CN112117626A - 一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源 - Google Patents

一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，包括单纵模脉冲激光器、缩束柱透镜组A、1/2λ波片、偏振分光棱镜、1/4λ波片、反射镜A、Stokes光产生晶体、旋转台、反射镜B、耦合输出镜、F‑P标准具、光吸收池、凸透镜A、凸透镜B、THz波产生晶体缩束柱透镜组B和扩束柱透镜组。本发明利用交叉泵浦和腔内F‑P标准具压缩Stokes种子光的线宽，获得窄线宽可调谐的THz波输出，并利用柱透镜组控制光斑尺寸，实现THz波耦合区域的扩大，提升THz波的输出功率。

Description

一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源
技术领域
本发明属于太赫兹波激光源技术领域，特别涉及一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源。
背景技术
太赫兹(THz)波由于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。在THz波技术应用中，小型化、高效率、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。
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，具有重要应用前景和研究意义。种子注入 THz波参量发射器(is-TPG)是获得可调谐THz波的一种重要的方式，但目前采用的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，对THz波参量源的THz产生效率和调谐范围都存在较大限制。采用太赫兹波参量振荡器(TPO)产生的高功率单波长Stokes光作为is-TPG的种子源，可大大降低系统成本，并提升THz波的产生效率，但目前的技术中存在输出THz波线宽较宽，且系统结构复杂，频率调谐不便等缺点，综上，采用交叉泵浦和F-P标准具限模的TPO的产生的高功率窄线宽Stokes激光作为种子源，通过结构优化设计，构建结构简单、频率调谐简便的is-TPG，获得高功率的可调谐窄线宽THz波输出，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，提出一种结构和性能优化设计的基于TPO高功率窄线宽Stokes种子激光的is-TPG方案，实现高功率的可调谐窄线宽THz波输出。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其中，包括单纵模脉冲激光器(1)、缩束柱透镜组A(2)、1/2λ波片(3)、偏振分光棱镜 (4)、1/4λ波片(5)、反射镜A(6)、Stokes光产生晶体(7)、旋转台(8)、反射镜B(9)、耦合输出镜(10)、F-P标准具(11)、凸透镜A(12)、凸透镜B (13)、THz波产生晶体(14)、缩束柱透镜组B(15)和扩束柱透镜组(16)；
单纵模脉冲激光器(1)输出的泵浦光经过缩束柱透镜组A(2)调节光斑的尺寸，泵浦光穿过1/2λ波片(3)并由偏振分光棱镜(4)分成泵浦光A(18) 和泵浦光B(17)两束；
泵浦光B(17)经缩束柱透镜组B(15)将z方向尺寸缩束，入射Stokes 光产生晶体(7)，并在Stokes光产生晶体(7)的侧面发生全反射；入射泵浦光B(18)和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，形成交叉泵浦SPS窄带参量增益；反射镜B(9)、耦合输出镜(10)构成的Stokes光谐振腔，所述F-P 标准具(11)设置在Stokes光谐振腔内，通过Stokes光谐振腔与泵浦光的之间的夹角限定交叉泵浦SPS的相位匹配关系，形成特定频率的窄线宽Stokes光振荡输出；
Stokes光产生晶体(7)以及反射镜B(9)、耦合输出镜(10)F-P标准具 (11)构成的Stokes光振荡器放置在旋转台(8)上，非线性晶体(7)的泵浦光发生全反射的侧面的中点与旋转台(8)的旋转轴重合；
从偏振分光棱镜透射(4)的泵浦光A(18)穿过1/4λ波片(5)后，在反射镜A(6)反射，再次穿过1/4λ波片(5)后，泵浦光A(18)的偏振方向旋转90°，在偏振分光棱镜(4)上发生反射后变为泵浦光C(19)，泵浦光B(17) 和泵浦光C(19)的偏振方向与z轴平行；
凸透镜A(12)和凸透镜B(13)在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1 望远镜系统，旋转台(8)的旋转轴以及THz波产生晶体(14)的下底面的中心分别位于望远镜系统两侧的焦点上，经过望远镜系统后，泵浦光C(19)与Stokes 光(20)在THz波产生晶体(14)发生全反射，相互耦合产生THz波(21)。
优选的，所述单纵模脉冲激光器(1)输出的泵浦光经过缩束柱透镜组(2) 将光斑的横向尺寸调整至1.4-1.6mm。
优选的，泵浦光B(17)经缩束柱透镜组B(15)将z方向尺寸缩束，变为直径为1.4-1.6mm的圆形光斑。
优选的，所述Stokes光产生晶体(7)和THz波产生晶体(14)为MgO:LiNbO3晶体。
优选的，所述Stokes光产生晶体(7)形状为矩形，Stokes光产生晶体的光轴与z轴重合，光束在Stokes光产生晶体内沿x轴方向传输。
优选的，所述THz波产生晶体(14)的形状为等腰梯形，梯形底角的角度为65°，THz波产生晶体(14)的光轴与z轴重合，产生的THz波(21)以垂直表面发射的形式耦合输出。
优选的，所述单纵模脉冲激光器(1)为电光调Q的单纵模Nd：YAG激光器。
优选的，所述旋转台(8)为步进电机或伺服电机驱动的数控旋转台或手动旋转台。
优选的，所述F-P标准具(11)为两面镀有反射膜的熔石英平行平板。
优选的，还包括光吸收池(22)，从Stokes光产生晶体(7)出射的泵浦光 B(17)由光吸收池(22)收集。
本发明的有益效果是：本发明利用参量振荡器的方式产生高功率的Stokes 种子光，通过交叉泵浦和腔内F-P标准压缩Stokes光线宽，高功率窄线宽的 Stokes种子光和单纵模泵浦光通过种子注入参量发生器的形式产生频率可调谐的窄线宽THz波输出。本发明所提出的这种结构紧凑的可调谐窄线宽太赫兹波参量源不需要单独的可调谐单频Stokes光种子源，具有结构简单、频率调谐简便、经济成本低、产生THz波线宽窄、输出THz波功率高等优势。
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为本发明的紧凑型太赫兹波参量源的结构原理图；
图2为缩束柱透镜组B、扩束柱透镜组从y轴方向看的平视图；
图3为交叉泵浦SPS的相位匹配关系图。
图中：1-单纵模脉冲激光器1；2-缩束柱透镜组A；3-1/2λ波片；4-偏振分光棱镜；5-1/4λ波片；6-反射镜A；7-Stokes光产生晶体；8-旋转台；9-反射镜B；10-耦合输出镜；11-F-P标准具；12-凸透镜A；13-凸透镜B；14-THz 波产生晶体；15-缩束柱透镜组B；16-扩束柱透镜组；17-泵浦光B；18-泵浦光 A；19-泵浦光C；20-Stokes光；21-THz波；22-光吸收池。
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，本发明包括单纵模脉冲激光器1、缩束柱透镜组A2、1/2 λ波片3、偏振分光棱镜4、1/4λ波片5、反射镜A6、Stokes光产生晶体7、旋转台8、反射镜B9、耦合输出镜10、F-P标准具11、凸透镜A12、凸透镜B13、 THz波产生晶体14、缩束柱透镜组B15和扩束柱透镜组16、光吸收池22。
单纵模脉冲激光器1输出的泵浦光利用缩束柱透镜组2将光斑的横向尺寸调整至1.5mm左右，泵浦光穿过1/2λ波片3并由偏振分光棱镜4分成泵浦光A (泵浦光18)和泵浦光B(泵浦光17)两束，两束泵浦光的能量比例通过1/2 λ波片3调节。
椭圆形的泵浦光17利用缩束柱透镜组B(缩束柱透镜组16)将z方向尺寸缩束，变为直径为1.5mm左右的圆形光斑，入射长条状的Stokes光产生晶体7，并在7的一个侧面发生全反射，入射泵浦光17和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，形成SPS参量增益；位于非线性晶体7两边的反射镜B(反射镜9) 和耦合输出镜10构成谐振腔，通过谐振腔与泵浦光的之间的夹角限定SPS的相位匹配关系，交叉泵浦SPS的自选频特性以及腔内F-P标准具11进一步限模，形成特定频率的窄线宽Stokes光振荡输出。
从晶体7出射的泵浦光B17由吸收池22收集。
Stokes光产生晶体7以及反射镜B9、耦合输出镜10、F-P标准具11构成的Stokes光振荡器设置在旋转台8上，晶体7的泵浦光发生全反射侧面的中点与旋转台8的旋转轴重合。
凸透镜A和凸透镜B在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1望远镜系统，旋转台8的旋转轴以及THz波产生晶体14的下底面的中心分别位于望远镜系统两侧的焦点上，经过望远镜系统后，Stokes光20与泵浦光C(泵浦光19)在 THz波产生晶体14上底面处相互耦合并发生全反射。
从偏振分光棱镜透射的泵浦光A(泵浦光18)穿过1/4λ波片5后，在反射镜A6反射，然后再次穿过1/4λ波片5，1/4λ波片5的光轴方向与z轴成45 °角，两次穿过1/4λ波片5的泵浦光A18的偏振方向旋转90°，在偏振分光棱镜上发生反射后变为泵浦光C(泵浦光19)，泵浦光B(泵浦光17)和泵浦光 C的偏振方向与z轴平行，符合SPS对光波偏振态的要求。上下平移反射镜A6 可调节泵浦光C与Stokes光20在时间上的重合。Stokes光利用扩束柱透镜组将光斑z方向的尺寸进行扩束，与泵浦光C形状尺寸类似，呈x：z轴的长度比例约为1:2.5的椭圆形。泵浦光C19与Stokes光20以65°入射角在THz波产生晶体14的底面发生全反射，相互耦合产生THz波21。发生全反射的区域，即 THz波耦合输出区域为近似圆形，耦合输出的THz波为发散角近似对称的圆形光斑。
Stokes光产生晶体7为MgO:LiNbO3晶体，形状为长条矩形，其xyz方向的尺寸分别为70mm*3mm*5mm，Stokes光产生晶体7的光轴与z轴重合；晶体的端面(yz)精密抛光，并镀有1060nm-1100nm的防反射膜；晶体的两个侧面xz 精密抛光；泵浦光掠入射Stokes光产生晶体7，在晶体的一个侧面xz发生全反射，构成交叉泵浦形式。
根据图3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kP、kRP符合相同相位匹配条件的Stokes光 kS，即在图3中满足θ1＝θ2的Stokes光才具有有效的拉曼增益，可被放大，其他频率Stokes光的放大过程被抑制，即交叉泵浦SPS可压缩TPO产生的Stokes 光的线宽，同时交叉泵浦可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14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21以垂直表面发射的形式耦合输出。THz 波产生晶体14的两个腰面精密抛光，并镀有1060nm-1100nm波段的防反射膜，晶体两个底面精密抛光。
单纵模脉冲激光器1为电光调Q的单纵模脉冲Nd:YAG激光器，输出泵浦光波长为1064nm，脉冲宽度为10ns，脉冲能量为200mJ，激光重复频率为5Hz，光斑尺寸为4mm，输出线宽为200MHz。
反射镜B9和耦合输出镜10的形状为D形，镜片直边处的抛光和镀膜质量良好，对光束有良好的镜面反射性能，反射镜B9和耦合输出镜10构成的Stokes 光谐振腔的腔长为150mm，耦合输出镜10的耦合输出率为50％。
F-P标准具为两面镀有1060-1090nm波段反射膜的熔石英标平行平板，厚度为600μm，自由光谱范围FSR＝170GHz，精细度为10；Stokes光谐振腔内插入F-P标准具可将Stokes光的线宽压缩至＜1GHz，从而将is-TPG产生的THz 波的线宽同样压缩至＜1GHz。
凸透镜A12、凸透镜B13的焦距都为150mm，两个凸透镜同轴，相距300mm，构成1:1的望远镜系统；旋转台8的旋转轴位于望远镜的轴线上，相距凸透镜 A12的距离为150mm，THz波产生晶体14上底面的中心同样位于望远镜的轴线上，相距凸透镜B13的距离为150mm，望远镜系统可自动实现泵浦光C19和Stokes 光20的相位匹配，使THz波21高效率产生。
如图2所示，缩束柱透镜组A2、缩束柱透镜组B15和扩束柱透镜柱组16，均由凹面柱透镜和凸面柱透镜构成，凹面柱透镜和凸面柱透镜的焦距分别为 -20mm和50mm，两透镜同轴，相距30mm左右，构成放大系数为1：2.5的望远镜，对光束的一个方向尺寸进行2.5倍的缩束或扩束。
旋转台8为步进电机驱动的数控旋转台，改变旋转台8的角度，进改变而 Stokes光参量振荡器的相位匹配条件，实现Stokes光20和THz波21频率的调谐。
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 (10)

1.一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：包括单纵模脉冲激光器(1)、缩束柱透镜组A(2)、1/2λ波片(3)、偏振分光棱镜(4)、1/4λ波片(5)、反射镜A(6)、Stokes光产生晶体(7)、旋转台(8)、反射镜B(9)、耦合输出镜(10)、F-P标准具(11)、凸透镜A(12)、凸透镜B(13)、THz波产生晶体(14)、缩束柱透镜组B(15)和扩束柱透镜组(16)；
单纵模脉冲激光器(1)输出的泵浦光经过缩束柱透镜组A(2)调节光斑的尺寸，泵浦光穿过1/2λ波片(3)并由偏振分光棱镜(4)分成泵浦光A(18)和泵浦光B(17)两束；
泵浦光B(17)经缩束柱透镜组B(15)将z方向尺寸缩束，入射Stokes光产生晶体(7)，并在Stokes光产生晶体(7)的侧面发生全反射；入射泵浦光B(18)和反射泵浦光在晶体内部构成交叉泵浦形式，形成交叉泵浦SPS窄带参量增益；反射镜B(9)、耦合输出镜(10)构成的Stokes光谐振腔，所述F-P标准具(11)设置在Stokes光谐振腔内，通过Stokes光谐振腔与泵浦光的之间的夹角限定交叉泵浦SPS的相位匹配关系，形成特定频率的窄线宽Stokes光振荡输出；
Stokes光产生晶体(7)以及反射镜B(9)、耦合输出镜(10)F-P标准具(11)构成的Stokes光振荡器放置在旋转台(8)上，非线性晶体(7)的泵浦光发生全反射的侧面的中点与旋转台(8)的旋转轴重合；
从偏振分光棱镜透射(4)的泵浦光A(18)穿过1/4λ波片(5)后，在反射镜A(6)反射，再次穿过1/4λ波片(5)后，泵浦光A(18)的偏振方向旋转90°，在偏振分光棱镜(4)上发生反射后变为泵浦光C(19)，泵浦光B(17)和泵浦光C(19)的偏振方向与z轴平行；
凸透镜A(12)和凸透镜B(13)在同一轴线上，相距两倍焦距，构成1:1望远镜系统，旋转台(8)的旋转轴以及THz波产生晶体(14)的下底面的中心分别位于望远镜系统两侧的焦点上，经过望远镜系统后，泵浦光C(19)与Stokes光(20)在THz波产生晶体(14)发生全反射，相互耦合产生THz波(21)。
2.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述单纵模脉冲激光器(1)输出的泵浦光经过缩束柱透镜组(2)将光斑的横向尺寸调整至1.4-1.6mm。
3.根据权利要求2所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：泵浦光B(17)经缩束柱透镜组B(15)将z方向尺寸缩束，变为直径为1.4-1.6mm的圆形光斑。
4.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述Stokes光产生晶体(7)和THz波产生晶体(14)为MgO:LiNbO3晶体。
5.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于所述：所述Stokes光产生晶体(7)形状为矩形，Stokes光产生晶体的光轴与z轴重合，光束在Stokes光产生晶体内沿x轴方向传输。
6.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述THz波产生晶体(14)的形状为等腰梯形，梯形底角的角度为65°，THz波产生晶体(14)的光轴与z轴重合，产生的THz波(21)以垂直表面发射的形式耦合输出。
7.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述单纵模脉冲激光器(1)为电光调Q的单纵模Nd：YAG激光器。
8.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述旋转台(8)为步进电机或伺服电机驱动的数控旋转台或手动旋转台。
9.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：所述F-P标准具(11)为两面镀有反射膜的熔石英平行平板。
10.根据权利要求1所述的一种参量Stokes光种子注入的可调谐窄线宽太赫兹波参量源，其特征在于：还包括光吸收池(22)，从Stokes光产生晶体(7)出射的泵浦光B(17)由光吸收池(22)收集。
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