CN112670799B - 一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，第n‑1级联光C_n‑1入射到第n块APPLN晶体APPLN_n中，经级联光学差频产生第n级联光C_n和n倍频太赫兹波T_n，n倍频太赫兹波T_n经第n抛物面镜M_n反射输出，第n级联光C_n通过第n抛物面镜M_n进入下一块APPLN晶体。通过设置APPLN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。

Description

一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及基于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

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）生物医学技术领域

由于THz波段的“指纹”特性使得与介质相互作用时包含丰富的物理和化学信息，而低能性保证其可以应用于生物医学成像等领域。由于THz光源由不同的复合偏振的光波组成，可以通过不同的偏振光对介质进行采集信息以获得病理组织更确切的诊断信息，因此THz波对癌症的临床诊断和治疗具有重大作用。

（3）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。

（4）通信领域

THz波带宽较宽、方向性好、传输速率高，所以在空间高速通信和雷达的应用中具有很大的潜力，具有军民结合、均衡协同发展的应用前景。由于THz波对水分子较为敏感，所以在大气中传输可以实现保密通讯。而相比于可见光和红外线，THz波由于波长长具有更好的方向性，使得其能够在云雾中以极高的带宽实现空间通信。

（5）国土安全领域

THz 波方向性好，波束窄，具有较强的云层、烟雾穿透能力，在军事应用中，导弹末端精确制导采用 THz 波进行修正提高制导精准度，具有极高的军事应用价值。

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差频的多频太赫兹辐射源，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：一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源，包括第一泵浦源和第二泵浦源，极化周期分布不同的第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂……第n块APPLN晶体APPLN_n，第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂……第n抛物面镜M_n，合束镜，相位延时系统；

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时系统进入合束镜；第一泵浦光与第二泵浦光在合束镜中合为一束混频光；

混频光入射到第一块APPLN晶体APPLN₁中，经级联光学差频效应产生了第一级联光C₁和一倍频太赫兹波T₁；一倍频太赫兹波T₁经第一抛物面镜M₁反射输出，第一级联光C₁通过第一抛物面镜M₁进入第二块APPLN晶体APPLN₂中经级联光学差频产生了第二级联光C₂和二倍频太赫兹波T₂；二倍频太赫兹波T₂经第二抛物面镜M₂反射输出，第二级联光C₂通过第二抛物面镜M₂进入第三块APPLN晶体APPLN₃中，同样经过级联光学差频效应产生第三级联光C₃和三倍频太赫兹波(T₃)，以此类推，第n-1级联光C_n-1入射到第n块APPLN晶体APPLN_n中，经级联光学差频产生第n级联光C_n和n倍频太赫兹波T_n，n倍频太赫兹波T_n经第n抛物面镜M_n反射输出，第n级联光C_n通过第n抛物面镜M_n进入下一块APPLN晶体；

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轴正向，混频光的传播方向为X轴的正向，所有级联光的传播方向为X轴正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴负向。

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Nd:YAG脉冲激光器，第二泵浦源采用Nd:YAG脉冲激光器，两个泵浦源出射的泵浦光的偏振方向均为Z轴。

相位延时系统由第一反射镜、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时系统进入合束镜。

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。

所述第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂、……第n块APPLN晶体APPLN_n均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴；所述第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂、……第n块APPLN晶体APPLN_n的极化周期分布不同。

所述第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂、……第n块APPLN晶体APPLN_n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。

所述的一倍频太赫兹波T₁、二倍频太赫兹波T₂、n倍频太赫兹波T_n的频率不同，二倍频太赫兹波T₂的频率是一倍频太赫兹波T₁频率的两倍，n倍频太赫兹波T_n的频率是一倍频太赫兹波T₁频率的n倍。

所述第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、……第n抛物面镜M_n中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

所述通过第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、……第n抛物面镜M_n的第一级联光C₁、第二级联光C₂、……第n级联光C_n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（T₁）的频率。

相对于现有技术，本发明提供的基于优化差频的多频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，可以同时得到多倍频的太赫兹波。

（2）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。

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，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，第二APPLN晶体的极化周期与级联光频率之间的关系。

图4是第三太赫兹波的频率为1.5THz时，第三APPLN晶体的极化周期与级联光频率之间的关系。

图5是第四太赫兹波的频率为2.0THz时，第四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，一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：包括第一泵浦源1和第二泵浦源3，极化周期分布不同的第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂……第n块APPLN晶体APPLN_n，第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂……第n抛物面镜M_n，合束镜9，相位延时系统。

从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2进入合束镜9。从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4经过相位延时系统进入合束镜9。第一泵浦光2与第二泵浦光4在合束镜9中合为一束混频光10。混频光10入射到第一块APPLN晶体APPLN₁中，经级联光学差频产生了第一级联光C₁和一倍频太赫兹波T₁。一倍频太赫兹波T₁经第一抛物面镜M₁反射输出，第一级联光C₁通过第一抛物面镜M₁进入第二块APPLN晶体APPLN₂中经级联光学差频产生了第二级联光C₂和二倍频太赫兹波T₂。二倍频太赫兹波T₂经第二抛物面镜M₂反射输出，第二级联光C₂通过第二抛物面镜M₂进入第三块APPLN晶体APPLN₃中，同样经过级联光学差频效应产生第三级联光C₃和三倍频太赫兹波(T₃)。以此类推，第n-1级联光C_n-1入射到第n块APPLN晶体APPLN_n中，经级联光学差频产生第n级联光C_n和n倍频太赫兹波T_n，n倍频太赫兹波T_n经第n抛物面镜M_n反射输出，第n级联光C_n通过第n抛物面镜M_n进入下一块APPLN晶体。

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3出射的第二泵浦光4的初始传播方向为Y轴正向，混频光10的传播方向为X轴的正向，所有级联光如第一级联光C₁、第二级联光C₂、……第n级联光C_n的传播方向为X轴正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴负向，如一倍频太赫兹波、二倍频太赫兹波、……n倍频太赫兹波。

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4的频率不同。

相位延时系统由第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7及第四反射镜8组成，从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4经过第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7及第四反射镜8组成的相位延时系统进入合束镜9。泵浦光通过相位延时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时系统。

所有APPLN晶体的极化周期分布不同，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。

所述的一倍频太赫兹波T₁、二倍频太赫兹波T₂、n倍频太赫兹波T_n的频率不同，二倍频太赫兹波T₂的频率是一倍频太赫兹波T₁频率的两倍，n倍频太赫兹波T_n的频率是一倍频太赫兹波T₁频率的n倍。

所述通过第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、……第n抛物面镜M_n的级联光如第一级联光C₁、第二级联光C₂、……第n级联光C_n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T₁的频率。

第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、第n抛物面镜M_n中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

本实施例中，第一泵浦源1采用Nd:YAG脉冲激光器，第一泵浦光2的频率为280THz，第二泵浦源3采用Nd:YAG脉冲激光器，第二泵浦光4的频率为279.5 THz。两个泵浦源重复频率均为10 Hz，单脉冲能量均为600 mJ，光束直径均为0.5 mm，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，第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂、第n块APPLN晶体APPLN_n均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴。所有APPLN晶体的尺寸均为X×Y×Z为50mm×4mm×1mm。如附图2所示，一倍频太赫兹波(T₁)频率为0.5 THz时，第一块APPLN晶体APPLN₁的极化周期变化由236.64 μm减少到233.83 μm,再增加到238.35 μm。如附图3所示，二倍频太赫兹波(T₂)频率为1.0 THz时，第二块APPLN晶体APPLN₂的极化周期变化由117.02μm减少到115.66μm,再增加到117.87μm。如附图4所示，三倍频太赫兹波(T₃)频率为1.5 THz时，第三块APPLN晶体APPLN₃的极化周期变化由76.60μm减少到75.73μm,再增加到77.17μm。如附图5所示，四倍频太赫兹波(T₄)频率为2.0 THz时，第四块APPLN晶体APPLN₄的极化周期变化由55.99μm减少到55.36μm,再增加到56.40μm。上述第一块APPLN晶体APPLN₁、第二块APPLN晶体APPLN₂、第3块APPLN晶体APPLN₃、第4块APPLN晶体APPLN₄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。APPLN晶体极化周期的变化沿每一块APPLN晶体长度方向，在晶体长度方向上，对于每一块APPLN晶体，级联光10入射每一块APPLN晶体平面时的晶体长度为0，沿X轴正向，APPLN晶体长度逐渐增加。

本实施例中，一倍频太赫兹波T₁的频率为0.5 THz、二倍频太赫兹波T₂的频率为1.0THz、n倍频太赫兹波T_n的频率为0.5×n THz。

本实施例中，第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、第n抛物面镜M_n中心开设的仅允许各阶级联光穿过的小孔直径为0.5mm。

本实施例中，通过第一抛物面镜M₁、第二抛物面镜M₂、……第n抛物面镜M_n的第一级联光C₁、第二级联光C₂、……第n级联光C_n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。

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实用新型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 (9)

1.一种基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：包括第一泵浦源（1）和第二泵浦源（3），极化周期分布不同的第一块APPLN晶体（APPLN₁）、第二块APPLN晶体（APPLN₂）……第n块APPLN晶体（APPLN_n），第一抛物面镜（M₁）、第二抛物面镜（M₂）……第n抛物面镜（M_n），合束镜（9），相位延时系统；

从第一泵浦源（1）出射的第一泵浦光（2）进入合束镜（9）；从第二泵浦源（3）出射的第二泵浦光（4）经过相位延时系统进入合束镜（9）；第一泵浦光（2）与第二泵浦光（4）在合束镜（9）中合为一束混频光（10）；

混频光（10）入射到第一块APPLN晶体（APPLN₁）中，经级联光学差频效应产生了第一级联光（C₁）和一倍频太赫兹波（T₁）；一倍频太赫兹波（T₁）经第一抛物面镜（M₁）反射输出，第一级联光（C₁）通过第一抛物面镜（M₁）进入第二块APPLN晶体（APPLN₂）中经级联光学差频产生了第二级联光（C₂）和二倍频太赫兹波（T₂）；二倍频太赫兹波（T₂）经第二抛物面镜（M₂）反射输出，第二级联光（C₂）通过第二抛物面镜（M₂）进入第三块APPLN晶体（APPLN₃）中，同样经过级联光学差频效应产生第三级联光（C₃）和三倍频太赫兹波(T₃)，以此类推，第n-1级联光（C_n-1）入射到第n块APPLN晶体（APPLN_n）中，经级联光学差频产生第n级联光（C_n）和n倍频太赫兹波（T_n），n倍频太赫兹波（T_n）经第n抛物面镜（M_n）反射输出，第n级联光（C_n）通过第n抛物面镜（M_n）进入下一块APPLN晶体；

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，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Y轴正向，混频光（10）的传播方向为X轴的正向，所有级联光的传播方向为X轴正向，所有太赫兹波的传播方向为Y轴负向。

2.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一泵浦源（1）采用Nd:YAG脉冲激光器，第二泵浦源（3）采用Nd:YAG脉冲激光器，两个泵浦源出射的泵浦光的偏振方向均为Z轴。

3.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：相位延时系统由第一反射镜（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）组成的相位延时系统进入合束镜（9）。

4.根据权利要求3所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，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所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一块APPLN晶体（APPLN₁）、第二块APPLN晶体（APPLN₂）、……第n块APPLN晶体（APPLN_n）均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体光轴沿Z轴；所述第一块APPLN晶体（APPLN₁）、第二块APPLN晶体（APPLN₂）、……第n块APPLN晶体（APPLN_n）的极化周期分布不同。

6.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一块APPLN晶体（APPLN₁）、第二块APPLN晶体（APPLN₂）、……第n块APPLN晶体（APPLN_n）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。

7.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述的一倍频太赫兹波（T₁）、二倍频太赫兹波（T₂）、n倍频太赫兹波（T_n）的频率不同，二倍频太赫兹波（T₂）的频率是一倍频太赫兹波（T₁）频率的两倍，n倍频太赫兹波（T_n）的频率是一倍频太赫兹波（T₁）频率的n倍。

8.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述第一抛物面镜（M₁）、第二抛物面镜（M₂）、……第n抛物面镜（M_n）中心开设仅允许各阶级联光穿过的小孔。

9.根据权利要求1所述的基于优化差频的多频太赫兹辐射源，其特征在于：所述通过第一抛物面镜（M₁）、第二抛物面镜（M₂）、……第n抛物面镜（M_n）的第一级联光（C₁）、第二级联光(C₂)、……第n级联光(C_n)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（T₁）的频率。

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