CN1747260A - 非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置 - Google Patents

非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，属于产生太赫兹波源的技术。所述的装置包括泵浦源，光学耦合透镜组，输入镜，输出镜，非线性晶体C2及其温控炉，其特征在于在输入镜和输出镜之间设置了铌酸锂的非周期极化晶体C1及其温控炉，温控炉工作温度100℃～200℃，且在泵浦光λp＝波长1064nm时，该非周期极化晶体以λ1＝1500nm和λ2＝1510nm的两个信号光入射非线性晶体C2，在非线性晶体C2的端面镀1450nm～1550nm的增透膜，极化周期为35μm，α＝23°，非线性晶体C2的温控炉的工作温度为100℃～200℃条件下，则由非线性晶体C2差频产生频率范围为1.19THz～1.45THz太赫兹波。本发明的优点在于，装置易于组建，产生的太赫兹无阈值。而且转换效率高，便于光路调节。

Description

非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置
技术领域
本发明涉及一种非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，属于产生太赫兹波源的技术。
背景技术
太赫兹(太赫兹，1THz＝1012Hz)频段是指频率从0.3THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁辐射区域。这是一个非常具有科学价值但尚未开发的电磁辐射区域。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙，也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。
近年来太赫兹技术之所以引起人们的广泛关注，是因为它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、卫星通信和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
由于太赫兹电磁波的上述重大应用前景，目前国际上已有多个课题组开展了太赫兹领域的科学研究工作。
截止到2002年，在美国，Jefferson试验室实现了大功率太赫兹光源。伦斯勒理工学院太赫兹研究中心实现了T-射线层析成像术，T-射线用于生化样品识别和成像。在美国的其他实验室开始了非线性太赫兹光谱分析学的研究，太赫兹波量子光学和量子计算等。意大利和英国实现了全固态太赫兹激光器。在美国和欧洲，也已实现太赫兹波的医学应用。在德国，实现了太赫兹共振结构用于无标记DNA识别。日本则提出了在强磁场下利用半导体产生太赫兹射线的物理机制。
获得太赫兹波的方法虽然很多，原理也各异，但利用非线性差频(DFG)过程是其中的一种重要手段，它的最大优点是没有阈值，且试验设备很容易搭建，容易实现差频转换，其关键是要获得波长相近的泵浦光和信号光，有如下几种常用的方法：
(1)双波长输出Ti：Al2O3激光器；(2)工作在简并点附近的光学参量振荡器；(3)利用双非线性晶体实现双信号光运转的光学参量振荡器；(4)利用双重周期极化晶体实现双信号光运转的光学参量振荡器。
上述方法转换效率低，光学系统复杂，不便于光路调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，该装置易于组建，产生的太赫兹无阈值。
本发明是通过一下技术方案加以实现的。一种以非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，太赫兹波的频率范围为1.19THz～1.45THz，该装置包括泵浦源1，光学耦合透镜组2、7，输入镜3，输出镜6，非线性晶体C28及其温控炉9，其中泵浦源包括半导体激光器1-1，光学耦合透镜组1-2，Nd：YAG晶体1-3，声光Q开关1-4，小孔光1-5栏，输出耦合镜1-6。其特征在于，装置还包括，在输入镜3和输出镜6之间设置了铌酸锂的晶体尺寸为30mm×5mm×1mm、单个电畴宽度L＝10μm的非周期极化晶体C14及其温控炉5，温控炉5工作温度100℃～200℃，且在泵浦光λp＝波长1064nm时，该非周期极化晶体以λ1＝1500nm和λ2＝1510nm的两个信号光入射非线性晶体C2(8)，在非线性晶体C2的端面镀1450nm～1550nm的增透膜，极化周期为35μm，α＝23°，非线性晶体C2的温控炉(9)的工作温度为100℃～200℃，则由非线性晶体C2差频产生频率范围为1.19THz～1.45THz太赫兹波。
本发明的优点在于，装置易于组建，产生的太赫兹无阈值。而且转换效率高，便于光路调节。
附图说明
图1为一段非周期极化晶体的结构图；图2为本发明的装置结构示意图；图3为图2中1泵浦的结构示意图；图4为倾斜周期的非线性晶体结构及产生太赫兹波的原理图。
图中：1为泵浦源，2为光学耦合透镜组，3为输入镜，4为非周期极化晶体C1，5为温控炉，6为输出镜，7为光学耦合透镜组，8为非线性晶体C2，9为温控炉，1-1为LD泵浦源，1-2为耦合透镜组，1-3为Nd:YAG晶体，1-4为声光Q开关，1-5为小孔光栏，1-6为输出耦合镜。
具体实施方式
下面具体介绍一下各光学器件的参数。半导体激光器1-1在25℃时中心波长808nm，谱线宽度为2.5nm，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22，自带温度控制和冷却系统。光学耦合透镜组1-2把光纤输出的808nm泵浦光耦合进Nd:YAG晶体，要求聚焦光斑直径大小＜1mm，焦深＞10mm，损耗＜10％。激光腔采用结构简单的平-平腔结构，半导体激光器输出的808nm光经过耦合系统1-2后泵浦Nd:YAG晶体1-3，晶体前端面镀808nm高透、1064nm全反膜，做为输入镜，输出端镀808nm、1064nm增透膜，Nd:YAG晶体尺寸为3mm×3mm×5mm，掺杂浓度为0.5atm％，晶体采用恒温水循环器将温度控制在22.5℃。为了提高峰值功率，我们加入声光Q开关1-4，实现准连续1064nm输出。重复频率1-19KHz可调。为了提高光束质量，加入了小孔光栏1-5限束，但使得阈值提高，输出功率有所降低。输出耦合镜1-6对1064nm的透过率为10％，腔长约为95mm。
1064nm光经过耦合系统2后，聚焦在到非周期极化晶体C1的中心位置，光斑半径约为100μm。OPO腔由一平面输入耦合镜3和一曲率半径为100mm的平凹输出耦合镜6组成。腔长约为90mm，输入耦合镜3对1064nm波长的光95％高透，对双信号光＞99％高反，输出耦合镜[6对双信号光12％透过，对泵浦光80％透射。它们对闲频光(3-4μm)都是高吸收，这样OPO对信号光单谐振。
非周期极化晶体C1两端镀有对1064nm和1450nm～1550nm的增透膜。由于LiNbO3晶体的光损伤阈值与温度有关，温度升高光损伤阈值也明显升高。所以，为避免晶体光折变损伤，我们把晶体C1装在温控炉5里，工作范围为室温到200℃，加热到137℃平均需要12分钟。温度控制器工作电压为85～235VAC，正常工作的环境温度可以从-10℃～55℃。采用pt100作为温度传感器，温度控制精度高于±0.1℃。把由6输出的双信号光经过耦合系统7后聚焦在第二块非线性晶体C28的中心位置。一般的非线性晶体对THz的吸收比较强，所以非线性晶体我们选择倾斜周期的周期极化晶体，这样可以获得侧向辐射太赫兹波，并利用辐射热探测器进行THz探测。非线性晶体C28的晶体端面镀1450nm～1550nm的增透膜，极化周期为35μm，α＝23°。非线性晶体C2放在温控炉9中，通过改变晶体C2的温度，来实现不同入射波长条件下的相位匹配。在100℃～200℃范围内改变非周期极化晶体温度，可获得光学参量振荡器双信号光的波长调谐范围为1491.3nm(1500.2nm)～1519.4nm(1530.7nm)。将此双信号光入射到倾斜周期的非线性晶体C2上，再通过调节C2的温度，差频产生太赫兹波的频率范围为1.19THz～1.45THz。

Claims (1)

1.一种以非周期极化晶体双波长光学参量振荡器产生太赫兹的装置，所述的太赫兹波的频率为1.19THz～1.45THz，该装置包括泵浦源(1)，光学耦合透镜组(2)、(7)，输入镜(3)，输出镜(6)，非线性晶体C2(8)及其温控炉(9)，其中泵浦源包括半导体激光器(1-1)，光学耦合透镜组(1-2)，Nd:YAG晶体(1-3)，声光Q开关(1-4)，小孔光(1-5)栏，输出耦合镜(1-6)，其特征在于，装置还包括，在输入镜(3)和输出镜(6)之间设置了铌酸锂的晶体尺寸为30mm×5mm×1mm、单个电畴宽度L＝10μm的非周期极化晶体C1(4)及其温控炉(5)，温控炉(5)工作温度100℃～200℃，且在泵浦光λp＝波长1064nm时，该非周期极化晶体以λ1＝1500nm和λ2＝1510nm的两个信号光入射非线性晶体C2(8)，在非线性晶体C2的端面镀1450nm～1550nm的增透膜，极化周期为35μm，α＝23°，非线性晶体C2的温控炉(9)的工作温度为100℃～200℃，则由非线性晶体C2差频产生频率范围为1.19THz～1.45THz太赫兹波。
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