的出射端面BC面进行切角，形成的五边形晶体AEFCD，切面EF与晶体的x轴的夹角为α，前腔镜为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜FCD；基频光和Stokes光在EF面的入射角(90°-α)大于全反射临界角，在直角棱镜FCD两个面的入射角(90°-α、α)亦都大于全反射临界角；所述的光束整形装置为凹柱透镜和凸柱透镜构成的望远镜柱透镜组，对入射晶体的基频光进行z轴扩束，使基频光在EF面上发生全反射的区域(THz波耦合输出区域)为圆形；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，在切面EF上发生全反射，反射光入射直角棱镜FCD后原路返回；Stokes激光谐振腔振荡产生的THz波以EF面垂直出射输出。
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ABCD的出射端面BC面进行切角，形成的五边形晶体AEFCD，切面EF与晶体的x轴的夹角为α；两晶体侧面加工形成的直角棱镜FCD作为基频光和Stokes光的共用后腔镜，晶体厚度方向与晶体z轴平行，基频激光在晶体内的传输方向与晶体x轴平行，在切面EF上发生全反射；根据相位匹配关系，对于MgO:LiNbO3晶体，α角为25°；对于KTiOPO4晶体、KTiOAsO4晶体和RbTiOPO4晶体，α角均设计为28°。MgO:LiNbO3晶体、KTiOPO4晶体、KTiOAsO4晶体和RbTiOPO4晶体的折射率n分别为2.15、1.83、1.94和1.92，其全反射临界角αc＝arcsin(1/n)分别为27.7°、33.1°、31°和33.3°，通过计算可得，基频光在切面EF的入射角(90°-α)以及在直角棱镜两个侧面的入射角(90°-2α和2α)都大于全发射临界角，且产生的THz波对EF面的入射角接近O°。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，在切面EF上发生全反射，反射光入射直角棱镜FCD后原路返回；振荡的基频激光和Stokes激光通过非线性参量作用产生的THz波以EF面垂直出射输出。
非线性晶体的五个侧面精密抛光，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。
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、8mm、5mm，切面EF与x轴的夹角α为25°，侧面FC、CD精密抛光，形成直角棱镜FCD，F点位BC中点，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。
本实施例中，光束整形装置为凹柱透镜和凸柱透镜构成的望远镜柱透镜组。构成光束整形装置的凹柱透镜和凸柱透镜的焦距分别为-10mm和25mm，凸柱透镜靠近非线性晶体端，两透镜同轴，间距为15mm左右，柱透镜组对z轴基频光束的放大倍数约为2.5倍。
本实施例中，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，此处的高反膜，其反射率大于98％。此处的增透膜，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。基频激光振荡器的激光泵浦系统浦为连续运转的光纤耦合LD端面泵浦系统，输出LD激光波长为808nm。
本发明利用柱透镜组构成的光束整形装置将入射晶体的基频光z轴尺寸扩束，使基频光发生全反射的晶体区域，即THz波的耦合出射区域变为具有较大尺寸的圆形，实现发散角近似均匀、圆形光斑的高功率THz波输出。
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；柱透镜组构成的光束整形装置，将入射晶体的基频光整形为y:z轴尺寸为1：2.5的椭圆形光斑，使以90°-α角入射的基频光发生全反射的区域，即THz波耦合出射区域变为较大尺寸的圆形区域，实现均匀发散角圆光斑的高功率THz波输出。
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 (9)

1.一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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、前腔镜和光束整形装置；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、光束整形装置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；所述非线性晶体为五边形晶体AEFCD，EF面与晶体的x轴的夹角为α，所述前腔镜为非线性晶体端面加工形成的直角棱镜FCD，所述前腔镜为基频激光振荡器和Stokes激光振荡器的共用腔镜；所述的光束整形装置包括凹柱透镜和凸柱透镜；所述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，所述基频光和Stokes光在所述EF面的入射角大于全反射临界角，在直角棱镜FCD的FC面及DC面的入射角也均大于全反射临界角；沿非线性晶体x轴入射的所述基频光和Stokes光在EF面上发生全反射，反射光入射直角棱镜FCD后原路返回；振荡的基频光和Stokes激光通过非线性参量作用产生的THz波以EF面垂直出射输出。
2.根据权利要求1所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述非线性晶体的激光入射端面设置有1050-1100nm波段的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率腔内泵浦太赫兹波参量振荡器，其特征在于：所述光束整形装置对基频光的z轴方向进行扩束及缩束整形，放大倍数为1/(sinα)。
8.根据权利要求1所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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。
9.根据权利要求8所述的一种均匀发散角圆光斑输出的高功率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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