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一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹 辐射源

阅读：518发布：2024-01-13

专利汇可以提供一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦光源、第一KTP晶体9、第二KTP晶体10、周期极化晶体12。泵浦光泵浦由双KTP晶体组成的光学参量振荡器，产生两束差频光，两束差频光入射周期极化晶体12，在差频光谐振腔内基于光学差频效应产生太赫兹波。两束差频光又可以各自作为泵浦光分别激励周期极化晶体12，在差频光谐振腔内发生级联光学参量效应产生太赫兹波。在整个太赫兹波产生过程中，差频光可以激励周期极化晶体12经级联光学参量效应产生太赫兹波，一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子，有效提高太赫兹波输出能量和光学转换效率。，下面是一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦光源，泵浦光源包括依次设置的第一平面镜(1)、KD*P晶体(2)、偏振片(3)、Nd:YAG 激光器泵浦模块(4)、第二平面镜(14)；其特征在于，所述太赫兹辐射源还包括在Nd:YAG激光器泵浦模块(4)与第二平面镜(14)之间的泵浦光光路上依次设置的用于产生差频光的第一KTP晶体(9)和第二KTP晶体(10)、第一周期极化晶体(12)；所述第一KTP晶体(9)和第二KTP晶体(10)能够通过与泵浦光光路垂直的轴线同步相向转动，在泵浦光光路上靠近第一周期极化晶体(12)两端处分别设置有第一抛物面镜(11)和第二抛物面镜(13)；所述第一抛物面镜(11)和第二抛物面镜(13)的凹面朝向第一周期极化晶体(12)；在Nd:YAG激光器泵浦模块(4)与第一KTP晶体(9)之间的泵浦光光路上设置有一个用于透射泵浦光的谐波镜(8)；在Nd:YAG激光器泵浦模块(4)与谐波镜(8)之间的泵浦光光路上设置有第二周期极化晶体(6)，在泵浦光光路上靠近第二周期极化晶体(6)两端处设置有第三抛物面镜(5)和第四抛物面镜(7)；所述第三抛物面镜(5)和第四抛物面镜(7)的凹面朝向第二周期极化晶体(6)。
2.根据权利要求1所述的基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于，第一KTP晶体(9)与第二KTP晶体(10)完全相同且对称设置。
3.根据权利要求1所述的基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于，所述谐波镜(8)还用于反射所述差频光。
4.根据权利要求1所述的基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，其特征在于，各所述抛物面镜与泵浦光光路的交点处均开一个小孔。

说明书全文

一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，属于太赫兹波技术应用领域。

背景技术

[0002] 太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波。THz波的频率范围处于电子学向光子学的过渡区域，在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。在频率上，THz波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于所处位置特殊，THz波具有广阔的应用前景：(1)THz光子具有较低的能量，比X射
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线的光子弱10-10 倍，不会在生物组织中引起光损伤及光化电离；(2)许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz频段表现出很强的吸收和谐振；(3)THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时也具有类似光波的方向性；(4)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，可以对包括液体、半导体、超导体、生物样品等在内的各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究。

[0003] 目前限制太赫兹波技术快速发展的主要技术瓶颈之一就是缺乏高功率、可调谐、窄线宽、室温运转的相干太赫兹辐射源。基于光学参量效应和光学差频效应产生太赫兹波的方法具有高功率、高效率、可调谐、窄线宽、室温运转等特性，但是目前基于光学参量效应和光学差频效应的太赫兹辐射源主要采用非共线相位匹配方式，泵浦光、信号光和闲频光在空间上分离的，严重限制了三波相互作用，由泵浦光产生的太赫兹波的效率很低，没有高效利用泵浦光来产生太赫兹波。并且非线性光学晶体对太赫兹波的吸收较大，晶体中产生的太赫兹波被严重吸收，所以输出的太赫兹波能量受到严重限制。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，用以解决目前的太赫兹辐射源的太赫兹波输出能量和光学转换效率低的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦光源，泵浦光源包括依次设置的第一平面镜1、KD*P晶体2、偏振片3、Nd:YAG 激光器泵浦模块4、第二平面镜14。太赫兹辐射源还包括在Nd:YAG激光器泵浦模块4与第二平面镜14之间的泵浦光光路上依次设置的用于产生差频光的第一KTP晶体9和第二KTP晶体10、第一周期极化晶体12；第一KTP晶体9和第二KTP晶体10能够通过与泵浦光光路垂直的轴线同步相向转动，在泵浦光光路上靠近第一周期极化晶体12两端处分别设置有第一抛物面镜11和第二抛物面镜13；第一抛物面镜11和第二抛物面镜13的凹面朝向第一周期极化晶体12。

[0006] 进一步地，第一KTP晶体9与第二KTP晶体10完全相同且对称设置。

[0007] 进一步地，在Nd:YAG激光器泵浦模块4与第一KTP晶体9之间的泵浦光光路上设置有一个用于透射泵浦光的谐波镜8。

[0008] 进一步地，谐波镜8还用于反射所述差频光。

[0009] 进一步地、在Nd:YAG激光器泵浦模块4与谐波镜8之间的泵浦光光路上设置有第二周期极化晶体6，在泵浦光光路上靠近第二周期极化晶体6两端处设置有第三抛物面镜5和第四抛物面镜7；第三抛物面镜5和第四抛物面镜7的凹面朝向第二周期极化晶体6。

[0010] 进一步地，各抛物面镜与泵浦光光路的交点处均开一个小孔。

[0011] 本发明的目的是提供一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，相比于现有的太赫兹辐射源，具有以下优点：

[0012] (1)利用基频泵浦光激励周期极化晶体，通过内腔级联光学参量效应，共线产生太赫兹波，一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子，提高太赫兹波光学转换效率。

[0013] (2)利用差频光λ1和λ2激励周期极化晶体，经光学差频效应共线产生太赫兹波，一个差频光子λ1可以产生多个太赫兹光子，有效提高太赫兹波光学转换效率。通过同步调节双KTP晶体的方位角实现波长调谐的光波λ1和λ2，从而可以实现波长调谐输出的太赫兹波。

[0014] (3)整个级联参量过程采用的是共线相位匹配，提高了泵浦光、Stokes光和太赫兹波的相互作用体积，有效提高太赫兹波的光学转换效率。级联参量过程全部采用内腔双谐振，可以得到前后向传播的太赫兹波，有效提高差频光的利用效率，进而提高太赫兹波输出能量和转换效率。

[0015] (4)本发明结构简单，成本较低。整套装置只需要一台自制的泵浦源，两块普通的KTP晶体、周期极化晶体和若干光学镜片。附图说明

[0016] 图1是本发明具体实施方式一的结构示意图；

[0017] 图2是本发明具体实施方式二的结构示意图；

[0018] 图3是λ1、周期极化晶体12的极化周期长度、太赫兹波频率三者的关系示意图；

[0019] 图4是太赫兹波频率与周期极化晶体6的极化周期长度的关系示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

[0021] 一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，包括泵浦光源，泵浦光源包括依次设置的第一平面镜1、KD*P晶体2、偏振片3、Nd:YAG激光器泵浦模块4、第二平面镜14。太赫兹辐射源还包括在Nd:YAG激光器泵浦模块4与第二平面镜14之间的泵浦光光路上依次设置的第一KTP晶体9、第二KTP晶体10、第一周期极化晶体12；第一KTP晶体9和第二KTP晶体
10用于产生差频光，第一KTP晶体9和第二KTP晶体10能够通过与泵浦光光路垂直的轴线同步相向转动，在泵浦光光路上靠近第一周期极化晶体12两端处分别设置有第一抛物面镜11和第二抛物面镜13；第一抛物面镜11和第二抛物面镜13的凹面朝向第一周期极化晶体12。

[0022] 基于以上技术方案，结合附图，给出以下具体实施方式。

[0023] 实施方式一

[0024] 本发明的技术方案是提供一种基于内腔光学参量和差频效应的太赫兹辐射源，如图1所示，其中包括泵浦光源，泵浦光源由平面镜1、KD*P晶体2、偏振片3、Nd:YAG激光器泵浦模块泵浦模块4、平面镜14组成。在Nd:YAG激光器泵浦模块泵浦模块4之后的泵浦光光路上依次设置有用于透射泵浦光、反射差频光的谐波镜8、KTP晶体9、KTP晶体10、周期极化晶体12，在泵浦光光路上靠近周期极化晶体12两端处设置有抛物面镜11和抛物面镜13，抛物面镜11和抛物面镜13的凹面朝向周期极化晶体12。上述所有组成部分设置在平面镜1和平面镜14之间。

[0025] 本实施方式的方位设置如图1所示，泵浦光源由平面镜1、14，KD*P晶体2、偏振片3和Nd:YAG激光器泵浦模块泵浦模块4组成，单脉冲能量在10-1000mJ范围内，重复频率在1-200Hz范围内，脉宽在1-100ns范围内。本实施方式采用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器泵浦模块，单脉冲能量为150mJ，波长为1064nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz，泵浦光直径为2mm，偏振方向沿Z轴方向。

[0026] 泵浦光源产生1064nm的泵浦光经谐波镜8入射两块完全相同的KTP晶体9和KTP晶体10，采用II类相位匹配方式。泵浦光激励KTP晶体可以得到近简并点附近的两束差频光λ1和λ2。KTP晶体9和KTP晶体10对称放置，即KTP晶体9沿Z轴旋转180°得到KTP晶体10的方位，这样放置可以消除差频光λ1和λ2在KTP晶体中的走离。KTP晶体9和10通过与泵浦光光路垂直的轴线同步相向转动，通过同步调节KTP晶体9和10的方位角可以得到波长可调谐的差频光λ1和λ2，λ1的波长范围在1.82-2.128μm，λ2的波长范围在2.128-2.56μm。差频光λ1和λ2在由镜片8和14组成的谐振腔中振荡放大，激励周期极化晶体12，通过光学差频效应产生太赫兹波，由于两束差频光在谐振腔内来回振荡，所以在周期极化晶体12中会产生后向和前向传播的太赫兹波，分别经抛物面镜11和13耦合输出。差频光λ1和λ2经光学差频效应产生太赫兹波的过程中，光波λ1能量减小，光波λ2能量被放大，因为一个λ1光子、一个λ2光子、一个太赫兹波光子三者之间的单光子能量关系为一个λ1光子的能量等于一个λ2光子的能量与一个太赫兹波光子能量之和，即消耗一个λ1光子就会产生一个λ2光子和一个太赫兹波光子。能量放大的光波λ2继续激励周期极化晶体12，经光学参量效应产生前后向传播的太赫兹波和一阶Stokes光，而一阶Stokes光又可以经二阶光学参量效应产生前后向传播的太赫兹波和二阶Stokes光，这样级联过程会一直继续下去，一个λ1光子可以产生多个太赫兹光子，产生的太赫兹波都由抛物面镜11和13耦合输出，有效提高太赫兹波能量和光学转换效率。在这整个过程中，通过同步调节KTP晶体9和KTP晶体10的方位角可以实现波长调谐的光波λ1和λ2，从而可以实现波长可调谐输出的太赫兹波。

[0027] 如图3所示，当λ1的波长在2.05-2.125μm范围时，周期极化晶体12极化周期在8.1-2527μm范围时，可以得到范围在0.4-10.7THz的太赫兹波。本实施例中λ1波长为2113nm，λ2波长为2143.2nm，相应地该周期极化晶体12极化周期为487μm，可以产生频率为2THz的太赫兹波。

[0028] 实施方式二

[0029] 如图2所示，在Nd:YAG激光器泵浦模块泵浦模块4与谐波镜8之间还设置有周期极化晶体6,在泵浦光光路上靠近周期极化晶体6两端处设置有抛物面镜5和抛物面镜7，抛物面镜5和抛物面镜7的凹面朝向周期极化晶体6。本实施方式的太赫兹辐射源其余部分的设置与实施方式一相同。

[0030] 由泵浦光源发出的1064nm泵浦光激励周期极化晶体6，经光学参量振荡产生太赫兹波和一阶Stokes光。由于一阶Stokes光和泵浦光波长很接近，从周期极化晶体6产生的一阶Stokes光与泵浦光一样会在由镜片1和14组成的谐振腔中振荡，所以此光学参量过程为内腔共线双谐振，在晶体6中可以产生沿后向和前向传播的太赫兹波，分别经抛物面镜5和7耦合输出。一阶Stokes光继续激励周期极化晶体6，经二阶光学参量效应可以产生前后向传播的太赫兹波和二阶Stokes光，产生的太赫兹波经抛物面镜5和7耦合输出。二阶Stokes光与一阶Stokes光波长很接近，也可以在谐振腔中振荡，继续激励周期极化晶体6可以产生前后向传播的太赫兹波和三阶Stokes光，同理三阶Stokes光也能通过光学参量效应产生更高阶的Stokes光，参量过程会一直持续下去。这样经过级联光学参量效应，一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子，有效提高太赫兹输出能量和光学转换效率。

[0031] 图4模拟了当泵浦波长为1064nm时太赫兹波频率与周期极化晶体6极化周期长度的关系，从图中可以得出通过改变周期极化晶体6极化周期长度可以得到频率调谐输出的太赫兹波。该周期极化晶体6极化周期为526μm，可以产生频率为2THz的太赫兹波。

[0032] 在周期极化晶体6内反应生成太赫兹波后射出的剩余的泵浦光经谐波镜8入射两块完全相同的KTP晶体9和KTP晶体10，采用II类相位匹配方式。泵浦光激励KTP晶体可以得到近简并点附近的两束差频光λ1和λ2。KTP晶体9和KTP晶体10对称放置，即KTP晶体9沿Z轴旋转180°得到KTP晶体10的方位，这样放置可以消除差频光λ1和λ2在KTP晶体中的走离。KTP晶体9和10通过与泵浦光光路垂直的轴线同步相向转动，通过同步调节KTP晶体9和10的方位角可以得到波长可调谐的差频光λ1和λ2，λ1的波长范围在1.82-2.128μm，λ2的波长范围在2.128-2.56μm。差频光λ1和λ2在由镜片8和14组成的谐振腔中振荡放大，激励周期极化晶体
12，通过光学差频效应产生太赫兹波，由于两束差频光在谐振腔内来回振荡，所以在周期极化晶体12中会产生后向和前向传播的太赫兹波，分别经抛物面镜11和13耦合输出。差频光λ1和λ2经光学差频效应产生太赫兹波的过程中，光波λ1能量减小，光波λ2能量被放大，因为一个λ1光子、一个λ2光子、一个太赫兹波光子三者之间的单光子能量关系为一个λ1光子的能量等于一个λ2光子的能量与一个太赫兹波光子能量之和，即消耗一个λ1光子就会产生一个λ2光子和一个太赫兹波光子。能量放大的光波λ2继续激励周期极化晶体12，经光学参量效应产生前后向传播的太赫兹波和一阶Stokes光，而一阶Stokes光又可以经二阶光学参量效应产生前后向传播的太赫兹波和二阶Stokes光，这样级联过程会一直继续下去，一个λ1光子可以产生多个太赫兹光子，产生的太赫兹波都由抛物面镜11和13耦合输出，有效提高太赫兹波能量和光学转换效率。在这整个过程中，通过同步调节KTP晶体9和KTP晶体10的方位角可以实现波长调谐的光波λ1和λ2，从而可以实现波长可调谐输出的太赫兹波。

[0033] 本实施方式可以通过周期极化晶体6和12同时产生太赫兹波，增加了太赫兹波的功率，提高了泵浦光的利用率和光学转换效率。

[0034] 以上两个实施方式采用的周期极化晶体为PPGaP晶体，由5片GaP晶片叠加而成，相邻GaP晶片形成具有正负周期反转的二阶非线性光学常数阵列，晶片厚度等于晶体的相干长度即晶体极化周期的一半。PPGaP晶体6的晶片厚度即极化周期的一半为263μm，晶片尺寸为263μm(X)×20mm(Y)×20mm(Z)。PPGaP晶体12的晶片厚度即极化周期的一半为243.5μm，晶片尺寸为243.5μm(X)×20mm(Y)×20mm(Z)，泵浦光和两束差频光沿GaP晶体<110>方向即X轴方向传播。

[0035] 采用的KTP晶体9和10的尺寸为20mm(X轴)×8mm(Y轴)×8mm(Z轴)，切割角度θ等于49.5°，等于0°。

[0036] 采用的平面镜1和14对1064nm光高反，谐波镜8对1064nm高透，谐波镜8和平面镜14对1800-2500nm光高反。

[0037] 采用的抛物面镜5和7放置于晶体6两侧，且抛物面镜5和7中心开一小孔，小孔直径为2mm，仅能通过泵浦光。抛物面镜11和13放置于晶体12两侧，且抛物面镜11和13中心开一小孔，小孔直径为2mm，仅能通过泵浦光和两束差频光。

[0038] 以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

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