CN114142325B - 一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，包含了飞秒脉冲激光源、波前倾斜系统、碳化硅晶片和耦合输出端四个部分。飞秒脉冲激光源部分，包含飞秒激光器和平面反射镜，波前倾斜系统部分，包含反射光栅、二分之一波片以及望远镜成像透镜组，飞秒激光经过波前倾斜系统后正入射至碳化硅晶片，在晶片内以光整流的形式产生太赫兹脉冲辐射，太赫兹脉冲辐射通过耦合输出端的三角形棱柱硅棱镜耦合输出。其中，碳化硅晶片厚度为0.5～6mm，晶片内部脉冲的波前倾斜角在31.5～38度，三角形棱柱硅棱镜的三个柱面经过光学抛光处理，其太赫兹输出面的切割角度为31～32度，其输入面通过光学接触的方法完全覆盖并贴合于碳化硅晶片的输出面。

Description

一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源
技术领域
本发明属于非线性光学频率变换技术领域，具体涉及一种基于光整流效应，利用飞秒激光的倾斜脉冲波前泵浦(TPFP)不同厚度的碳化硅晶片，以实现瞬时宽带或高效窄带的太赫兹脉冲辐射，并通过改变波前倾斜角实现太赫兹中心频率的宽带调谐，通过采用三角形棱柱硅棱镜实现有效滤波和耦合输出的技术方案。
背景技术
基于光整流效应，利用飞秒激光泵浦非线性光学晶体产生太赫兹辐射脉冲，是高效产生太赫兹辐射的传统方式(吴晓君,郭丰玮,马景龙,等.基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源[J].中国激光,2019,46(6):0614008)。作为光整流的核心要素之一，非线性光学晶体的性质直接影响了太赫兹辐射的转换效率，输出能量和频带宽度等特性。碲化锌晶体具有合适的相位匹配，较高的非线性系数以及在太赫兹低频部分较低的吸收系数等特性，常用于光整流的发射端和光电采样的探测端，然而，其对太赫兹中高频段具有较强的吸收作用，并且光损伤阈值较低，不能采用高功率密度光源泵浦进一步提高转换效率(Tomasino A,Parisi A,Stivala S,et al.Wideband THz time domain spectroscopybased on optical rectification and electro-optic sampling[J].ScientificReports,2013,3:3116)；DAST作为常见的太赫兹有机晶体，具有宽带相位匹配和高非线性系数的优势，在光整流产生高效宽带太赫兹辐射方面具有重要的应用价值，但其限制于较难的生长工艺，以及易潮解等不稳定性因素，很难得到鲁棒性良好的可靠的光整流太赫兹光源(Schneider A,Neis M,Stillhart M,et al.Generation of terahertz pulsesthrough optical rectification in organic DAST crystals:theory and experiment[J].Journal of the Optical Society of America B,2006,23(9):1822–1835)；近年来，得益于倾斜波前技术，发展了基于铌酸锂体块晶体的高能量光整流太赫兹源，其原理为当泵浦脉冲的波前倾斜角在晶体内部约为63°时满足相位匹配条件，从而以光整流的形式级联差频产生太赫兹辐射，由于铌酸锂晶体具有很高的非线性系数和较高的光损伤阈值，故获得了高转换效率和高能量输出的光整流太赫兹源，然而，由于相位匹配以及吸收特性的限制，光整流产生的太赫兹辐射主要还是在2THz以内(Zhang B,Ma Z,Ma J,et al.1.4-mJhigh energy terahertz radiation from lithium niobates[J].Laser&PhotonicsReviews,2021,15:2000295)以及14.6THz单频点(Jang D,Sung J H,Lee S K,etal.Generation of 0.7mJ multicycle 15THz radiation by phase-matched opticalrectification in lithium niobate[J].Optics Letters,45(13):3617–3620)，并且通常需要将铌酸锂晶体置于液氮低温的条件，以减少对太赫兹辐射的吸收作用。
碳化硅晶体具有200多种同质多形体，其中最常用的是4H-SiC，6H-SiC和3C-SiC，同时，作为第三代半导体材料，碳化硅晶体常被用于各种半导体应用领域，其在禁带宽度，载流子饱和迁移率，热导率，临界击穿场强，抗辐射能力等性质方面均具有优异表现(肖龙飞,徐现刚.宽禁带碳化硅单晶衬底及器件研究进展[J].强激光与粒子数,2019,31(4):040003)；在光学性质方面，碳化硅晶体具有极高的光损伤阈值以及宽波段透明的特性，加之作为具有6mm点群结构的正单轴晶体，4H-SiC和6H-SiC近年来被发掘在非线性光学频率变换领域具有极大的潜力和重要的开发价值(Fan H,Xu C,Wang Z,et al.Generation ofbroadband 17-μJmid-infrared femtosecond pulses at 3.75μm by silicon carbidecrystal[J].Optics Letters,2014,39(21):6249–6252)(Fischer M P,J Bühler,FitzkyG,et al.Coherent field transients below 15THz from phase-matched differencefrequency generation in 4H-SiC[J].Optics Letters,2017,42(14):2687–2690)(Strait J H,George P A,Dawlaty J,et al.Emission of terahertz radiation fromSiC[J].Applied Physics Letters,2009,95:051912)。
发明内容
本发明的目的是为了实现瞬时宽带或高效窄带的宽频调谐的光整流强场太赫兹源，利用倾斜波前技术，在碳化硅晶片中满足相位匹配条件以实现高效的光整流效应；通过选择不同厚度的碳化硅晶片实现瞬时宽带或高效窄带的太赫兹频谱，其瞬时带宽达8THz以上，通过调谐波前倾斜角度实现太赫兹辐射中心频率的宽频调谐，其频率调谐范围在14THz以内；通过采用特殊角度切割的三角形棱柱硅棱镜将碳化硅晶片中光整流产生的太赫兹脉冲辐射有效地耦合输出，而对脉冲激光起到滤波作用。碳化硅晶片在相位匹配，光损伤阈值和透光范围等方面的优异性，保证了光整流产生太赫兹辐射的高效性和宽带性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，包括依次设置的飞秒激光器、平面反射镜、反射光栅、二分之一波片、望远镜成像透镜组、碳化硅晶片和三角形棱柱硅棱镜；所述飞秒激光器发出的飞秒泵浦激光经过所述平面反射镜反射后，由所述反射光栅衍射形成倾斜波前脉冲激光，通过所述二分之一波片控制倾斜波前脉冲激光的偏振态，再经过望远镜成像透镜组将所述反射光栅上的光斑缩束并成像到所述碳化硅晶片中，并在所述碳化硅晶片中以光整流的形式在垂直于波前面的方向产生太赫兹脉冲辐射，其中，碳化硅晶片内部的脉冲波前倾斜角在31.5～38度连续可调，晶片厚度为0.5～6mm，碳化硅晶片内部太赫兹辐射的中心频率受波前倾斜角灵活调控，调谐范围在14THz以内，碳化硅晶片内部太赫兹辐射的瞬时带宽由脉冲宽度、晶片厚度和中心频率共同决定，最宽达8THz以上，最窄为0.7THz；所述三角形棱柱硅棱镜在输出端用于滤波和耦合输出，三角形棱柱硅棱镜内部的太赫兹折射率与碳化硅晶片内部的太赫兹折射率相近，所述三角形棱柱硅棱镜太赫兹输出面的角度成31～32度，三角形棱柱硅棱镜的输入面用光学接触的方法完全覆盖贴合在所述碳化硅晶片的输出面，最终，太赫兹辐射从所述碳化硅晶片有效耦合至所述三角形棱柱硅棱镜后，在所述三角形棱柱硅棱镜的输出面上接近垂直地出射，而剩余脉冲激光从所述碳化硅晶片垂直入射至所述三角形棱柱硅棱镜后能量被硅材料吸收。
进一步的，所述飞秒激光器发出的脉冲激光的中心波长λ0为800nm，脉冲宽度为30～200fs，偏振状态为线偏振，传播方向平行于系统光轴方向。
进一步的，所述平面反射镜对中心波长λ0为800nm的脉冲激光在15°-35°入射角的情况下具有高的反射率，且平面反射镜固定于电控旋转平台和电控一维位移平台上，能够实现中心轴大于20°的角度旋转，以及沿脉冲激光传播路径的一维水平位移，以提供在所述反射光栅上具有不同方向且相同光斑位置的入射光束。
进一步的，所述反射光栅为光栅刻线N＝600线/mm的闪耀光栅，其闪耀波长为800nm；根据闪耀光栅衍射方程，sinθi+sinθd＝mNλ0，其中，θi为反射光栅的入射角，θd为反射光栅的衍射角，m为衍射级次，且m＝1，当θi为2.52～15.3度、入射激光在反射光栅的法线左侧时，对应的衍射角θd为31.6～48.1度，衍射激光在所述反射光栅的法线右侧；为保证衍射后的激光传播方向沿着系统光轴方向，所述反射光栅的旋转中心固定于电控旋转平台上，能够实现大于20°的角度旋转；根据闪耀光栅的倾角公式，tanγ＝mMλ0/cosθd，脉冲激光经过所述反射光栅衍射后，在自由空间中的波前倾斜角γ为29.4～35.7度，且倾斜方向向上，该波前倾斜角的角度调谐是通过转动所述反射光栅和脉冲激光在所述反射光栅上的入射角实现的。
进一步的，所述二分之一波片适用的中心波长为800nm，通过旋转调节所述二分之一波片能够控制脉冲激光的偏振状态。
进一步的，所述望远镜成像透镜组由两个焦距分别为f1和f2的凸透镜组成，两凸透镜均对中心波长800nm的激光高透，并相距f1+f2距离摆放；所述望远镜成像透镜组的缩放倍率为M0＝f1/f2，能够将所述反射光栅上的光斑缩放并成像到所述碳化硅晶片中，其中，左侧凸透镜位于距离所述反射光栅右侧f1处，右侧凸透镜位于距离所述碳化硅晶片左侧f2处，两凸透镜的焦距分别为f1＝150mm和f2＝50mm，缩放倍率M0＝3，该缩放倍率能够增大脉冲激光的光功率密度，提高光整流的转换效率和能量；根据tanγ1＝M0tanγ，得到通过所述望远镜成像透镜组后的波前倾斜角γ1为59.4～65.1度，且倾斜方向向下。
进一步的，所述碳化硅晶片为厚度0.5～6mm的圆形4H-SiC单晶晶片，其晶体光轴在晶片平面内；经过所述望远镜成像透镜组的脉冲激光垂直入射所述碳化硅晶片平面，脉冲激光的光斑成像于所述碳化硅晶片内部，根据tanγc＝tanγ1/ng，其中，ng是脉冲激光在所述碳化硅晶片中的群折射率，得到晶体内部的波前倾斜角γc为31.5～38度；4H-SiC单晶在光学波段0.40～2.33μm和远红外波段17～150μm的色散方程分别为：
Figure BDA0003378515300000041
Figure BDA0003378515300000042
其中，λ为波长，单位μm；通过旋转调谐所述二分之一波片使得脉冲激光的光电场偏振方向平行于所述碳化硅晶片光轴，从而满足e-e→e类的相位匹配条件ng＝nTHzcosγc，其中，nTHz是太赫兹波在所述碳化硅晶片中的折射率，有效非线性系数deff为-11.7pm/V，根据Miller规则推算出太赫兹波段的二阶非线性极化率为50.6pm/V；当脉冲激光中满足相位匹配条件的频率分量发生非线性光学差频作用时，产生和脉冲激光偏振状态相同，传播方向垂直于脉冲激光倾斜波前面的太赫兹辐射；当所述碳化硅晶片内部的脉冲倾斜角度γc＝31.5°，33°和38°时，在所述碳化硅晶片厚度为0.5mm的情况下，光整流产生的太赫兹辐射的中心频率分别为5.83THz，8.50THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.95THz，2～10.66THz和11.90～15.98THz，最宽频率范围达8THz以上；在所述碳化硅晶片厚度为6mm的情况下，太赫兹辐射的中心频率分别为7.50THz，9.67THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.83THz，7.33～10.83THz和13.80～14.50THz，最窄频率范围仅0.7THz，且低频太赫兹辐射的频率范围比高频太赫兹辐射的频率范围宽；故采用0.5mm薄晶片能够实现瞬时宽带太赫兹辐射，带宽最宽可达8THz以上，采用6mm厚晶片能够实现宽调谐的高效窄带太赫兹辐射，调谐范围在14THz以内。
进一步的，所述三角形棱柱硅棱镜的三个柱面经过光学抛光处理；太赫兹波在所述碳化硅晶片中的折射率在3.24附近，而在所述三角形棱柱硅棱镜中的折射率在3.4附近，两者折射率相近，能够有效地将生成的太赫兹波从所述碳化硅晶片中耦合至所述三角形棱柱硅棱镜中；此外，脉冲激光在所述碳化硅晶片中的折射率为2.64，在三角形棱柱硅棱镜中的折射率为3.7，太赫兹辐射和脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜输出面上的全反射临界角θT和θP1分别约为17.1°和15.7°，脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜与所述碳化硅晶片界面上的全反射临界角θP2为45.5°，三角形棱柱硅棱镜出射面的切割角度γcut能够保证在波前倾斜角度调谐过程中，生成的太赫兹辐射在所述三角形棱柱硅棱镜出射面不发生全反射，并且接近垂直地出射，而脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜内发生全反射并被硅材料吸收，起到了滤波的效果。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明利用飞秒激光的倾斜脉冲波前泵浦技术(TPFP)，在4H-SiC单晶中发生光整流效应，通过合理设计波前倾斜角，实现太赫兹辐射中心频率的连续宽带调谐，通过更换不同厚度的碳化硅晶片，实现瞬时宽带或高效窄带的太赫兹辐射产生，最后，通过三角形棱柱硅棱镜将太赫兹辐射有效地耦合输出。由于碳化硅晶片具有极高的光损伤阈值，热导率和宽的禁带宽度，该方案实现的光整流太赫兹源可采用高强度泵浦源，在突破光整流产生太赫兹辐射的转换效率和输出能量方面，具有巨大潜力；由于碳化硅晶片的TPFP光整流的相位匹配特性优良，且碳化硅晶片在光波段和太赫兹波段具有很低的吸收系数，该方案实现的光整流太赫兹源在采用不同厚度的碳化硅晶片下对应不同瞬时带宽的太赫兹辐射输出，薄的晶片展现的是宽达8THz以上的瞬时宽带性，厚的晶片展现的是高效窄带性，且通过调谐晶体内部的脉冲倾斜角度实现太赫兹辐射中心频率14THz以内的宽频调谐；另外，该方案实现的光整流太赫兹源还具有室温工作、波前倾斜角度较小和群速度色散-角度色散量小的优势，有望应用于超强太赫兹源，太赫兹时域光谱仪等应用领域，以及强场太赫兹非线性光学，太赫兹生物学效应和凝聚态物理等学科领域。
2.本发明通过切换不同厚度的碳化硅晶片，可实现瞬时宽带或高效窄带的太赫兹辐射源，其最大瞬时带宽达8THz以上，并且通过改变脉冲激光在晶体内部的波前倾斜角，可实现中心频率14THz以内的宽频调谐。相比于基于其它无机非线性光学晶体的光整流太赫兹源，例如碲化锌、铌酸锂晶体等，基于碳化硅晶片的光整流太赫兹源，无论是瞬时带宽还是频率调谐范围都要宽很多。
3.本发明所应用的碳化硅晶体具有极高的光损伤阈值和热导率，且在光脉冲波段和太赫兹波段均具有极低的吸收作用，故较之目前光整流所用到的所有其它非线性光学晶体，基于碳化硅晶片的光整流太赫兹源更适合采用高功率密度的激光泵浦，从而弥补碳化硅晶片非线性系数较低的缺点，极大提升太赫兹辐射的转换效率和输出能量，在超强太赫兹源系统的开发方面具有巨大潜力，并且，碳化硅不需要低温制冷抑制太赫兹波段的吸收，因此具有极大的便利性。
4.本发明所应用的碳化硅晶体具有宽的禁带宽度，相比于碲化锌和砷化镓等非线性光学晶体，基于碳化硅晶片的光整流太赫兹源在强光泵浦时，可有效抑制双光子吸收和多光子吸收效应。
5.本发明相比于基于铌酸锂晶体的倾斜波前光整流太赫兹源，所涉及的波前倾斜角要小一倍，实现难度在很大程度上有所降低，并且脉冲激光经过反射光栅后，在碳化硅晶体中的群速度色散-角度色散(GVD-AD)量约为铌酸锂晶体光整流方案的十分之一，从而有效缓解在晶体中由于光谱展宽带来的GVD-AD致相位失配的加剧作用。
6.本发明通过采用特殊角度切割的三角形棱柱硅棱镜，将碳化硅晶片中光整流产生的太赫兹脉冲辐射有效地耦合输出，并对脉冲激光起到了滤波作用。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于碳化硅晶片光整流的宽带强场太赫兹源的装置结构示意图；
图2为本发明提供的基于反射光栅法的波前倾斜的示意图；
图3为本发明提供的碳化硅晶片中倾斜波前光整流的相位匹配和耦合输出的实现方式的示意图。
图4a和图4b为本发明提供的不同波前倾斜角下的太赫兹辐射的频谱图。
附图标记：1-飞秒激光器，2-平面反射镜，3-反射光栅，4-二分之一波片，5-望远镜成像透镜组，6-碳化硅晶片，7-三角形棱柱硅棱镜
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明
如图1所示，飞秒激光器1发出中心波长λ0为800nm，脉冲宽度为30～200fs，偏振状态为线偏振的飞秒脉冲激光，该脉冲激光通过平面反射镜2反射后入射至反射光栅3中心处；经过衍射作用后，其脉冲波前发生倾斜，并沿着系统光轴方向传播；接着，通过旋转二分之一波片4调控脉冲激光的偏振状态；接着，脉冲激光入射至望远镜成像透镜组5，两凸透镜的焦距分别为f1＝150mm，f2＝50mm，两者相距f1+f2摆放，左侧凸透镜置于反射光栅3右侧f1处，右侧凸透镜置于碳化硅晶片6左侧f2处，反射光栅3、二分之一波片4、望远镜成像透镜组5和碳化硅晶片6置于系统光轴上，望远镜成像透镜组5可将反射光栅3上的光斑缩束并成像于碳化硅晶片6中，以提高泵浦光束的光功率密度，增大光整流过程的转换效率；倾斜波前的脉冲激光在碳化硅晶片6中满足相位匹配条件，发生光整流作用，并沿着垂直于倾斜波前面的方向产生太赫兹辐射；最后，产生的太赫兹辐射通过三角形棱柱硅棱镜7有效地耦合输出。
如图2所示，反射光栅3为光栅刻线600线/mm的闪耀光栅，其闪耀波长为800nm，脉冲激光的入射角θi可通过转动、平移平面反射镜2和转动反射光栅3角度θg实现调谐；根据光栅方程sinθi+sinθd＝mNλ0，当入射角θi在2.52～15.3度(入射激光在反射光栅3的法线左侧)调谐时，衍射级次为1级的衍射角θd为31.6～48.1度(衍射激光在反射光栅3的法线右侧)。衍射后脉冲激光的传播方向沿着系统光轴方向，且脉冲波前发生倾斜，倾斜角γ满足tanγ＝mNλ0/cosθd，故脉冲激光经过反射光栅3后，在自由空间中的波前倾斜角γ为29.4～35.7度，且倾斜方向向上。该波前倾斜角可通过转动反射光栅3以及脉冲激光在反射光栅3上的入射角进行调谐，从而实现光整流产生太赫兹辐射中心频率14THz以内的宽频调谐。
如图3所示，三角形棱柱硅棱镜7通过光学接触的方法完全覆盖于碳化硅晶片6出射面，其中，碳化硅晶片6为圆形4H-SiC单晶晶片，厚度为0.5～6mm，晶体光轴在晶片平面内。经过望远镜成像透镜组5后，脉冲激光垂直入射至晶体平面，其光斑成像于晶体内部；晶体内部脉冲激光的波前倾斜角γc在31.5～38度可调，脉冲激光的偏振状态由二分之一波片4调控；由于反射光栅3对脉冲激光的一阶角色散作用，脉冲激光中满足e-e→e类的相位匹配条件的各频率分量在碳化硅晶片6中发生差频作用，以光整流的形式在沿着垂直于倾斜波前面的方向上产生太赫兹辐射。相位匹配条件可简单表述为ng＝nTHzcosγc，其中，太赫兹折射率和脉冲激光群折射率的典型值为3.24和2.76。当晶体内部的脉冲倾斜角度γc＝31.5°，33°和38°时，在晶体厚度为0.5mm的情况下，光整流产生的太赫兹辐射的中心频率分别为5.83THz，8.50THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.95THz，2～10.66THz和11.90～15.98THz，最宽频率范围达8THz以上；在所述碳化硅晶片(6)厚度为6mm的情况下，太赫兹辐射的中心频率分别为7.50THz，9.67THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.83THz，7.33～10.83THz和13.80～14.50THz，最窄频率范围仅0.7THz，且低频太赫兹辐射的频率范围较高频太赫兹辐射的宽。故采用薄晶片可实现瞬时宽带太赫兹辐射，其带宽最宽可达8THz以上，采用较厚晶片可实现宽调谐的高效窄带太赫兹辐射，其调谐范围在14THz以内。三角形棱柱硅棱镜7在输出端起到了滤波和耦合输出的作用，其太赫兹辐射输出面的切割角度γcut在31～32度，其三个柱面经过光学抛光处理；太赫兹辐射和脉冲激光在三角形棱柱硅棱镜7的太赫兹辐射输出面上的全反射临界角θT和θP1分别约为17.1°和15.7°，而脉冲激光在三角形棱柱硅棱镜7和碳化硅晶片6相邻界面上的全反射临界角θp2＝45.5°，该切割角度可保证在频率调谐过程中，生成的太赫兹辐射在三角形棱柱硅棱镜7的出射面处接近垂直地出射，而脉冲激光在三角形棱柱硅棱镜7内部发生全反射，并由硅材料吸收而被滤除掉。
如图4a和图4b所示，展示了该技术方案在薄晶片(0.5mm)和厚晶片(6mm)两种情况下波前倾斜角度调谐的太赫兹辐射频谱，其中，飞秒激光的脉冲宽度为30～200fs。
综上，本发明提供了一种基于碳化硅晶片TPFP光整流产生宽带强场太赫兹辐射的技术方案，该技术方案既可以实现瞬时宽带的太赫兹辐射，又可以实现高效窄带的太赫兹辐射，并且通过改变波前倾斜角可实现对太赫兹辐射中心频率的宽频调谐，极大地拓宽了基于无机非线性光学晶体光整流的频谱宽度；同时，碳化硅晶片的高光损伤阈值，宽波段透明和高热导性等优良特性，保障了其在强泵浦下的高转换效率和输出能量；此外，该技术方案还具有室温工作、波前倾斜角度较小和群速度色散-角度色散量小的优势，有望应用于超强太赫兹源，太赫兹时域光谱仪等应用领域，以及强场太赫兹非线性光学，太赫兹生物学效应和凝聚态物理等学科领域。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，包括依次设置的飞秒激光器(1)、平面反射镜(2)、反射光栅(3)、二分之一波片(4)、望远镜成像透镜组(5)、碳化硅晶片(6)和三角形棱柱硅棱镜(7)；所述飞秒激光器(1)发出的飞秒泵浦激光经过所述平面反射镜(2)反射后，由所述反射光栅(3)衍射形成倾斜波前脉冲激光，通过所述二分之一波片(4)控制倾斜波前脉冲激光的偏振态，再经过望远镜成像透镜组(5)将所述反射光栅(3)上的光斑缩束并成像到所述碳化硅晶片(6)中，并在所述碳化硅晶片(6)中以光整流的形式在垂直于波前面的方向产生太赫兹脉冲辐射，其中，碳化硅晶片(6)内部的脉冲波前倾斜角在31.5～38度连续可调，晶片厚度为0.5～6mm，碳化硅晶片(6)内部太赫兹辐射的中心频率受波前倾斜角灵活调控，调谐范围在14THz以内，碳化硅晶片(6)内部太赫兹辐射的瞬时带宽由脉冲宽度、晶片厚度和中心频率共同决定，最宽达8THz以上，最窄为0.7THz；所述三角形棱柱硅棱镜(7)在输出端用于滤波和耦合输出，三角形棱柱硅棱镜(7)内部的太赫兹折射率与碳化硅晶片(6)内部的太赫兹折射率相近，所述三角形棱柱硅棱镜(7)太赫兹输出面的角度成31～32度，三角形棱柱硅棱镜(7)的输入面用光学接触的方法完全覆盖贴合在所述碳化硅晶片(6)的输出面，最终，太赫兹辐射从所述碳化硅晶片(6)有效耦合至所述三角形棱柱硅棱镜(7)后，在所述三角形棱柱硅棱镜(7)的输出面上接近垂直地出射，而剩余脉冲激光从所述碳化硅晶片(6)垂直入射至所述三角形棱柱硅棱镜(7)后能量被硅材料吸收。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述飞秒激光器(1)发出的脉冲激光的中心波长λ0为800nm，脉冲宽度为30～200fs，偏振状态为线偏振，脉冲激光的传播方向沿水平传播，并将其定义为系统光轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述平面反射镜(2)对中心波长λ0为800nm的脉冲激光在15°-35°入射角的情况下具有反射率R>99％，且平面反射镜(2)固定于电控旋转平台和电控一维位移平台上，能够实现中心轴大于20°的角度旋转，以及沿脉冲激光传播路径的一维水平位移，以提供在所述反射光栅(3)上具有不同方向且相同光斑位置的入射光束。
4.根据权利要求2所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述反射光栅(3)为光栅刻线N＝600线/mm的闪耀光栅，其闪耀波长为800nm；根据闪耀光栅衍射方程，sinθi+sinθd＝mNλ0，其中，λ0为飞秒激光器(1)发出的脉冲激光的中心波长，θi为反射光栅(3)的入射角，θd为反射光栅(3)的衍射角，m为衍射级次，且m＝1，当θi为2.52～15.3度、入射激光在反射光栅(3)的法线左侧时，对应的衍射角θd为31.6～48.1度，衍射激光在所述反射光栅的法线右侧；为保证衍射后的激光传播方向沿着系统光轴方向，所述反射光栅(3)的旋转中心固定于电控旋转平台上，能够实现大于20°的角度旋转；根据闪耀光栅的倾角公式，tanγ＝mNλ0/cosθd，脉冲激光经过所述反射光栅(3)衍射后，在自由空间中的波前倾斜角γ为29.4～35.7度，且倾斜方向向上，该波前倾斜角的角度调谐是通过转动所述反射光栅(3)和脉冲激光在所述反射光栅(3)上的入射角实现的。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述二分之一波片(4)适用的中心波长为800nm，通过旋转调节所述二分之一波片(4)能够控制脉冲激光的偏振状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述望远镜成像透镜组(5)由两个焦距分别为f1和f2的凸透镜组成，两凸透镜均对中心波长800nm的激光高透，并相距f1+f2距离摆放；所述望远镜成像透镜组(5)的缩放倍率为M0＝f1/f2，能够将所述反射光栅(3)上的光斑缩放并成像到所述碳化硅晶片(6)中，其中，左侧凸透镜位于距离所述反射光栅(3)右侧f1处，右侧凸透镜位于距离所述碳化硅晶片(6)左侧f2处，两凸透镜的焦距分别为f1＝150mm和f2＝50mm，缩放倍率M0＝3，该缩放倍率能够增大脉冲激光的光功率密度，提高光整流的转换效率和能量；根据tanγ1＝M0tanγ，其中，γ为经过所述反射光栅(3)衍射后的波前倾斜角，得到通过所述望远镜成像透镜组(5)后的波前倾斜角γ1为59.4～65.1度，且倾斜方向向下。
7.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述碳化硅晶片(6)为厚度0.5～6mm的圆形4H-SiC单晶晶片，其晶体光轴在晶片平面内；经过所述望远镜成像透镜组(5)的脉冲激光垂直入射所述碳化硅晶片(6)平面，脉冲激光的光斑成像于所述碳化硅晶片(6)内部，根据tanγc＝tanγ1/ng，其中，γ1为经过所述望远镜成像透镜组(5)后的波前倾斜角，ng是脉冲激光在所述碳化硅晶片(6)中的群折射率，得到晶体内部的波前倾斜角γc为31.5～38度；4H-SiC单晶在光学波段0.40～2.33μm和远红外波段17～150μm的色散方程分别为：
Figure FDA0003644567560000021
Figure FDA0003644567560000022
其中，λ为波长，单位μm；通过旋转调谐所述二分之一波片(4)使得脉冲激光的光电场偏振方向平行于所述碳化硅晶片(6)光轴，从而满足e-e→e类的相位匹配条件ng＝nTHzcosγc，其中，nTHz是太赫兹波在所述碳化硅晶片(6)中的折射率，有效非线性系数deff为-11.7pm/V，根据Miller规则推算出太赫兹波段的二阶非线性极化率为50.6pm/V；当脉冲激光中满足相位匹配条件的频率分量发生非线性光学差频作用时，产生和脉冲激光偏振状态相同，传播方向垂直于脉冲激光倾斜波前面的太赫兹辐射；当所述碳化硅晶片(6)内部的脉冲倾斜角度γc＝31.5°，33°和38°时，在所述碳化硅晶片(6)厚度为0.5mm的情况下，光整流产生的太赫兹辐射的中心频率分别为5.83THz，8.50THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.95THz，2～10.66THz和11.90～15.98THz，最宽频率范围达8THz以上；在所述碳化硅晶片(6)厚度为6mm的情况下，太赫兹辐射的中心频率分别为7.50THz，9.67THz和14.17THz，其频率范围分别为2～8.83THz，7.33～10.83THz和13.80～14.50THz，最窄频率范围仅0.7THz；故采用0.5mm薄晶片能够实现瞬时宽带太赫兹辐射，带宽最宽可达8THz以上，采用6mm厚晶片能够实现宽调谐的高效窄带太赫兹辐射，调谐范围在14THz以内。
8.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅单晶的宽带强场太赫兹源，其特征在于，所述三角形棱柱硅棱镜(7)的三个柱面经过光学抛光处理；太赫兹波在所述碳化硅晶片(6)中的折射率为3.24，而在所述三角形棱柱硅棱镜(7)中的折射率在为3.4，两者折射率差值小，能够有效地将生成的太赫兹波从所述碳化硅晶片(6)中耦合至所述三角形棱柱硅棱镜(7)中；此外，脉冲激光在所述碳化硅晶片(6)中的折射率为2.64，在三角形棱柱硅棱镜(7)中的折射率为3.7，太赫兹辐射和脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜(7)输出面上的全反射临界角θT和θP1分别约为17.1°和15.7°，脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜(7)与所述碳化硅晶片(6)界面上的全反射临界角θP2为45.5°，三角形棱柱硅棱镜出射面的切割角度γcut能够保证在波前倾斜角度调谐过程中，生成的太赫兹辐射在所述三角形棱柱硅棱镜(7)出射面接近垂直地出射，而脉冲激光在所述三角形棱柱硅棱镜(7)内发生全反射并被硅材料吸收，起到了滤波的效果。
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