CN112202036A - 一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置 - Google Patents

一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，包括自拉曼激光器和差频组件；自拉曼激光器由半导体光源、全反射镜、激光与拉曼键合晶块、声光Q开关和激光输出镜组成；差频组件由光束整形透镜、差频晶块和低通滤波片组成。所述激光与拉曼键合晶块由两块同种材料的晶体块键合而成，其中一块晶体掺杂稀土离子；全反射镜与激光输出镜组成激光谐振腔，实现自拉曼激光器的双波长运转输出；声光Q开关控制激光输出时间，实现同步脉冲运转。自拉曼激光器输出的双波长激光，经光束整形透镜照射差频晶块，通过非线性作用产生相干太赫兹波；低通滤波片阻挡剩余激光透射太赫兹波。本发明结构简单、辐射效率高，适用于高分辨率太赫兹波谱分析及成像等需求。

Description

一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体地说是一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置。
背景技术
太赫兹波段通常是指频率从100GHz到10THz范围，处于微波和红外光之间的电磁波谱区域，也是最后一个有待全面开发的频率窗口。其在电磁波谱中的特殊位置决定了其具有一些独特的性质，如穿透性、低能性和“指纹”特性等。近年来，太赫兹技术在医疗诊断、工业检测、环境监测和国防等应用领域受到广泛关注。
上述应用系统的性能很大程度上取决于太赫兹辐射源的输出水平(包括功率、线宽、光束质量和脉冲重复频率等)，因此高效低成本的相干波源是上述系统的关键核心部分。目前常见的相干太赫兹辐射源，根据其产生方法可以分为三类：电子学源、半导体源(量子级联激光器)和光学源。三类波源都有各自的优点，也存在一定的不足。随着激光和非线性光学频率变换技术成熟，光泵浦差频太赫兹辐射源取得了较大进展。这类辐射源具有类似激光的高相干性，在高频段(3THz以上)输出更强，而且结构简单、室温运转、是应用系统中的理想波源。
太赫兹差频需要两束波长相近的相干光激发非线性晶体，这两个波长通常是由高峰值功率、低重复频率(10Hz左右)的激光脉冲泵浦双波长参量振荡器产生。多次频率变换会引起辐射源的总体转换效率降低，单色性和光束质量下降。此外，较低的重复频率限制了波谱分析和成像应用中的扫描速率。总之，目前常见的差频太赫兹源还不能满足高分辨率成像和波谱分析等应用的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，利用小型化自拉曼双波长激光器泵浦有机非线性光学晶体，差频产生高重复频率相干太赫兹脉冲，可应用于波谱分析和成像系统，实现太赫兹波谱和图像信息的快速获取。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，包括自拉曼激光器和差频组件；
所述自拉曼激光器包括泵浦光源、激光谐振器；激光谐振器设在泵浦光源发射的泵浦光光路上；泵浦光源发射泵浦光经过激光谐振器后射出2路波长不同的激光至差频组件；
所述差频组件包括光束整形透镜、差频晶块和低通滤波片，且依次放置在激光谐振器输出的激光光路上，差频晶块为块状且放置在光束整形透镜的出射光焦点处，2路波长不同的激光经过光束整形透镜聚焦后照射差频晶块、低通滤波片后射出相干太赫兹辐射波。
所述泵浦光源为尾纤输出的波长为0.8μm的半导体激光器。
所述激光谐振器包括在泵浦光发射光路上依次设置的全反射镜、激光与拉曼键合晶块、声光Q开关和激光输出镜；
所述全反射镜为片状且竖直放置；所述激光输出镜为单面凹透镜且竖直放置，所述凹透镜的凹面朝向全反射镜,全反射镜与激光输出镜组成激光谐振腔。
所述声光Q开关还连接驱动电源。
所述激光与拉曼键合晶块由两段晶块键合而成，第一晶块材质为掺杂稀土离子的YVO4晶体，第二晶块材质为YVO4晶体，第一晶块在所述半导体光源泵浦下产生波长为1.3μm激光，第一波长激光经过第二晶块再受激拉曼散射产生另一波长为1.5μm的激光。
所述激光与拉曼键合晶块为将两段晶体块的一侧端面抛光后通过加热挤压粘合在一起的晶块。
所述全反射镜朝向泵浦光源的一面镀0.8μm增透膜、朝向激光输出镜的一面镀0.8μm增透膜、1.3μm和1.5μm高反膜。激光输出镜朝向全反射镜的一面镀1.3和1.5μm反射膜，朝向光束整形透镜的一面镀1.3μm和1.5μm增透膜。
所述光束整形透镜为凸透镜，双面镀1.3μm和1.5μm增透膜。
所述低通滤波片为高电阻率Ge滤波片，截止剩余激光、透射出相干太赫兹辐射波。
所述差频晶块材质为有机吡啶盐DAST晶体。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明所采用的自拉曼激光器与差频晶体实现了两个匹配：第一，自拉曼激光器的输出波长(～1.3μm和～1.5μm)位于有机晶体差频的相位匹配波段；第二，自拉曼激光器输出双波长的频率差位于有机晶体的差频发射峰附近。从而实现高效的非线性光学频率下转换，获得较高的辐射效率。
2.本发明采用YVO4晶体块同时作为激光和拉曼增益介质，保证双波长运转的同时，最大程度简化了结构，缩小了体积，降低了成本，利于其实用化。
3.此外，YVO4晶体块具有较大的激光发射截面和拉曼散射截面，发光效率高，总体能耗低，在高重复频率运转条件下，也能输出较高的峰值功率。
附图说明
图1是本发明提供的自拉曼激光差频太赫兹辐射源结构示意图；
其中，1为自拉曼激光器，2为差频组件，11为半导体光源，12为全反射镜，13为激光与拉曼键合晶块，14为声光Q开关，15为激光输出镜，21为光束整形透镜，22为差频晶块，23为低通滤波片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，本发明提供的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，包括自拉曼激光器1和差频组件2。其中，自拉曼激光器1由半导体光源11、全反射镜12、激光与拉曼键合晶块13、声光Q开关14和激光输出镜15组成，差频组件2由光束整形透镜21、差频晶块22和低通滤波片23组成。
实际应用时，半导体光源11是尾纤输出的半导体激光器，作为自拉曼激光器1的泵浦源，其输出的波长为0.8μm激光照射激光与拉曼键合晶块13产生波长为1.3μm激光。
激光与拉曼键合晶块13由两块晶块键合而成，其中一块晶块材质为掺杂稀土离子Nd3+的YVO4晶体，在半导体光源11的泵浦下通过掺杂Nd3+离子的能级跃迁产生波长1.3μm激光；另一块为材质为不掺杂Nd3+离子仅为YVO4晶体，在所产生的波长为1.3μm激光的作用下发生受激拉曼散射，产生另一波长为1.5μm的激光。由于激光和拉曼增益介质为同种材料，该激光器称为自拉曼激光器。键合为将两段晶块的一侧端面抛光后通过加热挤压粘合在一起。
全反射镜12与激光输出镜15组成光谐振腔，对上述两个波长形成振荡和往复增益；通过在激光输出镜15的凹面镀膜分别设定激光输出镜15对两个波长的反射率，控制其腔损耗和输出比例，最终实现自拉曼激光器1的双波长运转输出。
声光Q开关14利用超声波形成衍射光栅，用于控制激光输出时间，使激光能量在较短时间内全部输出，从而产生巨脉冲(高峰值功率)，便于在后续太赫兹差频过程中获得较高的转换效率。此外，采用声光开关能够快速多次地开启和关闭，实现高重复频率(～100kHz)脉冲运转，提高应用系统的扫描速率。
自拉曼激光器1输出的双波长激光，经光束整形透镜21聚焦后，照射差频晶块22，通过二阶非线性光学频率变换作用，产生相干太赫兹波，所产生的太赫兹波频率为两个激光波长的频率差。差频晶块22为有机非线性晶体，其材料为有机吡啶盐DAST及其衍生物，这类晶体具有很大的二阶非线性系数，同时晶体的介电属性保证了激光与太赫兹波的相位匹配，有利于实现高效的频率变换。
利用低通滤波片23将差频剩余的激光截止，实现纯净的太赫兹波输出。滤波片材料为高电阻率Ge(5-40Ω·cm)，能够将剩余激光完全阻挡，同时对太赫兹波具有较高的透过率，保证了滤波的高效性。
以下尺寸参数是保证该装置能够运转的一组合理值，实际构建系统时参数不局限于这组值。
全反射镜12，采用平面玻璃窗口，通用件，直径20mm，厚度3mm，表面针对不同光波长镀增透膜和受激拉曼散射光的高反膜。全反射镜外面(朝向泵浦光源的一面)镀0.8μm增透，内面(朝向激光输出镜的一面)镀0.8μm增透、1.3和1.5μm高反膜。材质和膜厚采用现有标准。
激光与拉曼键合晶块13，为自拉曼键合晶块，通光面大小3×3mm2，镀泵浦光和受激拉曼散射光的增透膜，掺杂稀土离子的晶块长10mm，非掺杂稀土离子的晶块长20mm。
声光Q开关14，为市购通用件，纵向长度20mm，镀泵浦光和受激拉曼散射光的增透膜。
激光输出镜15，为凹面玻璃窗口，通用件，直径20mm，厚度3mm，凹面曲率半径100mm，表面镀有特定反射率的光学膜。该元件外观与平凹透镜相同，但功能不同，这里只利用其凹面作为反射面。激光输出镜朝向全反射镜的一面镀1.3和1.5μm特定反射率膜，朝向光束整形透镜的一面镀1.3和1.5μm增透膜。材质和膜厚采用现有标准。
全反射镜12与激光与拉曼键合晶块13间距2mm，激光与拉曼键合晶块13与声光Q开关14间距10mm，声光Q开关14与激光输出镜15间距5mm。上述这些间距值的最小值取决于各元件卡具的尺寸；设计时需根据光学传输矩阵计算，应综合考虑激光与拉曼键合晶块13和声光Q开关14的长度、折射率，以及激光输出镜15的凹面曲率半径，最终得到一个合理区间(可行域)，具体数值还不限于以上。
光束整形透镜21，为玻璃凸透镜，通用件，直径20mm，厚度3mm，焦距100mm，可镀增透膜。双面镀1.3和1.5μm增透膜。材质和膜厚采用现有标准。
差频晶块22，材质为非线性光学晶体，有机材料DAST，用于太赫兹差频产生，通光面大小3×3mm2，厚度0.7mm。
低通滤波片23，为通用件，直径30mm，厚度2mm。
光束整形透镜21与激光输出镜15间距适当即可，如50mm，差频晶体22位于光束整形透镜21的焦点附近，低通滤波片23与差频晶块22间距30mm。
配套电源和控制模块
半导体光源11为市购商用模块，插电即用，无需其他配套。
声光Q开关需要驱动电源。此外，无需其他配套模块。
上述太赫兹辐射装置所产生的相干太赫兹波，具有类似激光的高单色性和波束质量，可用于高分辨太赫兹波谱分析和成像等应用研究。该辐射源结构简单、紧凑，成本低，效率高，适合在实用系统中普及。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，包括自拉曼激光器(1)和差频组件(2)；
所述自拉曼激光器包括泵浦光源、激光谐振器；激光谐振器设在泵浦光源发射的泵浦光光路上；泵浦光源发射泵浦光经过激光谐振器后射出2路波长不同的激光至差频组件(2)；
所述差频组件(2)包括光束整形透镜(21)、差频晶块(22)和低通滤波片(23)，且依次放置在激光谐振器输出的激光光路上，差频晶块(22)为块状且放置在光束整形透镜(21)的出射光焦点处，2路波长不同的激光经过光束整形透镜(21)聚焦后照射差频晶块(22)、低通滤波片(23)后射出相干太赫兹辐射波。
2.根据权利要求1所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述泵浦光源为尾纤输出的波长为0.8μm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述激光谐振器包括在泵浦光发射光路上依次设置的全反射镜(12)、激光与拉曼键合晶块(13)、声光Q开关(14)和激光输出镜(15)；
所述全反射镜(12)为片状且竖直放置；所述激光输出镜(15)为单面凹透镜且竖直放置，所述凹透镜的凹面朝向全反射镜(12),全反射镜(12)与激光输出镜(15)组成激光谐振腔。
4.根据权利要求3所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述声光Q开关(14)还连接驱动电源。
5.根据权利要求3所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述激光与拉曼键合晶块(13)由两段晶块键合而成，第一晶块材质为掺杂稀土离子的YVO4晶体，第二晶块材质为YVO4晶体，第一晶块在所述半导体光源泵浦下产生波长为1.3μm激光，第一波长激光经过第二晶块再受激拉曼散射产生另一波长为1.5μm的激光。
6.根据权利要求5所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述激光与拉曼键合晶块(13)为将两段晶体块的一侧端面抛光后通过加热挤压粘合在一起的晶块。
7.根据权利要求5所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述全反射镜(12)朝向泵浦光源的一面镀0.8μm增透膜、朝向激光输出镜的一面镀0.8μm增透膜、1.3μm和1.5μm高反膜。激光输出镜(15)朝向全反射镜的一面镀1.3和1.5μm反射膜，朝向光束整形透镜的一面镀1.3μm和1.5μm增透膜。
8.根据权利要求3所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述光束整形透镜(21)为凸透镜，双面镀1.3μm和1.5μm增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述低通滤波片(23)为高电阻率Ge滤波片，截止剩余激光、透射出相干太赫兹辐射波。
10.根据权利要求7所述的一种自拉曼激光差频太赫兹辐射装置，其特征在于，所述差频晶块(22)材质为有机吡啶盐DAST晶体。
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