專利名稱：基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，特別涉及一種基于超聲光柵移頻、循環(huán)移頻和拍頻原理的寬帶調(diào)諧太赫茲波光源。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)波是指工作頻率處于0. 1 IOTHz范圍內(nèi)的電磁波。 太赫茲波之所以能引起科學(xué)工作者濃厚的研究興趣，并不是因?yàn)樗衩囟r為人知的電磁輻射，更主要是因?yàn)樗哂泻芏嗒?dú)特的性質(zhì)，正是這些獨(dú)特的性質(zhì)賦予了太赫茲科學(xué)廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲波的獨(dú)特的性質(zhì)主要表現(xiàn)在透視性、安全性、光譜分辨本領(lǐng)。太赫茲輻射對很多介電材料和非極性的液體有良好的穿透性，因此可以對非透明物體進(jìn)行透視成像，另外由于太赫茲的波長大于空氣中懸浮煙霧顆粒的尺度，瑞利散射損耗極小，所以能較好地穿透煙塵和濃霧，是火災(zāi)救護(hù)或風(fēng)塵環(huán)境監(jiān)測中成像的理想光源。相比X射線具有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射的光子能量只有毫電子伏，該能量比各種化學(xué)鍵的鍵能都低，所以不會(huì)發(fā)生電離反應(yīng)，即不會(huì)破壞化合物分子結(jié)構(gòu)，因此可以應(yīng)用到安檢和生物檢測等場所，這是太赫茲的安全性的體現(xiàn)，大量的分子，尤其是有機(jī)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的躍遷譜，均處于太赫茲頻譜范圍內(nèi)，因而可以利用光譜分辨率特性實(shí)現(xiàn)物體形貌和組成成分的分析。由于太赫茲波具有上述重要的應(yīng)用前景，目前國際上已有多個(gè)小組開展了相干太赫茲波領(lǐng)域的科學(xué)研究工作，尤其是關(guān)于可調(diào)諧相干太赫茲波的產(chǎn)生方面的研究。在韓國， N. J.Kim小組于2009年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長分布式反饋激光二極管(Distributed Feedback Laser Diodes,DFB LDs)泵浦的可調(diào)諧連續(xù)波太赫茲輻射，并于2010年將太赫茲波的調(diào)諧寬度擴(kuò)大到0. 5THz。在加拿大，S. L. Pan小組于2009年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長摻餌光纖激光 (Erbium-Doped Fiber Laser,EDFL)的可調(diào)諧微波信號(hào)輸出。在美國，Y. J. Ding小組于2010 年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長差頻(Difference Frequency,DF)產(chǎn)生了緊湊、便攜式太赫茲輻射源， 其體積可以縮小到30. 48X15. 24X10. 16cm3，唯一不足的是不可調(diào)諧。在德國，波恩大學(xué)的I. Breunig小組從2007年至2010年期間不斷完善基于內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩器Gnternal Cavity Optical Parametric Oscillator, IC0P0)的可調(diào)諧太赫茲波產(chǎn)生方案，最終其調(diào)諧寬度達(dá)到2THz，但加熱爐的溫度穩(wěn)定性成為影響準(zhǔn)相位匹配(QPM)的關(guān)鍵問題。在法國，法國科學(xué)研究中心(CNRS)的J. Mangeney小組最近幾年一直致力于利用某些非線性材料(如Ina53G^47As)的光混合器(PM)產(chǎn)生可調(diào)諧連續(xù)太赫茲波的研究，最大調(diào)諧寬度為 0·9ΤΗζ。在日本，H. Ito 小組利用 UTC-PD (Uni-iTraveling-Carrier Photodioed)光混合器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)太赫茲波的產(chǎn)生，最高頻率可以達(dá)到1. 5THz。獲得太赫茲波的方式很多，原理也各異，目前產(chǎn)生可調(diào)諧相干太赫茲波的方式大致可以分為三大類。第一類是基于雙波長泵浦源研究和設(shè)計(jì)的可調(diào)諧相干太赫茲輻射；第二類是泵浦源波長固定，基于非線性級(jí)聯(lián)過程的IC0P0產(chǎn)生太赫茲波的研究和設(shè)計(jì)。第三類是基于PM的可調(diào)諧太赫茲輻射源。對于第一類而言，目前主要涉及基于DFB LDs、EDFLs、DF雙波長泵浦源的可調(diào)諧相干太赫茲輻射源研究和設(shè)計(jì)。利用DFB LDs產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍較窄，一般不到0. 5THz ；利用EDFLs方式產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍雖然可以達(dá)到0. 5THz，但其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜；而利用DF方式產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍雖然較寬，可以達(dá)到20THz，但這種方式的太赫茲輻射源裝置相當(dāng)龐大，盡管2010年，Y. J. Ding實(shí)現(xiàn)了 30. 48X15. 24X10. 16cm3緊湊的太赫茲輻射源，然而卻不可調(diào)諧。對于第二類而言，雖然目前其調(diào)諧寬度可以達(dá)到2THz，但由于溫度穩(wěn)定性原因，滿足準(zhǔn)相位匹配條件并不是件容易的事，從而使得調(diào)諧效率較低。對于第三類而言，目前最高調(diào)諧寬度為0.9THZ，顯然其調(diào)諧寬度較窄?？傊鲜龇椒ɑ蛘{(diào)諧寬度較窄，或體積龐大，或調(diào)諧效率低，或轉(zhuǎn)換效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種緊湊、便攜，易于集成，寬調(diào)諧且調(diào)諧效率高的寬帶調(diào)諧太赫茲發(fā)生器。解決本發(fā)明技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其包括激光器、第一環(huán)行器、光束分離器、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、第一光束合成器、光隔離器及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器，所述激光器輸出的光經(jīng)過第一環(huán)行器后被光束分離器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，第一光束合成器將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器接收并輻射出相干太赫茲波。進(jìn)一步地，所述激光器為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。進(jìn)一步地，所述第一環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器，第二端口連接光束分離器，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光束分離器的反射光。進(jìn)一步地，所述帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器為帶太赫茲輻射天線的基于外光電效應(yīng)的光電管單元、帶太赫茲輻射天線的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電二極管單元、帶太赫茲輻射天線的基于光變電阻效應(yīng)的光電導(dǎo)單元或光電導(dǎo)天線單元。進(jìn)一步地，所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益系數(shù)的最佳值為1， 次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值。進(jìn)一步地，所述光束分離器的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，所述光束分離器的分光比為參考光功率除以基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的輸入光功率。進(jìn)一步地，所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)包括第二光束合成器、超聲光柵、L1透鏡、L2透鏡、第二環(huán)行器、第一反饋式布喇格光柵、可調(diào)諧濾波器、光放大器和光幅度衰減器，所述光放大器和光幅度衰減器組成增益可調(diào)的光放大器。進(jìn)一步地，所述超聲光柵為透射超聲光柵，用于相位調(diào)制。進(jìn)一步地，所述第二環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口接收來自L2透鏡的光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收第一反饋式布喇格光柵的反射光。
進(jìn)一步地，所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、第一光束合成器、光隔離器和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率。進(jìn)一步地，所述環(huán)行器、光束分離器、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、第一光束合成器、光隔離器和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器的工作波段與激光器的工作波段一致。進(jìn)一步地，所述可調(diào)諧濾波器為窄帶濾波器，其允許一窄帶光輸出到第一光束合成器的輸入端，而將其它頻率的光反射到光放大器的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光的頻率與所述激光器的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光的頻率調(diào)諧范圍。進(jìn)一步地，所述可調(diào)諧濾波器為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器或布喇格光柵-全反射鏡組合體。進(jìn)一步地，所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出波的頻率調(diào)諧范圍， 所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層，所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模，所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器的輸入端。 進(jìn)一步地，所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入第一光束合成器中，所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、 磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明提供的寬帶調(diào)諧太赫茲發(fā)生器體積小，光學(xué)元件少因而易集成，調(diào)諧范圍大，調(diào)諧效率高，太赫茲產(chǎn)生效率高。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖1為本發(fā)明基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的第一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖3為本發(fā)明基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的短虛線框內(nèi)的斜條紋填充框和黑色填充框分別為反饋式布喇格光柵和全反射鏡。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，如圖1所示，其包括激光器1、環(huán)行器2、光束分離器3、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4、 光束合成器5、光隔離器6及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7。激光器1輸出的光經(jīng)過環(huán)行器2后被光束分離器3分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，光束合成器5將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器6后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7 接收并輻射出相干太赫茲波。激光器1為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。環(huán)行器2為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器1，第二端口連接光束分離器3，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光束分離器3的反射光。帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7為帶太赫茲輻射天線的基于外光電效應(yīng)的光電管單元、帶太赫茲輻射天線的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電二極管單元、帶太赫茲輻射天線的基于光變電阻效應(yīng)的光電導(dǎo)單元或光電導(dǎo)天線單元?；诔暪鈻乓祁l的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4包括光束合成器41、超聲光柵42、Li透鏡43、 L2透鏡44、環(huán)行器45、第一反饋式布喇格光柵46、可調(diào)諧濾波器47、光放大器48和光幅度衰減器49，光放大器48和光幅度衰減器49組成增益可調(diào)的光放大器。環(huán)行器2、光束分離器3、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4中各部件、光束合成器5、光隔離器6和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7的工作波段與激光器1的工作波段一致?；诔暪鈻乓祁l的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4的閉環(huán)增益系數(shù)(或稱整體增益系數(shù))的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值?；诔暪鈻乓祁l的循環(huán)頻移環(huán)節(jié)4的輸出光的幅度最佳值等于參考光的幅度，即光束分離器3的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，也即光束分離器3的分光比與基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益系數(shù)的乘積最佳值為1。光束分離器3的分光比等于參考光功率除以基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4的輸入功率。超聲光柵42為透射超聲光柵，用于相位調(diào)制。超聲光柵42的頻移原理是超聲波在透明介質(zhì)中傳播時(shí)將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變而作時(shí)間和空間上的周期性變化，導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也作相應(yīng)變化。若聲光作用距離較小時(shí)，光波通過介質(zhì)主要引起空間周期性變化，最終光波的位相受到調(diào)制。不失一般性，設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲波是沿著X方向傳播的平面縱波，其角頻率為ω s，波矢量為ks ( = 2 π / λ s)，其中λ s為超聲波波長；入射光為沿ζ方向傳播的平面波，其角頻率為ω，波矢量為Η = 2π/λ)，其中λ為真空中光波波長。當(dāng)介質(zhì)的彈性應(yīng)變較小時(shí)，折射率η隨χ和時(shí)間t的變化關(guān)系為η (X，t) = η0+ ( Δ η) msin (ω st_ksx)(1)其中Iitl表示無超聲波時(shí)介質(zhì)的折射率，(Δη)ω表示折射率的變化幅值。當(dāng)光波通過厚度為L的超聲光柵時(shí)，引起的相位變化為Δ Φ (χ, t) = kn(x, t)L = Δ Φ0+Δ Φ^ η(ωst-ksx) (2)其中Δ CDtl表示無超聲波時(shí)光通過L厚度超聲光柵的相位差，Δ Φω表示位相差的變化幅度。假設(shè)光第一次通過超聲光柵時(shí)，在ζ = "L/2平面上的電矢量為E = Aeiwt(3)則光第一次通過超聲光柵后，在ζ = L/2平面上的電矢量為五=.[血—Δφο—ΔΦ^ιω^ —AvO](4)利用數(shù)學(xué)恒等式W = Σ Jnipy, J—Λβ) = (-i)V (/3)(5 )
W=-CO(5)式中，Jn(i3)為第一類貝塞爾函數(shù)。利用(5)式可以將⑷式變化為E = CJ0(P)^cot+CJ1 (β)βι(ω-ω;> - CJ1 (β)βι(ω+ω;η+CJ2 (β)β1(ω-2ω^ + CJ2 (β)βι{ω+2ω^(6)......+cj^y(0"n03s)t +α/η(β)(-]γν(ω+ηω/) 其中，C = Aexp [i(_ Δ Φ0+Μ], β = Δ Φω。式(6)表示η級(jí)衍射的平面波電矢量疊加。另外上述變形過程中，已假定kx = ksina = nks(7)其中，α表示衍射角。若將(7)式改寫為λ Ssina = ηλ (n = 0，士 1，士2，......) (8)觀察(8)式可發(fā)現(xiàn)該式與熟知的光柵方程的表達(dá)式非常相似，其中入3相當(dāng)于光柵常數(shù)。從該式可以確定超聲光柵常數(shù)(即超聲波波長)、光波波長、不同級(jí)次衍射角三者之間的關(guān)系。結(jié)合實(shí)際情況，只取第一級(jí)衍射作為循環(huán)對象，即只關(guān)心(6)式中第二行，尤其是第二項(xiàng)表達(dá)式。則光第N次通過超聲光柵后第一級(jí)衍射的高頻部分的電矢量可以寫為-(CJ1 (β)) Nexp [i (ω +N ω s) t]，從頻率部分可以發(fā)現(xiàn)有N ω s的頻率增加。由此可見，在基于超聲光柵的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中，光波經(jīng)過N次循環(huán)移頻后獲得Ncos 的頻移量，只要該頻移量未使光的頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器的選取頻率，則光波會(huì)被反饋回循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中不斷循環(huán)，直到頻移量使光的頻率達(dá)到濾波器的選取頻率為止。另外，由于第一級(jí)衍射角與光波波長和超聲光柵常數(shù)存在一定的比例關(guān)系即 sina = λ/λ3，所以必須確定當(dāng)循環(huán)移頻后光波波長變化時(shí)角度的變化范圍。假定超聲光柵常數(shù)確定為34000nm(取聲速為340m/s，超聲波頻率為IOMHz)，那么當(dāng)光波波長從一定值(例如，1550nm)上下波動(dòng)20nm時(shí)角度的變化范圍為0. 045至0. 046rad,即2. 58°至 2.65°角度范圍。顯然，當(dāng)光波波長變化時(shí)一級(jí)衍射的角度變化不大，這對循環(huán)移頻具有重要幫助，避免了光學(xué)元件的隨時(shí)調(diào)節(jié)，利于光學(xué)集成。環(huán)行器45為三端口環(huán)行器，其第一端口接收來自L2透鏡44的光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵46，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載將吸收第一反饋式布喇格光柵46的反射光。所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4中各部件、光束合成器5、光隔離器6和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率，即工作頻率帶寬不小于所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的最大頻移范圍?？烧{(diào)諧濾波器47為窄帶濾波器，其允許一窄帶光輸出到光束合成器5的輸入端， 而將其它頻率的光反射到光放大器48的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器47的窄帶輸出光的頻率與所述激光器1的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器47的窄帶輸出光的頻率來實(shí)現(xiàn)，太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器47的窄帶輸出光的頻率調(diào)諧范圍。優(yōu)選地，可調(diào)諧濾波器47為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器(如圖2所示)或布喇格光柵-全反射鏡組合體(如圖3所示)；所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出的太赫茲波的頻率調(diào)諧范圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層， 所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模，所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波的功能。優(yōu)選地，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到光束合成器5 的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器48的輸入端；所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入光束合成器5中，所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器48的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。下面是一個(gè)實(shí)施例的各組成部分及其工作參數(shù)。激光器1選用1550nm超窄線寬半導(dǎo)體連續(xù)激光器，該激光器在25°C時(shí)的工作波長為1550nm，輸出功率為5mW，連續(xù)工作模式，最大線寬為50kHz，輸出光纖類型為SMF-觀單模光纖(9/125 μ m)。超聲光柵42的聲光介質(zhì)為純凈水，工作頻率為10MHz，衍射級(jí)次可以達(dá)到3級(jí)，衍射效率為96%，超聲頻率最大可以達(dá)到30MHz，衍射頭體積為4 X 4 X 2cm3。所選用的可調(diào)諧濾波器47對中心波長的調(diào)諧寬度達(dá)到40nm，幾乎覆蓋了整個(gè)C-band(15^nm 1610歷)，插入損耗為4. OdB,該濾波器的體積為MX8. 8X35cm3。所選用的光放大器48的工作帶寬為40nm，覆蓋了整個(gè)C-band。 所選用的光束分離器3為響應(yīng)1550nm波長的10/90的光學(xué)元件，其中10表示參考光部分， 90表示信號(hào)光部分。所選用的環(huán)行器2、45是接吸波負(fù)載的光學(xué)器件，起到光隔離效果，同時(shí)對反射回來的光利用吸波負(fù)載加以吸收，該器件既起到光隔離又起到環(huán)保作用，其響應(yīng)波長在1550nm附近。所選用的第一反饋式布喇格光柵46對載波波長1550nm起到反射抑制作用。所選用的光束合成器5、41為響應(yīng)1550nm波長的光纖耦合器。所選用的L1透鏡 43和L2透鏡44為增透1550nm附近波長的縮束系統(tǒng)，便于將光束耦合到光纖中。所選用的帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器7為響應(yīng)太赫茲波段的光導(dǎo)天線。光束分離器3將光纖輸出的1550nm激光分為兩路，一路作為參考光，另一路作為超聲光柵42的調(diào)制信號(hào)光，在超聲波頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)下超聲光柵42改變信號(hào)光的頻率，使信號(hào)光的頻率發(fā)生偏移，當(dāng)信號(hào)光的頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器47的選取頻率時(shí)，可調(diào)諧濾波器的窄帶光輸出端便輸出一窄帶光到光束合成器5的輸入端，否則信號(hào)光會(huì)沿另一光路被反射到光放大器48的輸入端，經(jīng)過光放大后進(jìn)入光束合成器41再次反饋到超聲光柵42中進(jìn)行頻率移動(dòng)。此頻率移動(dòng)過程不斷重復(fù)，最終獲得任意大小的頻率移動(dòng)，這是本方案的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。參考光和可調(diào)諧濾波器47輸出的信號(hào)光經(jīng)過光束合成器5后在響應(yīng)太赫茲波的光導(dǎo)天線7中產(chǎn)生出太赫茲波，并輻射出頻率調(diào)節(jié)范圍為5THz的相干太赫茲波。為了保證兩拍頻信號(hào)光等幅度相干疊加，在光放大器48的輸出端接上幅度衰減器49。本發(fā)明相對現(xiàn)有太赫茲波光源具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)(1)價(jià)格低廉。該方案中產(chǎn)生太赫茲波的裝置中并沒有利用非線性效應(yīng)，故不需要使用非線性晶體，極大地降低了成本。(2)緊湊、便攜?；诔暪鈻乓祁l和循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器利用市售組件組裝后的體積不超過40 X 10 X 35cm3，重量不超過^g。(3)光路簡單。在整個(gè)裝置中，只有光束分離器及L” L2透鏡為可動(dòng)光學(xué)元件，其它部分均已固定，優(yōu)選光束合成器為光纖耦合器。該裝置方便光集成。(4)調(diào)諧范圍或調(diào)諧寬度大。即便中心波長(例如，1550nm)受可調(diào)諧濾波器和光放大器的帶寬限制。對于工作帶寬為40nm的可調(diào)諧濾波器和光放大器，即能獲得5THz太赫茲波的調(diào)諧寬度。這比以往大多數(shù)太赫茲輻射源的調(diào)諧寬度都要大。隨著可調(diào)諧濾波器和帶通放大器的調(diào)諧寬度的增大，輸出太赫茲波的波長調(diào)節(jié)范圍會(huì)相應(yīng)地增加。(5)調(diào)諧效率高。該方案中的調(diào)諧主要通過超聲光柵實(shí)現(xiàn)頻率移動(dòng)，當(dāng)調(diào)節(jié)后的信號(hào)頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器的選取頻率時(shí)，可調(diào)諧濾波器的窄帶光輸出端便輸出一窄帶光到光束合成器5的輸入端，否則信號(hào)光被反射進(jìn)入光放大器，經(jīng)過放大后，再反饋到超聲光柵的輸入端，經(jīng)過超聲光柵再次進(jìn)行頻率移動(dòng)。這個(gè)過程不需要人工或計(jì)算機(jī)干預(yù)，其調(diào)諧效率相當(dāng)高。(6)太赫茲產(chǎn)生效率高。例如，采用1550nm的光纖激光器作為輸入光源，則該方案中太赫茲波是通過1550nm附近的兩束光在光束合成器5產(chǎn)生拍頻光，經(jīng)過光隔離器后再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生出太赫茲拍頻波，并由太赫茲天線輻射出來。優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換器，例如采用高效率的光導(dǎo)天線，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80%。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于其包括激光器(1)、環(huán)行器( 、光束分離器C3)、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)、光束合成器(5)、光隔離器(6)及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器(7)，所述激光器(1)輸出的光經(jīng)過環(huán)行器( 后被光束分離器C3)分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，光束合成器( 將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器(6)后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器(7)接收并輻射出相干太赫茲波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述激光器(1)為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述環(huán)行器( 為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器(1)，第二端口連接光束分離器(3)，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光束分離器(3)的反射光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器(7)為帶太赫茲輻射天線的基于外光電效 應(yīng)的光電管單元、帶太赫茲輻射天線的基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電二極管單元、帶太赫茲輻射天線的基于光變電阻效應(yīng)的光電導(dǎo)單元或光電導(dǎo)天線單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)的閉環(huán)增益系數(shù)的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述光束分離器⑶的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù) 值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，所述光束分離器(3)的分光比為參考光功率除以基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的輸入光功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)包括光束合成器(41)、超聲光柵 (42)、L1透鏡(43)、L2透鏡(44)、環(huán)行器(45)、第一反饋式布喇格光柵(46)、可調(diào)諧濾波器 (47)、光放大器08)和光幅度衰減器(49)，所述光放大器08)和光幅度衰減器G9)組成增益可調(diào)的光放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述超聲光柵0 為透射超聲光柵，用于相位調(diào)制。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述環(huán)行器0 為三端口環(huán)行器，其第一端口接收來自L2透鏡04)的光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵G6)，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收第一反饋式布喇格光柵G6)的反射光。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、光束合成器(5)、光隔離器(6)和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器(7)的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述環(huán)行器( 、光束分離器C3)、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)中各部件、光束合成器(5)、光隔離器(6)和帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器(7)的工作波段與激光器(1)的工作波段一致。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述可調(diào)諧濾波器G7)為窄帶濾波器，其允許一頻率可調(diào)的窄帶光輸出到光束合成器(5)的輸入端，而將其它頻率的光反射到光放大器G8)的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器G7)的窄帶輸出光的頻率與所述激光器(1)的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器G7)的窄帶輸出光的頻率可調(diào)范圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述可調(diào)諧濾波器G7)為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器或布喇格光柵-全反射鏡組合體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出的太赫茲波的頻率調(diào)諧范圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層，所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模，所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到光束合成器(5)的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器(48)的輸入端。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入光束合成器(5)中，所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器G8)的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其包括激光器、環(huán)行器、光束分離器、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、光束合成器、光隔離器及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器，所述激光器輸出的光經(jīng)過環(huán)行器后被光束分離器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，光束合成器中將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器接收并輻射出相干太赫茲波。本發(fā)明提供的發(fā)生器體積小，光學(xué)元件少因而易集成，調(diào)諧范圍大，調(diào)諧效率高，太赫茲產(chǎn)生效率高。
文檔編號(hào)H01S1/02GK102244334SQ20111005018
公開日2011年11月16日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者歐陽征標(biāo), 祁春超 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)