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一种太赫兹波参量源选频及 频率调谐方法及其装置

阅读：75发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置；两束相互交叉的泵浦光激发同时具有红外活性和拉曼活性的非线性晶体中的横向光学声子模，产生受激电磁耦子散射（SPS），利用交叉泵浦来限定SPS的相位匹配关系，实现Stokes光及相对应的THz波的选频，通过连续改变两束泵浦光的交叉角度，实现相干窄带Stokes光和THz波的频率的连续调谐；实现交叉泵浦的一种方案为：利用泵浦光掠入射非线性晶体侧面并发生全反射，入射泵浦光与反射泵浦光构成交叉泵浦形式，通过旋转非线性晶体，改变泵浦光对晶体侧面的入射角及全反射角，实现相位匹配关系的改变；其有益效果是：本发明不需要单独的Stokes光种子源，而且能够在亚ns激光泵浦情况下使用，具有结构简单、操作方便、经济成本低、产生THz波效率较高等优势。，下面是一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法，其特征在于：通过两束相互交叉的泵浦光限定受激电磁耦子散射的相位匹配关系进行选频，通过改变两束泵浦光的交叉角度实现相干窄带太赫兹波及Stokes光的连续调谐输出；通过一束泵浦光在晶体侧面全反射实现泵浦光的相互交叉，通过改变晶体侧面上泵浦光的入射角度，实现浦光交叉角度的变化。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波参量源选频及频率调谐方法，其特征在于：包括泵浦激光器（1）、泵浦光调控系统（2）、太赫磁波耦合棱镜阵列（3）、非线性晶体（4）；
泵浦光调控系统（2）包含波片、偏振棱镜、光阑、望远镜系统，用于调控泵浦光的偏振、能量、光斑大小及光斑形状；
泵浦激光器（1）发出泵浦光掠入射非线性晶体（4）侧面，并在非线性晶体（4）侧面发生全反射，入射泵浦光（7）与反射泵浦光（8）构成交叉泵浦形式，实现对Stokes光（9）和THz波（6）的选频；通过旋转非线性晶体（4），改变泵浦光对晶体侧面的入射角及全反射角，从而改变教程泵浦的相位匹配条件，实现Stokes光（9）和THz波（6）的频率调谐；
非线性晶体（4）为LiNbO3或MgO: LiNbO3或KTiOPO4或KTiOAsO4或RbTiOPO4或LiTaO3等极性离子晶体；
太赫磁波耦合棱镜阵列（3）由6个同样的直角棱镜（5）排列构成，直角棱镜（5）的材料为高祖率Si，电阻率＞10kΩ，棱镜的底边长为10mm，厚度为5mm，棱镜顶角为90°，两底角分别为度分别为40°和50°，棱镜阵列和非线性晶体（4）的x-z面紧贴在一起来耦合输出THz波（6）。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波参量源选频及频率调谐装置，其特征在于：泵浦激光器（1）可以从连续激光器、输出激光脉冲宽度为ns量级的调Q脉冲激光器、以及输出激光脉冲宽度为ps量级的微片激光器或锁模激光器中选取一种。
4.根据权利要求2所述的太赫兹波参量源选频及频率调谐装置，其特征在于：非线性晶体（4）为5%mol掺杂的MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体的尺寸为70(x)*5(y)*5(z)mm3，其两个端面进行光学抛光，并镀1060-1090nm的宽带增透膜，两个侧面亦进行光学抛光，泵浦光（7）的偏振方向与非线性晶体（4）的光轴z方向平行。

说明书全文

一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及可调谐激光源技术领域，特别是指一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置。

背景技术

[0002] 太赫兹 (THz) 波是指频率范围为0.1-10 THz，波长范围为30-3000μm的电磁波。THz波介于红外线与微波之间，具有许多其它波段不具备的一系列特殊性质，其中最引人注目的是非极性分子的穿透性和指纹光谱识别特性，由此产生了THz波最重要的两方面应用：
THz穿透成像及THz波谱测量。THz波在许多基础和应用研究领域如生物医学、无损检测、环境监测、安全检查及反恐等方面都展现出重大科研价值和应用前景，其中，高功率、窄线宽、宽带可调谐的THz波源是研究的重点方向和推动THz波无损检测等技术应用的关键。

[0003] 基于受激电磁耦子散射（Stimulated Polariton Scattering, SPS）的THz波参量源能产生高功率、窄线宽、宽带连续可调谐的相干THz波，并具有频率调谐方式简便、室温工作、结构紧凑易于集成、晶体和泵浦源技术成熟等优点，尤其是结合基于参量下转换原理的探测技术，可以在一个泵浦系统下集成THz波源和高灵敏THz波探测装置，形成THz波谱测量系统，能够在大约1-3THz范围内提供107以上的测量动态范围，其无需傅里叶变换的直接探测方式具有较强的抗干扰能力，综上，参量THz波技术具有广泛的应用前景和重要的研究价值。

[0004] 研究表明，采用亚ns的窄脉冲宽度激光泵浦时，可有效抑制参量THz波源中的受激布里渊散射（SBS）过程的建立，相比于ns脉冲宽度的激光泵浦，THz波的产生效率可提升数十倍，并且短脉冲激光泵浦还能提高晶体损伤阈值，从而可提高泵浦功率密度。

[0005] SPS提供宽带拉曼增益，利用相位匹配原理，通过特定手段可实现THz波参量源的频率选择与频率调谐，实现窄带THz波连续可调谐输出，目前，实现太赫兹波参量源的选频和频率调谐主要通过以下两种方式实现：1.THz波参量振荡器，利用附加Stokes光（6）谐振腔的方式，构建THz波参量振荡器（TPO）,只让符合特定相位匹配光的Stokes光（6）振荡放大，实现THz波的选频，通过调节谐振腔与泵浦光之间的夹角，调整相位匹配条件，实现THz波的频率调谐。

[0006] 2.种子注入THz波参量发生器，利用窄带Stokes光（6）源作为种子源，构建种子注入太赫兹波参量发生器器（is-TPG），实现THz波的选频，通过改变种子源的波长及光束与泵浦光的夹角，实现太赫兹波的频率调谐。

[0007] 虽然TPO结构简单，效率较高，但频率调谐需要机械地调整谐振腔与泵浦光之间的夹角，即使后来发展了基于光学扫描镜的自动控制调谐方式，仍然存在调谐速度慢、系统稳定性差、THz波线宽较宽等问题，TPO中Stokes光（6）谐振腔长度一般为十几厘米，需要一定的泵浦脉冲持续时间来让Stokes光（6）在谐振腔内来回震荡以得到充分放大，所以，TPO只能适用于较长泵浦脉冲情况下，比如几纳秒，而不能应用于亚纳秒的脉冲激光泵浦，ns激光泵浦会带来SBS对SPS的抑制作用，制约THz波的产生效率。

[0008] is-TPG可实现窄线宽THz波输出，通过光栅自动角度匹配调谐方式，只需改变种子激光的波长，即可自动调整相位匹配角，实现THz波捷变频，但is-TPG需要可调谐的窄线宽种子激光源，经济成本很高，且种子源功率较低，需要较长的相互作用长度才能实现有效的Stokes光（6）放大和高功率THz波产生，is-TPG的泵浦光斑尺寸一般较小，而非共线相位匹配方式影响泵浦光和Stokes光（6）的空间耦合，限制有效增益长度，制约了THz波产生效率的进一步提升，虽然采用周期极化晶体的准共线相位匹配可以解决泵浦光和Stokes光（6）在空间上走离的问题，但准共线相位匹配的频率调谐被限定在很窄的范围内，严重限制THz波调谐范围。

[0009] 此外，TPO和is-TPG中都存在增益竞争的问题，即高SPS增益、高空间耦合效率的中心频率对低增益、低空间耦合效率的高频THz波的竞争，使得高频处的THz波很难被调谐出，这会严重太赫兹波在高频处的调谐范围。

发明内容

[0010] 本发明为解决现有技术中存在的问题，提出一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法及其装置。

[0011] 本发明的技术方案是这样实现的：一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法，通过两束相互交叉的泵浦光限定受激电磁耦子散射的相位匹配关系进行选频，通过改变两束泵浦光的交叉角度实现相干窄带太赫兹波及Stokes光的连续调谐输出；通过一束泵浦光在晶体侧面全反射实现泵浦光的相互交叉，通过改变晶体侧面上泵浦光的入射角度，实现浦光交叉角度的变化。

[0012] 一种太赫兹波参量源选频及频率调谐装置，包括泵浦激光器（1）、泵浦光调控系统（2）、太赫兹波太赫磁波耦合棱镜阵列（3）、非线性晶体（4）；泵浦光调控系统（2）包含波片、偏振棱镜、光阑、望远镜系统，用于调控泵浦光的偏振、能量、光斑大小及光斑形状；
泵浦激光器（1）发出泵浦光掠入射非线性晶体（4）侧面，并在非线性晶体（4）侧面发生全反射，入射泵浦光（7）与反射泵浦光（8）构成交叉泵浦形式，实现对Stokes光（9）和THz波（6）的选频；通过旋转非线性晶体（4），可以改变泵浦光对晶体侧面的入射角及全反射角，从而实现Stokes光（9）和THz波（6）的频率调谐；
非线性晶体（4）为LiNbO3或MgO: LiNbO3或KTiOPO4或KTiOAsO4或RbTiOPO4或LiTaO3等极性离子晶体中的一种；
太赫磁波耦合棱镜阵列（3）由6个同样的直角棱镜（5）排列构成，直角棱镜（5）的材料为高祖率Si，电阻率＞10kΩ，棱镜的底边长为10mm，厚度为5mm，棱镜顶角为90°，两底角分别为度分别为40°和50°，棱镜阵列和非线性晶体（4）的x-z面紧贴在一起来耦合输出THz波（6）。

[0013] 泵浦激光器（1）可以从连续激光器、输出激光脉冲宽度为ns量级的调Q脉冲激光器、以及输出激光脉冲宽度为ps量级的微片激光器或锁模激光器中选取一种。

[0014] 进一步，非线性晶体（4）为5%mol掺杂的MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体的尺寸为70(x)*5(y)*5(z)mm3，其两个端面（y-z面）进行光学抛光，并镀1060-1090nm的宽带增透膜，两个侧面（x-z面）亦进行光学抛光，泵浦光的偏振方向与晶体的光轴（z）方向平行。

[0015] 本发明的有益效果是：本发明具有结构简单、操作方便、经济成本低、产生THz波效率较高等优势，泵浦激光器发出泵浦光掠入射非线性晶体侧面，并在非线性晶体侧面发生全反射，入射泵浦光与反射泵浦光构成交叉泵浦形式，实现对Stokes光和THz波的选频；通过旋转非线性晶体，可以改变泵浦光对晶体侧面的入射角及全反射角，从而实现Stokes光和THz波的频率调谐。附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1为本发明交叉泵浦SPS的波矢守恒关系的示意图；图2为本发明的装置结构图；
图3为实施例一中的方法相位匹配关系原理图；
图4为泵浦光在晶体侧面发生全反射，非线性晶体x轴与入射泵浦光之间不同夹角时的交叉泵浦TPG的Stokes光的光谱图；
图5为泵浦光直接穿过晶体，没在晶体发生全反射时的TPG输出Stokes光（9）的光谱图；
图6 为Stokes光的光谱谱线宽图。

具体实施方式

[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0019] 如图1 图6所示一种太赫兹波参量源选频及频率调谐方法，通过两束相互交叉的~泵浦光限定受激电磁耦子散射的相位匹配关系进行选频，通过改变两束泵浦光的交叉角度实现相干窄带太赫兹波及Stokes光的连续调谐输出；通过一束泵浦光在晶体侧面全反射实现泵浦光的相互交叉，通过改变晶体侧面上泵浦光的入射角度，实现浦光交叉角度的变化。

[0020] 太赫兹波参量源实现太赫兹波的连续调谐输出的原理是极性离子晶体在前向拉曼散射过程中,其Al对称性晶格振动模电磁耦子具有角度色散特性，在受激电磁耦子散射过程中,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波同时满足能量守恒条件与动量守恒条件，泵浦光、Stokes光和THz波的三波非共线相位匹配曲线与晶格振动模电磁耦子的色散曲线之间的相对关系,可以确定太赫兹波参量源的频率调谐特性。

[0021] 如图1所示，当晶体内存在波矢为，两束相互交叉的泵浦光时，只有与的两束泵浦光满足相同相位匹配关系的Stokes光kS才能被有效放大，其他频率的Stokes光被抑制，此时相位匹配角应该满足，即交叉泵浦具有频率选择作用，可实现Stokes光和相对应的THz波的窄线宽输出；通过改变泵浦光的交叉角度，可以调整相位匹配关系，实现窄带Stokes光及THz波的连续频率调谐。

[0022] 实施例一：应用上述方法其中一种太赫兹波参量源选频及频率调谐装置，包括泵浦激光器1、泵浦光调控系统2、太赫兹波太赫磁波耦合棱镜阵列3、非线性晶体4；
其实现的原理如下：TPO是通过外加Stokes光谐振腔的方式，来限定相位匹配方式，从而实现THz波的选频，其的相位匹配关系如图3中kP1，kS，kT组成的波矢三角形所示，其中下角标P1，S，T 分别表示泵浦光一，Stokes光，和THz波；通过连续改变谐振腔轴与泵浦光之间的夹角θ1来改变相位匹配关系，实现THz波6的连续频率调谐；通过晶体侧面对泵浦光的全反射，引入另一束泵浦光二，其波矢为kRP，则只有当图3中所示的θ1和θ2严格相等时，Stokes光9与入射、反射泵浦光构成相同的相位匹配关系，Stokes才能够被有效放大，此时并不需要谐振腔的作用；当θ1和θ2不相等时，即使有谐振腔存在，由于Stokes光和入射、反射泵浦光分别构成不同的相位匹配关系，则Stokes光不能够被有效放大；所以利用相互交叉的泵浦光可以实现太赫兹波参量源的选频，而无需外加谐振腔或者窄线宽Stokes光种子注入；通过调节两束泵浦光的交叉角度，可以实现相位匹配关系的改变，即可实现THz波的连续频率调谐。

[0023] 泵浦光调控系统2包含波片、偏振棱镜、光阑、望远镜系统，用于调控泵浦光的偏振、能量、光斑大小及光斑形状；非线性晶体4为LiNbO3或MgO: LiNbO3或KTiOPO4或KTiOAsO4或RbTiOPO4或LiTaO3极性离子晶体；
太赫磁波耦合棱镜阵列3由6个同样的直角棱镜5排列构成，直角棱镜5的材料为高祖率Si，电阻率＞10kΩ，棱镜的底边长为10mm，厚度为5mm，棱镜顶角为90°，两底角分别为度分别为40°和50°，棱镜阵列和非线性晶体4的x-z面紧贴在一起来耦合输出THz波6。

[0024] 泵浦激光器1可以从连续激光器、输出激光脉冲宽度为ns量级的调Q脉冲激光器、以及输出的ps量级的窄脉宽激光微片激光器或锁模激光器中选取一种。

[0025] 优选非线性5%mol掺杂的MgO:LiNbO3晶体，MgO:LiNbO3晶体的尺寸为70(x)*5(y)*5(z)mm3，其两个端面y-z面进行光学抛光，并镀1060-1090nm的宽带增透膜，两个侧面x-z面亦进行光学抛光，泵浦光的偏振方向与晶体的光轴z方向平行。

[0026] 泵浦激光器1发出泵浦光掠入射非线性晶体4侧面，并在非线性晶体4侧面发生全反射，入射泵浦光7与反射泵浦光8构成交叉泵浦形式，实现对Stokes光9和THz波6的选频；通过旋转非线性晶体4，可以改变泵浦光对晶体侧面的入射角及全反射角，从而实现Stokes光9和THz波6的频率调谐。

[0027] 如图4所示泵浦光直接穿过晶体，没在晶体发生全反射时的TPG输出Stokes光9的光谱图，此时的Stokes光9谱是宽带的，光谱范围为1068-1074nm，对应SPS增益范围。

[0028] 如图3显示的是泵浦光在晶体侧面发生全反射，非线性晶体4的x轴与入射泵浦光7之间的夹角分别为1.25°、1.5°、2°、2.25°、2.5°、2.75°时，交叉泵浦TPG的Stokes光谱图；从图中可以看出，交叉泵浦TPG输出的Stokes光是窄带的，如图5所示为大约0.17nm，约为50GHz，不同的入射泵浦光7入射角度对应不同的Stokes光9波长，即对应不同的THz波6频率，Stokes光9波长与泵浦光入射角的一一对应关系符合SPS的角度色散关系，以上可以说明，交叉泵浦能够实现THz波6参量源的窄带选频，通过改变交叉角度，可实现Stokes光9及THz波6的频率调谐。

[0029] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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