CN112670796B

CN112670796B - 一种基于谐振腔和级联差频相结合的太赫兹辐射源

Info

Publication number: CN112670796B
Application number: CN202011597898.7A
Authority: CN
Inventors: 刘文锴; 李忠洋; 胡青峰; 颜钤泽; 张格格; 焦彬哲; 赵佳
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112670796A

Abstract

本发明提供的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，混频光通过第五反射镜透射后入射第一APPLN晶体中，经级联光学差频效应产生级联光和第一太赫兹波；第一太赫兹波经第一抛物面镜反射输出，级联光通过第一抛物面镜后经第六反射镜、第七反射镜反射后入射到第二APPLN晶体，经级联光学差频产生级联光和第二太赫兹波；级联光在第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜组成的谐振腔中完成循环振荡；通过设置APPLN晶体的极化周期的分布，可以增强Stokes级联差频同时抑制anti‑Stokes级联差频，提高太赫兹波光学转换效率。通过级联光在谐振腔内振荡，可以持续辐射太赫兹波，大大提高了太赫兹波光学能量转化效率。

Description

一种基于谐振腔和级联差频相结合的太赫兹辐射源

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波（Terahertz，简称THz），是指频率在0.1-10THz（1THz＝10¹²Hz）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

利用太赫兹时域光谱技术可以直接测量太赫兹电磁脉冲所产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。

（2）生物化学技术领域

由于许多生物大分子的转动吸收谱处于太赫兹频段，利用对生化反应太赫兹吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。

（3）天文学领域

在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波。碳（C）、水（H₂O）、一氧化碳（CO）、氮（N₂）、氧（O₂）等大量的分子可以在太赫兹频段进行探测。

（4）通信领域

太赫兹波是很好的宽带信息载体，可以携带声频或者视频信号进行传输。太赫兹波用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。

（5）国土安全领域

在国土安全领域，由于太赫兹波的非电离性，及强穿透性，所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离、大范围的预警。

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。目前太赫兹波的产生方法主要有电子学方法和光子学方法。电子学方法是一般将电磁辐射的波长从毫米波延伸到太赫兹波段，也就相当于一个频率变大的过程，但是当频率大于1THz时会遇到很大的障碍，以至于效率变的很低，同时电子学方法产生的太赫兹波辐射源体积庞大，限制了其在很多领域中的应用。而光子学方法其主要方向就是把可见光或者红外光向太赫兹波段转换。此方法的优势在于产生的太赫兹辐射源具有很高的相干性和方向性，但是现阶段产生的太赫兹波功率和效率都较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，可以增强太赫兹波的强度，提高太赫兹波能量转化效率。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，包括第一泵浦源和第二泵浦源，极化周期分布不同的第一APPLN晶体和第二APPLN晶体，第一抛物面镜、第二抛物面镜，合束镜，相位延迟系统，组成谐振腔的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜；

从第一泵浦源出射的第一泵浦光进入合束镜；从第二泵浦源出射的第二泵浦光经过相位延迟系统进入合束镜；第一泵浦光与第二泵浦光在合束镜中合为一束混频光；混频光通过第五反射镜透射后入射第一APPLN晶体中，经级联光学差频效应产生级联光和第一太赫兹波；第一太赫兹波经第一抛物面镜反射输出，级联光通过第一抛物面镜后经第六反射镜、第七反射镜反射后入射到第二APPLN晶体，经级联光学差频产生级联光和第二太赫兹波；第二太赫兹波经第二抛物面镜反射输出，经第二APPLN晶体产生的级联光通过第二抛物面镜后经第八反射镜、第五反射镜反射后入射第一APPLN晶体；级联光在第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜组成的谐振腔中完成循环振荡；

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，从第一泵浦源出射的第一束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Y轴负向，混频光的传播方向为X轴的正向，第一太赫兹波的传播方向为Y轴负向，第二太赫兹波的传播方向为Y轴正向。

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连续激光器，第二泵浦源采用连续激光器，上述泵浦源发出的泵浦光的偏振方向均为Z轴；第一泵浦光和第二泵浦光的频率差等于第一太赫兹波的频率。

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。

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。

所述第一APPLN晶体、第二APPLN晶体均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。

所述级联光中相邻阶级联光的频率差等于第一太赫兹波的频率。

所述第一APPLN晶体、第二APPLN晶体的极化周期分布不相同；第一APPLN晶体、第二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晶体长度逐阶等于0。

第二太赫兹波频率是第一太赫兹波频率的两倍。

所述第一抛物面镜、第二抛物面镜中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

所述第五反射镜对混频光和级联光部分透射，第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜对混频光和级联光全反射。

相对于现有技术，本发明提供的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源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APPLN晶体的极化周期的分布，可以增强Stokes级联差频同时抑制anti-Stokes级联差频，提高太赫兹波光学转换效率。

（2）通过级联光在谐振腔内振荡，可以持续辐射太赫兹波，大大提高了太赫兹波光学能量转化效率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理图。

图2是第一太赫兹波的频率为0.5THz时下，第一APPLN晶体的极化周期与级联光频率之间的关系。

图3是第二太赫兹波的频率为1.0THz时下，第二APPLN晶体的极化周期与级联光频率之间的关系。

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，一种基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：包括第一泵浦源1和第二泵浦源4，极化周期分布不同的第一APPLN晶体13和第二APPLN晶体18，第一抛物面镜14、第二抛物面镜19，合束镜3，相位延迟系统，组成谐振腔的第五反射镜11、第六反射镜16、第七反射镜17、第八反射镜21。

从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2进入合束镜3。从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5经过相位延迟系统进入合束镜3。第一泵浦光2与第二泵浦光5在合束镜3中合为一束混频光10。混频光10通过第五反射镜11入射第一APPLN晶体13中，经级联光学差频效应产生级联光12和第一太赫兹波15。第一太赫兹波15经第一抛物面镜14反射输出，级联光12通过第一抛物面镜14后经第六反射镜16、第七反射镜17入射到第二APPLN晶体18，经级联光学差频产生级联光12和第二太赫兹波20。第二太赫兹波20经第二抛物面镜19反射输出，级联光12通过第二抛物面镜19后经第八反射镜21、第五反射镜11后入射第一APPLN晶体13，级联光12在第五反射镜11、第六反射镜16、第七反射镜17、第八反射镜21组成的谐振腔中完成循环振荡。

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，从第一泵浦源1出射的第一束泵浦光2的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5的初始传播方向为Y轴负向，混频光10的传播方向为X轴的正向，第一太赫兹波15的传播方向为Y轴负向，第二太赫兹波20的传播方向为Y轴正向；

一个泵浦光通过相位延时系统的目的是为了使两个泵浦光相位同步。

第一泵浦光2和第二泵浦光5的频率不同。级联光12中相邻阶级联光的频率差等于第一泵浦光和第二泵浦光的频率差。

相位延迟系统由第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8及第四反射镜9组成；从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5经过第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8及第四反射镜9组成的相位延迟系统进入合束镜3。泵浦光通过相位延迟系统不改变光的传播方向，泵浦光可以不止通过一个相位延时系统。

所述级联光12中相邻阶级联光的频率差等于第一太赫兹波15的频率。

所述第一APPLN晶体13、第二APPLN晶体18的极化周期分布不相同；第一APPLN晶体13、第二APPLN晶体18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晶体长度逐阶等于0，本申请中晶体长度方向为沿X轴正向，在晶体长度方向上，对于每一块APPLN晶体，光入射APPLN晶体的平面的晶体长度为0，沿X轴正向，APPLN晶体长度逐渐增加。

所述第一抛物面镜14、第二抛物面镜19中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

所述第五反射镜11对混频光10和级联光12部分透射，第六反射镜16、第七反射镜17、第八反射镜21对混频光10和级联光12全反射。

本实施例中，第五反射镜11、第六反射镜16位于X轴方向上，位于第一APPLN晶体13的两侧；第七反射镜17、第八反射镜21位于X轴方向上，位于第二APPLN晶体18的两侧。

本实施例中，第一泵浦源1采用Yb:YAG连续激光器，第一泵浦光2的频率为292THz，第二泵浦源4采用Yb:YAG连续激光器，第二泵浦光5的频率为291.5THz。第一泵浦光2和第二泵浦光5的频率差为0.5THz。两个泵浦源的功率均为1000W，光束直径均为0.5mm，偏振方向均为Z轴。

本实施例中，所述第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9均为平面镜；第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9对第二泵浦光5全反射。

本实施例中，所述第一APPLN晶体13、第二APPLN晶体18均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。APPLN晶体的尺寸均为X×Y×Z为50mm×5mm×1mm。

本实施例中，所述级联光12中相邻阶级联光的频率差均等于0.5THz。

本实施例中，如附图2和图3所示，所述第一APPLN晶体13、第二APPLN晶体18的极化周期分布不相同。如附图2所示，当第一太赫兹波15的频率为0.5THz时，第一APPLN晶体13的极化周期变化由237.16 μm减少到233.83 μm，再增加到235.57μm，第一APPLN晶体极化周期的变化沿第一APPLN晶体长度方向。如附图3所示，当第二太赫兹波20的频率为1.0THz时，第二APPLN晶体18的极化周期变化由117.28μm减少到115.66μm，再增加到116.50μm，第二APPLN晶体极化周期的变化沿第二APPLN晶体长度方向。上述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晶体长度逐阶等于0。

本实施例中，所述第一抛物面镜14、第二抛物面镜19中心开设的仅允许各阶级联光穿过的小孔的直径为0.5mm。

本实施例中，所述第五反射镜11对混频光10和级联光12的透射率为5%，第六反射镜16、第七反射镜17、第八反射镜21对混频光10和级联光12全反射。

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

1.一种基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：包括第一泵浦源（1）和第二泵浦源（4），极化周期分布不同的第一APPLN晶体（13）和第二APPLN晶体（18），第一抛物面镜（14）、第二抛物面镜（19），合束镜（3），相位延迟系统，组成谐振腔的第五反射镜（11）、第六反射镜（16）、第七反射镜（17）、第八反射镜（21）；

从第一泵浦源（1）出射的第一泵浦光（2）进入合束镜（3）；从第二泵浦源（4）出射的第二泵浦光（5）经过相位延迟系统进入合束镜（3）；第一泵浦光（2）与第二泵浦光（5）在合束镜（3）中合为一束混频光（10）；混频光（10）通过第五反射镜（11）透射后入射第一APPLN晶体（13）中，经级联光学差频效应产生级联光（12）和第一太赫兹波（15）；第一太赫兹波（15）经第一抛物面镜（14）反射输出，级联光（12）通过第一抛物面镜（14）后经第六反射镜（16）、第七反射镜（17）反射后入射到第二APPLN晶体（18），经级联光学差频产生级联光（12）和第二太赫兹波（20）；第二太赫兹波（20）经第二抛物面镜（19）反射输出，经第二APPLN晶体（18）产生的级联光（12）通过第二抛物面镜（19）后经第八反射镜（21）、第五反射镜（11）反射后入射第一APPLN晶体（13）；级联光(12）在第五反射镜（11）、第六反射镜（16）、第七反射镜（17）、第八反射镜（21）组成的谐振腔中完成循环振荡；所述第一APPLN晶体（13）、第二APPLN晶体（18）的极化周期分布不相同；第一APPLN晶体（13）、第二APPLN晶体（18）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晶体长度逐阶等于0；第二太赫兹波（20）频率是第一太赫兹波（15）频率的两倍；

第一泵浦光（2）和第二泵浦光（5）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，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（4）出射的第二泵浦光（5）的初始传播方向为Y轴负向，混频光（10）的传播方向为X轴的正向，第一太赫兹波（15）的传播方向为Y轴负向，第二太赫兹波（20）的传播方向为Y轴正向。

2.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一泵浦源（1）采用连续激光器，第二泵浦源（4）采用连续激光器，上述泵浦源发出的泵浦光的偏振方向均为Z轴；第一泵浦光（2）和第二泵浦光（5）的频率差等于第一太赫兹波（15）的频率。

3.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：相位延迟系统由第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（8）和第四反射镜（9）组成；从第二泵浦源（4）出射的第二泵浦光（5）经过第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（8）及第四反射镜（9）组成的相位延迟系统。

4.根据权利要求3所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）均为平面镜；第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）对第二泵浦光（5）全反射。

5.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一APPLN晶体（13）、第二APPLN晶体（18）均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。

6.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述级联光（12）中相邻阶级联光的频率差等于第一太赫兹波（15）的频率。

7.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一抛物面镜（14）、第二抛物面镜（19）中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

8.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡和级联差频的太赫兹辐射源，其特征在于：所述第五反射镜（11）对混频光（10）和级联光（12）部分透射，第六反射镜（16）、第七反射镜（17）、第八反射镜（21）对混频光（10）和级联光（12）全反射。