自變頻太赫茲參量振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及固體激光器及相關技術，為解決太赫茲參量振蕩器結構復雜，系統(tǒng)難以小型化的問題，本發(fā)明采取的技術方案是，自變頻太赫茲參量振蕩器，包括泵浦源(1)、自變頻晶體(2)、諧振腔(3)、太赫茲波輸出鏡(4)；泵浦源(1)發(fā)出的泵浦光注入自變頻晶體(2)，自變頻晶體(2)內的激活粒子吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在諧振腔(3)的反饋下產(chǎn)生激光振蕩；同時，自變頻晶體(2)具有非線性效應，對振蕩激光進行頻率變換，在同一諧振腔(3)作用下通過參量振蕩將激光轉換到太赫茲波段，產(chǎn)生的太赫茲波傳播方向與激光振蕩相同，由太赫茲波輸出鏡(4)收集并反射輸出腔外。本發(fā)明主要應用于固體激光器及非線性光學頻率變換場合。
【專利說明】自變頻太赫茲參量振蕩器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及固體激光器及非線性光學頻率變換，具體涉及一種利用一塊晶體既產(chǎn)生激光又同時通過頻率變換產(chǎn)生太赫茲輻射的裝置。
技術背景
[0002]太赫茲(Terahertz或THz)輻射是頻率在0.l-ΙΟΤΗζ，典型中心頻率為ITHz的電磁波，其波段介于微波和紅外線之間，是宏觀電子學向微觀光子學過渡的重要電磁波段。太赫茲波在物理、化學、天文學、分子光譜、生命科學和醫(yī)藥科學等基礎研宄領域，以及醫(yī)學成像、安全檢查、環(huán)境監(jiān)測、材料分析、食品檢測、射電天文、移動通訊、衛(wèi)星通信和軍用雷達等應用研宄領域均有重大的科學研宄價值和廣闊的應用前景。
[0003]太赫茲參量振蕩器(TPO)是一種重要的太赫茲輻射源，具有可調諧、線寬窄、室溫運轉等優(yōu)點，近年來得到了國內外廣泛的重視。目前，太赫茲參量振蕩器通常利用大能量的脈沖Nd = YAG激光器作為泵浦源，利用鈮酸鋰(LiNb03)或摻氧化鎂鈮酸鋰(Mg0:LiNb03)作為非線性晶體在諧振腔內通過非共線相位匹配產(chǎn)生參量振蕩，并通過硅棱鏡耦合或垂直晶體表面輸出太赫茲波，調節(jié)入射光角度或諧振腔可以實現(xiàn)太赫茲波的調諧(參考 Jun-1chi Shikat 等 2000 年發(fā)表在 IEEE Transact1ns on Microwave Theory andTechniques 的文章Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNb03andMg0:LiNb03crystals)。為進一步降低太赫茲參量振蕩器的閾值并減小裝置的體積，有人利用PPLN作為非線性晶體，并將其置于激光諧振腔內，激光器與參量振蕩器共用諧振腔，即采用內腔泵浦方式，實現(xiàn)了高重復頻率的太赫茲波輸出(參考T.J.Edwards等2006年發(fā)表在 Optics Express 的文章 Compact source of continuously and widely-tunableterahertz radiat1n)。國內多家單位在脈沖激光器泵浦的太赫茲參量振蕩器方面也做了大量的理論和實驗研宄工作(參考劉磊等2012年發(fā)表在“激光與光電子學進展”的文章“太赫茲波參量振蕩器研宄進展”)。
[0004]現(xiàn)有技術中至少存在以下缺點和不足:由于現(xiàn)有的太赫茲參量振蕩器所需的泵浦激光器與參量振蕩器本身是兩套系統(tǒng)，無法從根本上實現(xiàn)小型化，即便是對于較為緊湊的內腔泵浦太赫茲參量振蕩器，由于產(chǎn)生激光的晶體和實現(xiàn)頻率變換的晶體并非一塊晶體，諧振腔也并非共用，在一定程度上無法有效壓縮整個裝置的體積；現(xiàn)有的傳統(tǒng)太赫茲參量振蕩器相位匹配方式大多采用非共線相位匹配，太赫茲波需要采用硅棱鏡耦合輸出或需要設計復雜的晶體表面輸出結構；太赫茲參量振蕩器的調諧需要改變泵浦方向或整個參量振蕩器諧振腔的角度，機械結構的調整不利于整體器件的穩(wěn)定性。
[0005]迄今為止，國內外尚未有任何報道將集產(chǎn)生激光和非線性光學頻率變換功能為一體的自變頻Nd = PPLN晶體用于THz波的產(chǎn)生。本發(fā)明中采用自變頻晶體與太赫茲參量振蕩技術結合，將極大地降低太赫茲參量振蕩器的尺寸，而且其結構簡單，設計容易，調諧方式不改變機械結構，穩(wěn)定性好，在便攜式及集成化的太赫茲檢測或成像系統(tǒng)中具有重要應用價值。


【發(fā)明內容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術的不足，解決太赫茲參量振蕩器結構復雜，系統(tǒng)難以小型化的問題。為此，本發(fā)明采取的技術方案是，自變頻太赫茲參量振蕩器，包括:泵浦源(1)、自變頻晶體(2)、諧振腔(3)、太赫茲波輸出鏡(4);泵浦源(I)發(fā)出的泵浦光注入自變頻晶體
(2)，自變頻晶體(2)內的激活粒子吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在諧振腔(3)的反饋下產(chǎn)生激光振蕩；同時，自變頻晶體(2)具有非線性效應，對振蕩激光進行頻率變換，在同一諧振腔(3)作用下通過參量振蕩將激光轉換到太赫茲波段，產(chǎn)生的太赫茲波傳播方向與激光振蕩相同，由太赫茲波輸出鏡(4)收集并反射輸出腔外。
[0007]所述泵浦源(I)具體為:帶有聚焦透鏡的直接輸出半導體激光器或光纖耦合輸出半導體激光器，半導體激光器的輸出波長為809nm或813nm。
[0008]根據(jù)權利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述自變頻晶體⑵具體為Nd:PPLN晶體，Nd3+摻雜濃度為0.1 % _3%，晶體的極化周期為20?120 μ m，通光方向長度為10?50mm，兩端面鍛有800?820nm及1050?IlOOnm增透膜。
[0009]所述諧振腔(3)由兩個腔鏡構成，兩腔鏡腔內表面均鍍有1084nm高反膜，靠近泵浦源(I)的腔鏡兩面還需鍍有809?813nm增透膜；所述諧振腔(3)的兩個鏡片形式可以為平面鏡、平凹鏡或雙凹鏡，基質材料可以為K9玻璃、石英、藍寶石、YAG、CaF2等。
[0010]所述諧振腔(3)內插入偏振器，使激光線偏振運轉。
[0011]所述諧振腔(3)內部插入主動或被動調Q器件，使激光以脈沖形式運轉并產(chǎn)生脈沖太赫茲波。
[0012]所述太赫茲波輸出鏡(4)為離軸拋物面鏡，其中心軸與光路一致且具有直徑I?3mm通光孔，反射面鍍有鋁或金反射膜，離軸角度為45度，反射的太赫茲波垂直光路輸出腔外。
[0013]太赫茲參量振蕩器的自變頻晶體(2)內滿足共線相位匹配條件，且輸出太赫茲波長可調，通過控制自倍頻晶體的溫度、角度或極化周期改變輸出太赫茲波的波長可實現(xiàn)的調諧范圍為0.1?3THZO
[0014]與已有技術相比，本發(fā)明的技術特點與效果:
[0015]本發(fā)明自變頻太赫茲參量振蕩器通過一塊自變頻晶體及共用的諧振腔將激光的產(chǎn)生與參量振蕩的頻率變換過程結合在一起，解決了現(xiàn)有太赫茲參量振蕩器的泵浦激光器與參量振蕩器是分立系統(tǒng)，系統(tǒng)復雜且無法小型化的問題。本發(fā)明自變頻太赫茲參量振蕩器，僅采用一塊晶體，集產(chǎn)生激光及頻率變換為一體，極大地減小裝置尺寸，而且其結構簡單，設計方便，可通過改變晶體工作溫度調節(jié)輸出波長而不改變機械結構，穩(wěn)定性好，可以實現(xiàn)共線相位匹配，且能夠連續(xù)波或脈沖形式運轉，在便攜式及集成化的太赫茲檢測或成像系統(tǒng)中具有重要應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1 一種自變頻太赫茲參量振蕩器輸出的結構不意圖。
[0017]圖2諧振腔內帶有偏振器和聲光Q開關的一種自變頻太赫茲參量振蕩器輸出脈沖太赫茲波實施例。

【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明所采用的技術方案為:一種緊湊型自變頻太赫茲參量振蕩器，包括泵浦源
(I)、自變頻晶體(2)、諧振腔(3)、太赫茲波輸出鏡(4)。泵浦源(I)發(fā)出的泵浦光注入自變頻晶體(2)，自變頻晶體(2)內的激活粒子吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在諧振腔(3)的反饋下產(chǎn)生激光振蕩。同時，自變頻晶體(2)具有非線性效應，對振蕩激光進行頻率變換，在同一諧振腔(3)作用下通過參量振蕩將激光轉換到太赫茲波段，產(chǎn)生的太赫茲波傳播方向與激光振蕩相同，由太赫茲波輸出鏡(4)收集并反射輸出腔外。
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0020]如圖2所示，所述泵浦源(I)為光纖耦合輸出且?guī)в芯劢雇哥R的半導體激光器，輸出激光的中心波長為809nm，也可以是813nm，傳能光纖的芯徑為400 μ m，數(shù)值孔徑為
0.22，泵浦源(I)所附帶的聚焦透鏡將光纖傳輸?shù)募す鈺蹫橹睆?20 μ m的光斑入射到自變頻晶體(2)中，聚焦點位于自變頻晶體⑵表面內Imm處。所述自變頻晶體⑵為NdiPPLN晶體，Nd3+摻雜濃度為0.2%，極化周期為71 μ m，極化方向沿晶體z軸，晶體尺寸為ImmX 5mmX 20mm，兩端面鍍有813nm及1050?IlOOnm增透膜。所述諧振腔(3)由兩個腔鏡構成，兩腔鏡均為平凹鏡，凹面曲率半徑為100mm，鏡片基底為K9玻璃材質，兩鏡片凹面均鍍有1084nm高反膜，泵浦源一側的腔鏡兩面還同時鍍有809?813nm增透膜，諧振腔腔長為120_。諧振腔內插入偏振器￠)，具體形式為布儒斯特片，可使腔內的激光線偏振運轉，布儒斯特片為K9玻璃材質，直徑20mm，與光軸成56.6°放置，入射面與Nd = PPLN晶體的z軸和通光方向構成的平面一致，消光比大于95%。腔內還插入聲光Q開關(5)，聲光介質為熔石英，介質長度為30mm，超聲波工作頻率為27.14MHz，驅動功率為20W，有效工作孔徑
1.8mm，調Q頻率為20kHz。所述自變頻晶體⑵Nd:PPLN吸收泵浦光，激活粒子的能態(tài)由基態(tài)躍迀到激發(fā)態(tài)，使泵浦光能量儲存在激光上能級中，當聲光Q開關處于關閉狀態(tài)時，上能級粒子數(shù)不斷積累并產(chǎn)生大量反轉粒子數(shù)，當聲光Q打開時，滿足激光振蕩條件，通過諧振腔的反饋迅速實現(xiàn)劇烈的受激輻射放大，在諧振腔內建立線偏振巨脈沖激光振蕩，偏振方向與NchPPLN晶體的極化方向一致。激光的波長為1084nm，脈沖重復頻率與調Q頻率一致為20kHz。同時，在自變頻晶體⑵Nd:PPLN的非線性作用下，1084nm激光在同一所述諧振腔
(3)的作用下產(chǎn)生參量振蕩效應，將激光頻率變換到太赫茲波段，常溫下產(chǎn)生的太赫茲波頻率為1.5THZ。在諧振腔光軸方向布置拋物面鏡，離軸角度為45°，焦距100mm，反射面鍍防氧化金反射膜，中心有直徑為1.5mm的通孔以保證1084nm激光振蕩。
[0021]在采用部件的極限尺寸條件下，例如晶體的極化周期為20或120 μm，通光方向長度為10或50mm，兩端面鍍有800或820nm及1050或I 10nm增透膜本發(fā)明也能夠取得良好效果。
[0022]綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種自變頻太赫茲參量振蕩器光器，通過自變頻NchPPLN晶體及共用的諧振腔將泵浦激光的產(chǎn)生與由泵浦激光向太赫茲波的參量振蕩頻率變換過程結合在一起，極大地減小傳統(tǒng)太赫茲參量振蕩器的尺寸，而且其結構簡單，設計方便，可通過改變晶體工作溫度調節(jié)輸出波長而不改變機械結構，穩(wěn)定性好，可以實現(xiàn)共線相位匹配，且能夠連續(xù)波或脈沖形式運轉
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的一特定實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，包括:泵浦源(I)、自變頻晶體(2)、諧振腔(3)、太赫茲波輸出鏡(4);泵浦源(I)發(fā)出的泵浦光注入自變頻晶體(2)，自變頻晶體(2)內的激活粒子吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在諧振腔(3)的反饋下產(chǎn)生激光振蕩；同時，自變頻晶體(2)具有非線性效應，對振蕩激光進行頻率變換，在同一諧振腔(3)作用下通過參量振蕩將激光轉換到太赫茲波段，產(chǎn)生的太赫茲波傳播方向與激光振蕩相同，由太赫茲波輸出鏡(4)收集并反射輸出腔外。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述泵浦源(I)具體為:帶有聚焦透鏡的直接輸出半導體激光器或光纖耦合輸出半導體激光器，半導體激光器的輸出波長為809nm或813nm。
3.如權利要求1所述的自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，根據(jù)權利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述自變頻晶體⑵具體為NchPPLN晶體，Nd3+摻雜濃度為0.1% _3%，晶體的極化周期為20?120 μm，通光方向長度為10?50mm，兩端面鍍有800?820nm及1050?IlOOnm增透膜。
4.如權利要求1所述的自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述諧振腔(3)由兩個腔鏡構成，兩腔鏡腔內表面均鍍有1084nm高反膜，靠近泵浦源(I)的腔鏡兩面還需鍍有809?813nm增透膜；所述諧振腔(3)的兩個鏡片形式可以為平面鏡、平凹鏡或雙凹鏡，基質材料可以為K9玻璃、石英、藍寶石、YAG、CaF2等。
5.如權利要求1所述的自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述諧振腔(3)內插入偏振器，使激光線偏振運轉。
6.如權利要求1所述的自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述諧振腔(3)內部插入主動或被動調Q器件，使激光以脈沖形式運轉并產(chǎn)生脈沖太赫茲波。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征在于，所述太赫茲波輸出鏡(4)為離軸拋物面鏡，其中心軸與光路一致且具有直徑I?3mm通光孔，反射面鍍有鋁或金反射膜，離軸角度為45度，反射的太赫茲波垂直光路輸出腔外。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征在于，太赫茲參量振蕩器的自變頻晶體(2)內滿足共線相位匹配條件，且輸出太赫茲波長可調，通過控制自倍頻晶體的溫度、角度或極化周期改變輸出太赫茲波的波長可實現(xiàn)的調諧范圍為0.1?3THzo
【文檔編號】G02F1/35GK104503183SQ201410757225
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】鐘凱, 徐德剛, 姚建銓, 王與燁, 王茂榕, 梅嘉林, 郭拾貝 申請人:天津大學