CN200947525Y

CN200947525Y - 全固态可调谐窄带太赫兹波光源

Info

Publication number: CN200947525Y
Application number: CN 200620027434
Authority: CN
Inventors: 丁欣; 姚建铨; 邹雷; 邹跃; 温午麒
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2016-09-27

Abstract

本实用新型涉及一种是介于毫米波与红外光之间的电磁辐射区域－太赫兹光源，该光源，包括泵浦源，耦合系统和谐振腔。泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平－平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的开关器件(Q)、最初光学泵浦源、谐波反射镜和倍频晶体。耦合系统包括耦合透镜，用以将泵浦源产生的泵浦光耦合进谐振腔。谐振腔由第三、第四两个平面镜(M3，M4)和全反镜(M5)构成，在耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三第四两个平面镜(M3，M4)和钛宝石晶体之间设有棱镜，在钛宝石晶体和全反镜(M5)之间设置有PPLN差频晶体，用于发射太赫兹波。本实用新型提供的太赫兹波光源是一种全固态可调谐窄带太赫兹波光源，具有体积小，电光转换效率高，结构简单、输出功率高且稳定的优点。

Description

全固态可调谐窄带太赫兹波光源

技术领域

本实用新型涉及一种是介于毫米波与红外光之间的电磁辐射区域—太赫兹光源，属于一种全固态、双波长、宽范围可调谐、准连续激光光源。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz，1THz＝10¹²Hz)频段是指频率从十分之几到十几个太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。太赫兹频段是一个非常具有科学价值的电磁辐射区域。

太赫兹波的产生有光电导、光整流、自由电子激光器、非线性参量过程、差频等多种方法，其中利用差频过程获得THz波的最大优点是没有阈值，且设备很容易搭建，容易实现差频转换，这对于用纳秒激光脉冲泵浦参量发生器和振荡器，以获得THz电磁辐射是很重要的。采用差频过程，在纳秒激光脉冲泵浦的条件下，获得THz辐射是有着广泛发展空间和应用前景的。但是DFG的转换效率很低，其关键是要获得波长相近的泵浦光和信号光。

当今，利用非线性光学频率变换技术，获得两个波长相近的信号光是比较成熟和容易实现的方法，有如下几种常用的方法：(1)双波长同时输出的钛宝石激光器；(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两信号光运转的光学参量振荡器；(4)利用双周期或phased-reversed周期极化晶体实现两信号光运转的光学参量振荡器。其中，双波长同时输出的钛宝石激光器结构最为简单，而且调谐方便，增益大，是太赫兹波的理想差频光源。

近年来，随着准相位匹配技术的成熟，利用周期极化晶体(PPLN)的非线性光学频率变换效应获得THz波输出引起了人们的广泛关注。1998年，Yu Jie，J.Ding等人提出了利用参量振荡在PPLN中产生反向传播THz波的方案，并进行了理论分析；2000年，Y.-S.Lee等人利用宽带飞秒脉冲在PPLN中传播时与THz波间存在的群速度失配，产生反向传播THz波；2001年，C.Weiss等人报道了在圆盘PPLN上实现窄带、可调谐THz波的实验。最近的研究热点集中在利用波长相近的泵浦光和信号光在PPLN上的差频，实现垂直于PPI N表面发射的THz波。

由于物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波光源与传统光源相比，具有的优异、独特的性质(瞬态性、宽带性、相干性、低能性)，所以在物理、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安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信、武器制导和军用雷达等应用研究领域均有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种体积小，电光转换效率高，结构简单、输出功率高且稳定的全固态可调谐窄带太赫兹波光源。

本实用新型采用的技术方案是：一种全固态可调谐窄带太赫兹波光源，包括泵浦源，耦合系统和谐振腔。泵浦源包括由第一平面镜M1和第二平面镜M2构成的平—平腔结构，在第一平面镜M1和第二平面镜M2之间自第一平面镜M1开始依次设有对基频光进行调制的开关器件Q、最初光学泵浦源LD、谐波反射镜和倍频晶体，其中，第一平面镜M1镀1064nm高反膜，开关器件Q镀1064nm增透膜，谐波反射镜镀1064nm增透膜和532nm高反膜；耦合系统包括耦合透镜，用以将泵浦源产生的泵浦光耦合进谐振腔；谐振腔由分别镀700～900nm高反膜的第三、第四两个平面镜M3，M4和全反镜M5构成，在耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三第四两个平面镜M3，M4和钛宝石晶体之间设有棱镜，在钛宝石晶体和全反镜M5之间设置有PPLN差频晶体，用于发射太赫兹波。

作为优选方案，其中的最初光学泵浦源LD为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀基频光的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。

倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为5×5×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。

构成所述谐振腔的两个平面镜M3，M4各自的空间位置均可以调节。

作为太赫兹波差频光源的双波长运转全固态钛宝石激光器的结构紧凑、牢固耐用、调谐灵活、方便。而以准连续方式运转的激光器峰值功率高，在提高泵浦效率上具有明显的优势。钛宝石激光器是迄今为止输出光谱在红外和近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一。

利用PPLN产生THz波与其他利用非线性晶体的方案相比具有：(1)泵浦阈值低、输出功率大；(2)可以通过改变PPI N的极化周期或晶体温度实现频率的调谐；(3)光谱带宽窄等优点。因此，必将在产生THz波的发展方向上占据重要地位。

附图说明

图1为本实用新型的激光器的整体结构图。

具体实施方式

本实用新型的整体结构图如附图所示，M1是1064nm全反镜，M2是太赫兹波光源的532nm泵浦光输出镜，对1064nm光全反，对532nm光高透。M1，M2组成太赫兹波光源的绿光泵浦源，采用具有增益高、激光介质内部模体积大的传统直腔型平-平腔结构，整个谐振腔长定为330mm。采用中科院半导体所生产的高功率半导体阵列激光器作为最初光学泵浦源LD，为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，四组三条激光二极管条对称地排列在YAG棒周围，能够均匀地泵浦激活介质YAG棒。每组二极管条由100个功率为200mW的二极管组成，二极管连续工作，总的最大泵浦功率为240W。整个泵浦组件(包括激光二极管和YAG棒)由流动的冷却水提供冷却。激光介质的尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜。开关器件是由英国GOOCH公司生产的声光q开关，其中晶体为φ8×10×50mm的熔石英，驱动功率为100W，工作频率为27MHz，衍射效率为20％，其调制频率为1～50kHz，有效通光口径15×15mm，镀1064nm增透膜。谐波反射镜M6对1064nm光高透，对532nm光高反，以提高倍频转换效率。KTP晶体采用II类相位匹配角切割(θ＝90°，φ＝23.6°)，尺寸为6×6×10mm，两面镀532nm和1064nm的增透膜。

为了使532nm泵浦光与钛宝石振荡光模式更好的匹配，获得更高的功率密度，使用一个焦距为150mm的耦合透镜M7把泵浦光汇聚到钛宝石腔中，钛宝石晶体放在泵浦光光束的焦点处。钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。使钛宝石棒的中心轴线垂直于晶轴c，两通光端面以布儒斯特角切割，且使两通光表面的法线与晶轴c处于同一平面内。在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与c轴一致。采用平—平腔组成钛宝石激光的谐振腔，腔长约200mm，晶体大概放在腔的中心位置。M3、M4、M5均为全反镜，700～900nmHR。通过调整M3、M4全反镜的位置，实现可调谐的双波长同步产生。

非线性晶体PPLN作为太赫兹波的差频晶体置于双波长钛宝石激光腔内，这主要是为了利用腔内的高功率密度，提高差频转换效率。PPLN晶体固定在温控炉中，温控炉温度控制在150℃，避免晶体的光折变效应。最终利用钛宝石两个相近的激光波长在PPLN上的差频，实现垂直于PPLN表面发射的THz波。

Claims

1.一种全固态可调谐窄带太赫兹波光源，包括泵浦源，耦合系统和谐振腔，其特征是：

所述泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平-平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的开关器件(Q)、最初光学泵浦源、谐波反射镜和倍频晶体，其中，第一平面镜(M1)镀1064nm高反膜，开关器件(Q)镀1064nm增透膜，谐波反射镜镀1064nm增透膜和532nm高反膜；

所述耦合系统包括耦合透镜，用以将泵浦源产生的泵浦光耦合进谐振腔；

所述谐振腔由分别镀700～900nm高反膜的第三、第四两个平面镜(M3，M4)和全反镜(M5)构成，在上述耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三、第四两个平面镜(M3，M4)和钛宝石晶体之间设有棱镜，在钛宝石晶体和全反镜(M5)之间设置有PPLN差频晶体，用于发射太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波光源，其特征在于，所述最初光学泵浦源为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀基频光的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波光源，其特征在于，所述倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为5×5×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波光源，其特征在于，所述钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波光源，其特征在于，钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波光源，其特征在于，构成所述谐振腔的第三和第四两个平面镜(M3，M4)的各自的空间位置均可以调节。