TWI417628B - 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法 - Google Patents

同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI417628B
TWI417628B TW098105905A TW98105905A TWI417628B TW I417628 B TWI417628 B TW I417628B TW 098105905 A TW098105905 A TW 098105905A TW 98105905 A TW98105905 A TW 98105905A TW I417628 B TWI417628 B TW I417628B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
megahertz
wide
wave
mirror
megahertz wave
Prior art date
Application number
TW098105905A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201031986A (en
Inventor
Ci Ling Pan
Jung Y Huang
Chen Shiung Chang
Ching Wei Chen
Yu Shian Lin
Li Yan
Chao Kuei Lee
Original Assignee
Univ Nat Chiao Tung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Nat Chiao Tung filed Critical Univ Nat Chiao Tung
Priority to TW098105905A priority Critical patent/TWI417628B/zh
Priority to US12/585,224 priority patent/US20100215065A1/en
Publication of TW201031986A publication Critical patent/TW201031986A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI417628B publication Critical patent/TWI417628B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/16—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 series; tandem
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法
本發明提出一種兆赫波產生器裝置的形成方法，特別是一種同調多級光整流兆赫波產生器裝置。
兆赫(Terahertz)波段是頻率在1012 赫茲(Hz)附近的電磁頻譜，包含了由部分毫米波段(~0.1THz)到遠紅外區(~25THz)的一段電磁頻譜。而由於其獨特的優良特性，故目前已使用兆赫波做為材料分析，以及應用為其他領域的各式檢測方法。但由於在兆赫波段欠缺能夠有效涵蓋所需頻譜、足夠功率、足夠可調性(tunability)、穩定性且經濟效果的光波源及相關的元件。而無法具有足夠強度的光波源還有使用上的便利性，故兆赫波在實際應用上相當不便。
在傳統習知文獻中，如「Nonlinear cross-phase modulation with intense single-cycle terahertz pulses,Physics Review Letter 99,043901(2007)」的文獻中，係利用加速器產生同步輻射導入非線性晶體，其兆赫波由非線性晶體所釋出，但因加速器不易取得，取得高強度的兆赫光源非常不便，更無法達到使用上的便利原則。
又在傳統習知文獻中，如「Generation of 1.5μJ single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal,Optics Express 15,13212-13220(2007)」的文獻中，係利用大面積的非線性光學晶體藉以大範圍的產生兆赫輻射，且配合高強度的超快雷射光源，但因其晶體之製造非常困難且價格高昂，故在實際使用上並不便利，故限制了其使用的方式。
在其他的傳統習知文獻中，如「Cascaded nonlinear difference-frequency generation of enhanced terahertz wave production,Opt. Letter 29,2046-2048(2004)」的文獻以及「Simulation study on cascaded terahertz pulse generation in electro-optic crystals,Optics Express 15,8076-8093(2007)」的文獻中，係利用差頻與光整流的基礎，在理論上證實串接式的方法，產生高功率的兆赫波，但在實際應用上還未達成。
此外，在其他的傳統習知文獻中，如「Generation and spectral manipulation of coherent terahertz radiation with two-stage optical rectification,Optics Express 16,14294-14303(2008)」的文獻中，係利用多級光整流疊加之技術產生高強度的兆赫波，並且提供優異的寬頻高同調性兆赫波段光源特性，僅係一種同調多級光整流兆赫波產生器的理論想法。
故而，為了能產生更有效率的兆赫波光源，需要研發新式之兆赫波產生技術，藉以提高光源效率且降低製造時間與製造成本。
本發明之同調多級光整流兆赫波產生器係產生具有兆赫波段之高功率且具有高同調性的寬頻兆赫波光源，以提供兆赫波段之各種應用領域。
本發明提出利用多級的光整流技術，係於硒化鎵非線性晶體中產生同調的兆赫波光源，精確調控兩級中激發光源的時間延遲，將來自硒化鎵非線性晶體中產生的第二級兆赫輻射，同調疊加於第一級兆赫輻射光場，故可應用於兆赫輻射的光譜調控技術。
本發明之同調多級光整流兆赫波產生器裝置包括了兆赫時域光譜儀(THz-TDS)以提供超快雷射光脈衝。以及多級疊加系統，其具有產生非線性光整流過程且具有可延伸擴充之功能。
本發明之光整流技術可克服晶體長度與群速度色散的限制，亦有發展高功率兆赫輻射光源輸出的潛力。
本發明之同調多級光整流兆赫波產生器即為一可實際應用之兆赫波段技術，係提供同調高功率之兆赫波光源。
本發明係利用多級光整流疊加之技術產生高強度的兆赫波，且提供優異的寬頻高同調性兆赫波段光源特性。
本發明可以克服晶體製程的限制，且僅需簡易光學元件即可形成，操作簡易，並具有延伸擴充的優勢，使用上更便捷。
本發明可廣泛應用於光學元件、光學測量，生物醫療檢驗、醫學影像，光譜分析、雷達、通訊、以及封裝檢驗等領域。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參考第1圖，為本發明同調多級光整流兆赫波產生器之示意圖，詳細說明如下列：
首先如第1圖所示，以兆赫時域光譜儀(THz-TDS)所產生的超快雷射光脈衝101導入第一分光鏡102，經由第一反射鏡103，通過第一級非線性光學晶體(GaSe)104，再通過兆赫波反射鏡106，經由兆赫波反射鏡106到達第二級非線性光學晶體107內，而稱為非線性光整流過程，且產生第一寬頻兆赫波，即第一級產生之兆赫輻射。
接著仍如第1圖所示，以兆赫時域光譜儀所產生的超快雷射光脈衝101導入第一分光鏡102，再經由第二反射鏡105，導入第二級非線性光學晶體107內作為注入光源，即經由非線性光整流過程產生第二寬頻兆赫波，即第二級產生之兆赫輻射，再引入前述之第一寬頻兆赫波，透過精確調整第一寬頻兆赫波與第二寬頻兆赫波之兩道寬頻兆赫波的相對時間延遲，使其在時域上能夠完全疊加。
仍如第1圖所示，本發明之同調多級光整流兆赫波產生器裝置包括了：
兆赫時域光譜儀(THz-TDS)，可提供超快雷射光脈衝，或可以二階或三階非線性係數方式操控產生雷射光源。
多級疊加系統，包括複數個反射鏡，複數個分光鏡，以及複數個非線性光學晶體，其具有產生複數個非線性光整流過程且具有可延伸擴充之功能。其中使用玻璃基板的氧化銦錫透明導電鍍膜(ITO)為兆赫波反射鏡，作為超快雷射與兆赫波的共線結合器以減少損耗，可進行方便操作與校準，完成多級同調疊加的效果。
本發明之高功率且具有高同調性之兆赫波可經由重複之兆赫光源產生疊加機制，藉以產生高強度之兆赫波源。
第2圖為本發明之多級疊加原理示意圖。首先由第一級雷射光輸入第一級非線性晶體21之第一級光整流所產生的第一兆赫輻射(兆赫波)，再與由第二級雷射光所輸入第二級非線性晶體22之第二級光整流所產生的兆赫波兆赫輻射(兆赫波)，通過第二級光整流階段，同調疊加後可得到更高功率的兆赫波光源輸出。故而本發明之數學式可表示為：
如第3A圖所示為單級之兆赫波輸出，及與同調疊加後的兆赫波輸出之比較。可看出單級的兆赫波以及同調疊加後的兆赫波之間，兩者時域波形極度相似。若分析兩道兆赫波之同調性，有如下之更具體說明：
由理論而言，當兩道電磁波相互接近產生干涉時，其同調程度可由以下數學式所表示：
其中E 為所測量的兆赫波訊號，τ為兩個訊號之間的時間延遲，R 為兩道訊號的相關函數，S 為富立葉空間的相關函數，而γ 2 即為兩訊號之間的同調程度。
若其電磁波為脈衝，則可利用平移台調整時間延遲，使其完全重合。透過精準的調整兩道兆赫波之間的時間延遲，即調整τ，使得兩電磁脈衝之間的重合性和同調性達到最高。
如第3B圖顯示本發明之同調性關係圖，在兆赫波段具非常寬頻且有非常高的同調性質。在本實驗中，僅僅只需透過調整時間延遲即可，不需更動其他光學元件，即可達到具有高功率且具有高同調程度的兆赫波輸出光源。
在本發明之較佳實例中，雖以硒化鎵(GaSe)負光軸非線性晶體作為產生兆赫波之晶體，但亦可利用其它非線性光學晶體，諸如可由碲化鋅(ZnTe)、鈮酸鋰(LiNbO3 )、磷化鎵(GaP)等，或者其他於兆赫波段具有低吸收係數的光學晶體，且可利用其二階非線性過程以產生兆赫波段的非線性晶體；亦或是使用三階非線性係數(高場激發電漿)的方式來產生兆赫波光源。
本發明中並不限於僅用兩級疊加產生高強度兆赫波，亦可依空間大小與兆赫波強度的需求擴充增加到許多級的架構。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
101．．．超快雷射光脈衝
102．．．第一分光鏡
103．．．第一反射鏡
104．．．第一級非線性光學晶體
105．．．第二反射鏡
106．．．兆赫波反射鏡
107．．．第二級非線性光學晶體
21．．．第一級非線性晶體
22．．．第二級非線性晶體
第1圖所示本發明之同調多級光整流兆赫波產生器裝置。
第2圖為本發明之多級疊加原理示意圖。
第3A圖所示為單級之兆赫波輸出及與同調疊加後的兆赫波輸出之比較。
第3B圖所示為本發明之同調性關係圖。
101．．．超快雷射光脈衝
102．．．第一分光鏡
103．．．第一反射鏡
104．．．第一級非線性光學晶體
105．．．第二反射鏡
106．．．兆赫波反射鏡
107．．．第二級非線性光學晶體

Claims (4)

  1. 一種可疊加第一寬頻兆赫波與第二寬頻兆赫波之同調多級光整流兆赫波產生器裝置，至少包含：一兆赫時域光譜儀，具有產生一超快雷射光脈衝的功能；一第一分光鏡；一第一反射鏡；一第一級非線性光學晶體，該第一級非線性光學晶體係由硒化鎵、碲化鋅、鈮酸鋰、以及磷化鎵群組中所選出；一第二反射鏡；一兆赫波反射鏡；以及一第二級非線性光學晶體，該第二級非線性光學晶體係由硒化鎵、碲化鋅、鈮酸鋰、以及磷化鎵群組中所選出；其中該兆赫時域光譜儀產生該超快雷射光脈衝導入該第一分光鏡，該超快雷射光脈衝經由該第一反射鏡通過該第一級非線性光學晶體，該超快雷射光脈衝通過該兆赫波反射鏡，該超快雷射光脈衝經由該兆赫波反射鏡到達該第二級非線性光學晶體內產生一第一寬頻兆赫波；以及該兆赫時域光譜儀產生該超快雷射光脈衝導入該第一分光鏡，該超快雷射光脈衝經由該第二反射鏡導入該第二級非線性光學晶體以產生一第二寬頻兆赫波，引入該第一寬頻兆赫波並透過一精確調整該第一寬頻兆赫波與該第 二寬頻兆赫波進行一相對時間延遲與一時域疊加。
  2. 一種使用如申請專利範圍第1項裝置之產生同調多級光整流兆赫波的方法，至少包含：提供一超快雷射光脈衝導入一第一分光鏡，經由一第一反射鏡通過一第一級非線性光學晶體，通過一兆赫波反射鏡到達一第二級非線性光學晶體內，產生一第一寬頻兆赫波；提供該超快雷射光脈衝導入該第一分光鏡，經由一第二反射鏡導入該第二級非線性光學晶體內產生一第二寬頻兆赫波；以及引入疊加該第一寬頻兆赫波與該第二寬頻兆赫波，係調整該第一寬頻兆赫波與該第二寬頻兆赫波的一相對時間延遲，使其在一時域上進行該疊加該第一寬頻兆赫波與該第二寬頻兆赫波，藉以產生該同調多級光整流兆赫波。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該第一級非線性光學晶體係由硒化鎵、碲化鋅、鈮酸鋰、以及磷化鎵群組中所選出。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該第二級非線性光學晶體係由硒化鎵、碲化鋅、鈮酸鋰、以及磷化鎵群組中所選出。
TW098105905A 2009-02-25 2009-02-25 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法 TWI417628B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW098105905A TWI417628B (zh) 2009-02-25 2009-02-25 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法
US12/585,224 US20100215065A1 (en) 2009-02-25 2009-09-09 Coherent multiple-stage optical rectification terahertz wave generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW098105905A TWI417628B (zh) 2009-02-25 2009-02-25 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201031986A TW201031986A (en) 2010-09-01
TWI417628B true TWI417628B (zh) 2013-12-01

Family

ID=42630933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW098105905A TWI417628B (zh) 2009-02-25 2009-02-25 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20100215065A1 (zh)
TW (1) TWI417628B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102331649B (zh) * 2011-10-22 2013-04-24 西北大学 一种多波长太赫兹波参量振荡器
CN104155825A (zh) * 2014-07-07 2014-11-19 中国科学院西安光学精密机械研究所 大能量太赫兹脉冲产生方法和装置
CN105827356B (zh) * 2016-05-25 2018-10-23 深圳市太赫兹科技创新研究院有限公司 一种两路太赫兹波通信系统
CN106229796B (zh) * 2016-10-10 2018-10-30 华北水利水电大学 一种基于光学混频效应的太赫兹波辐射源
CN106384704B (zh) * 2016-10-31 2017-12-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种太赫兹驱动电子脉冲加速的飞秒电子衍射装置
CN108321663B (zh) * 2018-02-11 2019-10-01 成都清大华科微晶材料有限责任公司 一种宽频连续太赫兹辐射源以及对应的激发方法
RU184751U1 (ru) * 2018-06-18 2018-11-07 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Нелинейно-оптический элемент на основе монокристалла GaSe с просветляющим покрытием для генерации терагерцового излучения

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144679A (en) * 1999-01-15 2000-11-07 Science Applications International Corporation Method and apparatus for providing a coherent terahertz source
TW585989B (en) * 2003-03-27 2004-05-01 Nat Huwei Inst Of Technology Measurement system with 6 degrees of freedom by 2D optical rule

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2355309B (en) * 1999-09-27 2002-01-09 Toshiba Res Europ Ltd A radiation source
US7531802B2 (en) * 2005-12-27 2009-05-12 Rensselaer Polytechnic Institute Method of analyzing a remotely-located object utilizing an optical technique to detect terahertz radiation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144679A (en) * 1999-01-15 2000-11-07 Science Applications International Corporation Method and apparatus for providing a coherent terahertz source
TW585989B (en) * 2003-03-27 2004-05-01 Nat Huwei Inst Of Technology Measurement system with 6 degrees of freedom by 2D optical rule

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
林人奇，在YSZ基板上不同平面晶向之YBCO薄膜的載子動力行為，國立清華大學光電工程研究所碩士論文，20061231 *
許哲睿，硒化鎵晶體中兆赫波光參數放大之研究，國立交通大學光電工程研究所碩士論文，20071231 *

Also Published As

Publication number Publication date
TW201031986A (en) 2010-09-01
US20100215065A1 (en) 2010-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI417628B (zh) 同調多級光整流兆赫波產生器裝置以及其方法
Mitrofanov et al. Ultraviolet-to-millimeter-band supercontinua driven by ultrashort mid-infrared laser pulses
CN101764341B (zh) 载波包络相位稳定的宽带光学参量啁啾脉冲放大激光系统
Li et al. Generation of 0.3 mW high-power broadband terahertz pulses from GaP crystal pumped by negatively chirped femtosecond laser pulses
Kondakci et al. Tilted-pulse-front space-time wave packets
Fuji et al. Ultrabroadband mid-infrared spectroscopy with four-wave difference frequency generation
Voronin et al. Half-cycle pulses in the mid-infrared from a two-color laser-induced filament
Flender et al. Control of THz field waveform emitted from air plasma by chirping two-color laser pulses
Liu et al. Sub-nanosecond periodically poled lithium niobate optical parametric generator and amplifier pumped by an actively Q-switched diode-pumped Nd: YAG microlaser
WO2020195674A1 (ja) 分光器
Mitrofanov et al. Ultrabroadband characterization of microwave-to-terahertz supercontinua driven by ultrashort pulses in the mid-infrared
Shalaby et al. Terahertz brightness at the extreme: demonstration of 5 GV/m, 17 T low frequency {\lambda} 3 terahertz bullet
Wandel Generation and application of ultrashort coherent mid-infrared electromagnetic radiation
Huang et al. Tunable terahertz generation via a cascaded optical parametric device
Kim Strong terahertz field generation, detection, and application
Jang et al. Efficient terahertz and Brunei harmonic generation from air plasma with femtosecond two-color mid-infrared lasers
Pigeon et al. Generation of broadband 10 µm pulses using four-wave mixing compression in GaAs
Zhang et al. Tunable terahertz wave generation in GaSe crystals
Davis et al. Decadal bandwidth phase matching for frequency resolved optical gating from the near to the long wavelength infrared
Balázs Investigations into high energy THz and ultra-broadband IR radiation from organic salt crystal emitters
Lanin et al. A solid-state source of subcycle pulses in the mid-infrared
Tsubouchi et al. Compact device for intense THz light generation: Contact grating with Fabry-Perot resonator
Chizhov et al. Modulation of two-color laser-induced filament terahertz emission by effective length variation
Fu et al. A high-energy mid-infrared to THz laser
Tajalli et al. Towards characterization and compression of 1.5 octaves spectrum spanning from VIS to IR from two-color pumped OPCPA system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees