CN112670792B - 一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，混频光入射到APPLN晶体中，经级联光学差频产生了级联光，从第n‑1抛物面镜出来的级联光经全反射镜F‑(n‑2)、全反射镜F‑(n‑1)改变光路后入射扇形结构PPLN晶体产生n倍频太赫兹波。n倍频太赫兹波经第n抛物面镜反射输出；通过设置扇形结构PPLN晶体的极化周期的分布，可以同时得到多倍频的太赫兹波。通过设置扇形结构PPLN晶体的极化周期的分布，可以促使级联光的能量向Stokes区域转移，有效提高太赫兹波转换效率。

Description

一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波（Terahertz，简称THz），是指频率在0.1-10THz（1THz＝10¹² Hz）范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和红外线之间，是光子学与电子学、宏观理论向微观理论的过渡区域。太赫兹波所处的特殊位置使其在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹波主要应用在以下领域：

（1）成像领域

THz波成像与普通光学图像或X射线图像不同，脉冲THz波图像中的每个像素包含整个THz波形，而不仅仅是光束的强度。THz波形的傅里叶变换还可以提取该像素的光谱信息。因此，THz波成像不仅通过其轮廓识别目标，而且还获得目标的复合信息。

（2）通信领域

THz通信技术具有无缝数据传输、无限带宽、微秒延迟和超快下载等特点，这将彻底改变通信领域，改变人们交流和访问信息的路线。在空间通信方面，与地面的THz波穿透大气的能力有限相反，在无大气环境中的传播不会受到大气衰减。

（3）国防军事

由于太赫兹辐射优于微波的方向性，可以用来制造高空间分辨率的雷达，并且可以在风沙或烟雾环境下提供精确的定位信息。

（4）无损检测领域

THz 波的穿透性能够很好的应用于无损探伤和 THz 成像领域。利用THz 时域光谱技术实现在非接触和非破坏的条件下，可以穿透衣服、纸箱、塑料等非极性电介质材料，因此不仅可以探测介质的化学性质，而且能够判断物体的轮廓和形态。

（5）安全检查

利用太赫兹波谱的指纹特性可以探测出恐怖分子身上隐藏的毒品爆炸物以及其它危险品等，且可以进行长距离、无接触以及隐蔽性的检查。

缺少的能够产生高功率、高质量、高效率的太赫兹波，且低成本并能在室温下运转的太赫兹源是目前面临的主要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，可以同时产生多个频率的太赫兹波，提高太赫兹波转换效率。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，包括第一泵浦源和第二泵浦源、APPLN晶体、第一抛物面镜、第二抛物面镜……第n-1抛物面镜、第n抛物面镜、合束镜以及相位延迟系统、扇形结构PPLN晶体、用作改变光路的全反射镜F-2、全反射镜F-3、全反射镜F-4、全反射镜F-5……全反射镜F-(n-1)、全反射镜F-n；

第一泵浦源出射的第一泵浦光，第二泵浦源出射第二泵浦光，第一泵浦光或第二泵浦光中的一个经过相位延迟系统在合束镜中混合为混频光；

混频光入射到APPLN晶体中，经级联光学差频产生了级联光，级联光经全反射镜F-2、全反射镜F-3改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体产生一倍频太赫兹波；一倍频太赫兹波经第一抛物面镜反射输出；从第一抛物面镜出来的级联光经全反射镜F-4、全反射镜F-5改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体产生二倍频太赫兹波；二倍频太赫兹波经第二抛物面镜反射输出；

从第二抛物面镜出来的级联光经全反射镜F-6、全反射镜F-7改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体产生三倍频太赫兹波；三倍频太赫兹波经第三抛物面镜反射输出；

从第三抛物面镜出来的级联光经全反射镜F-8、全反射镜F-9改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体产生四倍频太赫兹波；四倍频太赫兹波经第四抛物面镜反射输出；

以此类推，从第n-1抛物面镜出来的级联光经全反射镜F-(n-2)、全反射镜F-(n-1)改变光路后入射扇形结构PPLN晶体产生n倍频太赫兹波。n倍频太赫兹波经第n抛物面镜反射输出；

光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面。

还包括改变光路的全反光镜F-1；从第一泵浦源出射的第一泵浦光的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源出射的第二泵浦光的初始传播方向为X轴正向，第二泵浦光经过相位延迟系统和全反光镜F-1的反射后的光束方向为Y轴正向；混频光的传播方向为X轴的正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴正向。

相位延迟系统由第一反射镜、第二反射镜第三反射镜和第四反射镜组成；从第二泵浦源出射的第二泵浦光经过由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜组成的相位延迟系统，再经过全反光镜（F-1）进入合束镜。

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜均为平面镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜对第二泵浦光全反射。

第一泵浦光和第二泵浦光的频率不同；所述第一泵浦源采用Yb:YAG脉冲激光器，第二泵浦源采用Yb:YAG脉冲激光器，偏振方向为Z轴；第一泵浦光和第二泵浦光的频率差为一倍频太赫兹波的频率。

所述APPLN晶体、扇形结构PPLN晶体均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴；所述APPLN晶体（11）、扇形结构PPLN晶体的极化周期分布不同；扇形结构PPLN晶体的极化周期由Λ₁逐渐变化到Λ₂。

APPLN晶体的极化周期分布满足从1阶Stokes级联差频到高阶Stokes级联差频的相位失配沿级联光在晶体中的传播方向逐阶等于0。

所述的一倍频太赫兹波、二倍频太赫兹波、n倍频太赫兹波的频率不同，二倍频太赫兹波的频率是一倍频太赫兹波频率的两倍，n倍频太赫兹波的频率是一倍频太赫兹波频率的n倍。

所述第一抛物面镜、第二抛物面镜、……第n抛物面镜中心开设仅允许级联光穿过的小孔。

所述分别通过第一抛物面镜、第二抛物面镜、……第n抛物面镜出来的级联光是由各阶级联光混合而成的混频光，相邻阶级联光的频率差为一倍频太赫兹波的频率。

相对于现有技术，本发明提供的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置与现有的基于光学差频效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：

（1）通过设置扇形结构PPLN晶体的极化周期的分布，可以同时得到多倍频的太赫兹波。

（2）通过设置扇形结构PPLN晶体的极化周期的分布，可以促使级联光的能量向Stokes区域转移，有效提高太赫兹波转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理图。

图2是扇形结构PPLN晶体结构示意图。

图3是APPLN晶体极化周期分布图。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据下述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，本申请使用的技术术语应当为本发明所述技术人员所理解的通常意义。

如附图1所示，一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，包括第一泵浦源1和第二泵浦源3、APPLN晶体11、第一抛物面镜p-1、第二抛物面镜p-2……第n-1抛物面镜p-n-1、第n抛物面镜p-n、合束镜9以及相位延迟系统、扇形结构PPLN晶体13、用作改变光路的全反射镜F-2、全反射镜F-3、全反射镜F-4、全反射镜F-5……全反射镜F-(n-1)、全反射镜F-n；

第一泵浦源1出射的第一泵浦光2，第二泵浦源3出射第二泵浦光4，第一泵浦光2或第二泵浦光4中的一个经过相位延迟系统在合束镜9中混合为混频光10；

混频光10入射到APPLN晶体11中，经级联光学差频产生了级联光12，级联光12经全反射镜F-2、全反射镜F-3改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体13产生一倍频太赫兹波THz-1；一倍频太赫兹波THz-1经第一抛物面镜p-1反射输出；从第一抛物面镜p-1出来的级联光12经全反射镜F-4、全反射镜F-5改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体13产生二倍频太赫兹波THz-2；二倍频太赫兹波THz-2经第二抛物面镜p-2反射输出；

从第二抛物面镜p-2出来的级联光12经全反射镜F-6、全反射镜F-7改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体13产生三倍频太赫兹波THz-3；三倍频太赫兹波THz-3经第三抛物面镜p-3反射输出；

从第三抛物面镜p-3出来的级联光12经全反射镜F-8、全反射镜F-9改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体13产生四倍频太赫兹波THz-4；四倍频太赫兹波THz-4经第四抛物面镜p-4反射输出；

以此类推，从第n-1抛物面镜p-n-1出来的级联光12经全反射镜F-(n-2)、全反射镜F-(n-1)改变光路后入射扇形结构PPLN晶体13产生n倍频太赫兹波THz-n。n倍频太赫兹波THz-n经第n抛物面镜p-n反射输出；

光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面。

一个泵浦光通过相位延迟系统的目的是为了使两个泵浦光相位同步。

基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置还包括改变光路的全反光镜F-1；从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4的初始传播方向为X轴正向，第二泵浦光4经过相位延迟系统和全反光镜F-1的反射后的光束方向为Y轴正向；混频光10的传播方向为X轴的正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴正向。

相位延迟系统由第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7和第四反射镜8组成；从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4经过由第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7及第四反射镜8组成的相位延迟系统，再经过全反光镜F-1进入合束镜9。泵浦光通过相位延迟系统不改变光的传播方向，泵浦光也可以经过不止一个上述的相位延迟系统。

第一泵浦光2和第二泵浦光4的频率不同。

所述的一倍频太赫兹波THz-1、二倍频太赫兹波THz-2、n倍频太赫兹波THz-n的频率不同，二倍频太赫兹波THz-2的频率是一倍频太赫兹波THz-1频率的两倍，n倍频太赫兹波THz-n的频率是一倍频太赫兹波THz-1频率的n倍。一倍频太赫兹波THz-1的频率等于第一泵浦光2和第二泵浦光4的频率差。

所述APPLN晶体11、扇形结构PPLN晶体13的极化周期分布不同；扇形结构PPLN晶体（13）的极化周期由Λ₁逐渐变化到Λ₂。

APPLN晶体11的极化周期分布分别满足从1阶Stokes级联差频到高阶Stokes级联差频的相位失配沿级联光在晶体中的传播方向逐阶等于0。本实施例中，在APPLN晶体中，级联光在晶体中的传播方向为沿X轴正向。

沿级联光在晶体中的传播方向，扇形结构PPLN晶体13满足第1阶Stokes差频的相位失配等于0。在扇形结构PPLN晶体中，级联光在晶体中的传播方向为沿X轴正向或者沿X轴负向。

本实施例中，第一泵浦源1采用Yb:YAG脉冲激光器，第一泵浦光2的频率为291.76THz，第二泵浦源3采用Yb:YAG脉冲激光器，第二泵浦光4的频率为291.26 THz。两个泵浦源重复频率均为10Hz，单脉冲能量均为500mJ，光束直径均为1mm，偏振方向均为Z轴。

本实施例中，第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8均为平面镜；第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8对第二泵浦光4全反射。

本实施例中，APPLN晶体11为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。如附图3所示，所述APPLN晶体11的极化周期分布由237.21 μm减小到233.83μm，再增加到246.28μm。APPLN晶体11的尺寸为X×Y×Z为40mm×10mm×2mm。

本实施例中，如附图2所示，扇形结构PPLN晶体13为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。扇形结构PPLN晶体13的尺寸a为40mm、b为2mm、c为60 mm，扇形结构PPLN晶体13的极化周期由Λ₁逐渐变化到Λ₂ ，Λ₁为300 μm，Λ₂ 为10μm。

本实施例中，一倍频太赫兹波THz-1、二倍频太赫兹波THz-2、n倍频太赫兹波THz-n的频率不同。本实施例中一倍频太赫兹波THz-1的频率为0.5THz，二倍频太赫兹波THz-2的频率是1.0THz，n倍频太赫兹波THz-n的频率是0.5×n THz，n为正整数。在扇形结构PPLN晶体中产生一倍频太赫兹波THz-1、二倍频太赫兹波THz-2、三倍频太赫兹波THz-3、四倍频太赫兹波THz-4所需的极化周期分别为235.15μm、116.32μm、76.15μm、55.67μm。

本实施例中，第一抛物面镜p-1、第二抛物面镜p-2、第n抛物面镜p-n中心开设仅允许级联光12穿过的小孔。所述第一抛物面镜p-1、第二抛物面镜p-2、第n抛物面镜p-n中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔，小孔直径为1mm。

本实施例中通过第一抛物面镜p-1、第二抛物面镜p-2、第n抛物面镜p-n的级联光12是由各阶级联光混合而成的混频光，相邻阶级联光的频率差为0.5 THz，即为一倍频太赫兹波THz-1的频率，也为第一泵浦光2和第二泵浦光4的频率差。

以上所述的实施例仅是对于本发明技术方案的举例和说明，便于本领域技术人员理解本申请的技术方案，而不是全部的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明的基本思路在于上述基本方案，对于本领域的及任何熟悉本技术领域的技术人员来说，在不脱离发明整体构思和本发明的原理的精神的前提下，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、等同替换和变型，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：包括第一泵浦源（1）和第二泵浦源（3）、APPLN晶体（11）、第一抛物面镜（p-1）、第二抛物面镜（p-2）……第n-1抛物面镜（p-（n-1））、第n抛物面镜（p-n）、合束镜（9）以及相位延迟系统、扇形结构PPLN晶体（13）、用作改变光路的全反射镜（F-2）、全反射镜（F-3）、全反射镜（F-4）、全反射镜（F-5）……全反射镜（F-(n-1)）、全反射镜（F-n）；扇形结构PPLN晶体（13）的极化周期由Λ₁逐渐变化到Λ₂；

第一泵浦源（1）出射的第一泵浦光（2），第二泵浦源（3）出射第二泵浦光（4），第一泵浦光（2）或第二泵浦光（4）经过相位延迟系统在合束镜（9）中混合为混频光（10）；

混频光（10）入射到APPLN晶体（11）中，经级联光学差频产生了级联光（12），级联光（12）经全反射镜（F-2）、全反射镜（F-3）改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体（13）产生一倍频太赫兹波（THz-1）；一倍频太赫兹波（THz-1）经第一抛物面镜（p-1）反射输出；从第一抛物面镜（p-1）出来的级联光（12）经全反射镜（F-4）、全反射镜（F-5）改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体（13）产生二倍频太赫兹波（THz-2）；二倍频太赫兹波（THz-2）经第二抛物面镜（p-2）反射输出；

从第二抛物面镜（p-2）出来的级联光（12）经全反射镜（F-6）、全反射镜（F-7）改变光路后沿X轴正方向入射扇形结构PPLN晶体（13）产生三倍频太赫兹波（THz-3）；三倍频太赫兹波（THz-3）经第三抛物面镜（p-3）反射输出；

从第三抛物面镜（p-3）出来的级联光（12）经全反射镜（F-8）、全反射镜（F-9）改变光路后沿X轴负方向入射扇形结构PPLN晶体（13）产生四倍频太赫兹波（THz-4）；四倍频太赫兹波（THz-4）经第四抛物面镜（p-4）反射输出；

以此类推，从第n-1抛物面镜（p-（n-1））出来的级联光（12）经全反射镜（F-(n-2)）、全反射镜（F-(n-1)）改变光路后入射扇形结构PPLN晶体（13）产生n倍频太赫兹波（THz-n）；n倍频太赫兹波（THz-n）经第n抛物面镜（p-n）反射输出；

第一泵浦光（2）和第二泵浦光（4）的频率不同；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面。

2.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：还包括改变光路的全反光镜（F-1）；从第一泵浦源（1）出射的第一泵浦光（2）的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源（3）出射的第二泵浦光（4）的初始传播方向为X轴正向，第二泵浦光（4）经过相位延迟系统和全反光镜（F-1）的反射后的光束方向为Y轴正向；混频光（10）的传播方向为X轴的正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴正向。

3.根据权利要求2所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：相位延迟系统由第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第三反射镜（7）和第四反射镜（8）组成；从第二泵浦源（3）出射的第二泵浦光（4）经过由第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第三反射镜（7）及第四反射镜（8）组成的相位延迟系统，再经过全反光镜（F-1）进入合束镜（9）。

4.根据权利要求3所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：所述第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第三反射镜（7）、第四反射镜（8）均为平面镜；第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第三反射镜（7）、第四反射镜（8）对第二泵浦光（4）全反射。

5.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：所述第一泵浦源（1）采用Yb:YAG脉冲激光器，第二泵浦源（3）采用Yb:YAG脉冲激光器，偏振方向为Z轴；第一泵浦光（2）和第二泵浦光（4）的频率差为一倍频太赫兹波（THz-1）的频率。

6.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：所述APPLN晶体（11）、扇形结构PPLN晶体（13）均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴；所述APPLN晶体（11）、扇形结构PPLN晶体（13）的极化周期分布不同。

7.根据权利要求6所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：APPLN晶体（11）的极化周期分布满足从1阶Stokes级联差频到高阶Stokes级联差频的相位失配沿级联光在晶体中的传播方向逐阶等于0。

8.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：所述的一倍频太赫兹波（THz-1）、二倍频太赫兹波（THz-2）、n倍频太赫兹波（THz-n）的频率不同，二倍频太赫兹波（THz-2）的频率是一倍频太赫兹波（THz-1）频率的两倍，n倍频太赫兹波（THz-n）的频率是一倍频太赫兹波（THz-1）频率的n倍。

9.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：所述第一抛物面镜（p-1）、第二抛物面镜（p-2）、……第n抛物面镜（p-n）中心开设仅允许级联光（12）穿过的小孔。

10.根据权利要求1所述的基于优化级联差频同时产生多频太赫兹波的装置，其特征在于：分别通过第一抛物面镜（p-1）、第二抛物面镜（p-2）、……或第n抛物面镜（p-n）出来的级联光（12）是由各阶级联光混合而成的混频光，相邻阶级联光的频率差为一倍频太赫兹波（THz-1）的频率。

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