專利名稱：一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源發(fā)生裝置及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲光源產(chǎn)生技術(shù)，特指一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源發(fā)生裝置及實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz/THz)波段通常是指頻率在0. ITHz-lOTHz (波長 3mm-30 μ m) 范圍內(nèi)的電磁波，是介于紅外與毫米波波段的一個特殊電磁波波段，也就是所謂的遠(yuǎn)紅外和亞毫米波波段。近20年來太赫茲相干探測技術(shù)的突破發(fā)展，以及逐漸發(fā)現(xiàn)太赫茲波在諸如空間遙感、材料、成像、信息和通信技術(shù)、保密通信、安全檢測等應(yīng)用上的巨大應(yīng)用潛力， 使得太赫茲無論是在基礎(chǔ)研究還是在技術(shù)應(yīng)用研究上都成為研究的熱點和焦點。在太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)上，非線性光學(xué)差頻技術(shù)有著高功率、寬調(diào)諧范圍、窄線寬、可室溫工作、無光學(xué)閾值、可全固態(tài)集成等諸多明顯的優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注和研究。非線性光學(xué)差頻需要兩路激光，通常一路波長固定，另一路波長可調(diào)，然后聚焦或者平行入射到非線性晶體上，滿足相位匹配條件后可差頻出射太赫茲波，通過改變一路激光的波長即可調(diào)諧所出射太赫茲波的波長。現(xiàn)階段所采用的非線性光學(xué)差頻技術(shù)在使用中有很大的局限性專利號 200910051791. X的“一種自動測量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)”，其在太赫茲波的產(chǎn)生方法上只使用一片非線性晶體，通過雙折射效應(yīng)或者剩余色散帶特性來滿足相位匹配要求，但是由于受晶體吸收、走離效應(yīng)和高質(zhì)量晶體生長困難等影響，所能使用的晶體長度通常只有幾毫米長度，而在這幾毫米作用長度內(nèi)，兩路激光差頻的轉(zhuǎn)換效率非常小(通常小于ΙΟ—7)，遠(yuǎn)小于M-P關(guān)系式，限制了該技術(shù)手段的實際應(yīng)用。本發(fā)明充分考慮提高作用長度來提升非線性轉(zhuǎn)換效率的重要性，結(jié)合多次級聯(lián)的想法，首先利用1064nm主泵浦激光與其自倍頻532nm激光泵浦的雙波長諧振腔產(chǎn)生的兩路近簡并點雙波長激光分別進(jìn)行差頻，產(chǎn)生兩路高功率的8-18 μ m范圍內(nèi)的中紅外激光，然后將這兩路中紅外激光進(jìn)行差頻來產(chǎn)生高功率的太赫茲波，并設(shè)計合理可行的光學(xué)結(jié)構(gòu)， 利用計算機進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而通過二次級聯(lián)差頻提高作用長度實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率高功率的太赫茲信號輸出的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種外部二次級聯(lián)差頻產(chǎn)生太赫茲波光源的發(fā)生裝置及太赫茲波光源的實現(xiàn)方法，解決了傳統(tǒng)非線性光學(xué)差頻方法轉(zhuǎn)換效率過低和對晶體質(zhì)量依賴性過強的問題，同時增強了光源的可調(diào)諧性，并顯著降低了長作用長度的走離效應(yīng)。太赫茲光源發(fā)生裝置的技術(shù)方案如下外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源發(fā)生裝置如圖1所示，由主泵浦激光源1、倍頻模塊 2、雙色分光鏡3、反射鏡4、雙波長諧振腔5、偏振分光棱鏡6、分光棱鏡7、第一級非線性差頻模塊8、第二級非線性差頻模塊9、電機控制器10和計算機11組成。
所述的主泵浦激光源1為摻銣釔鋁石榴石型脈沖激光源，它產(chǎn)生1064nm的泵浦激光光束，偏振方向水平。所述的倍頻模塊2的作用是將主泵浦激光源1的激光光束倍頻至532nm，作為雙波長諧振腔5的泵浦源，532nm激光光束偏振方向豎直。所述的雙色分光鏡3的作用是透射532nm激光光束，反射倍頻后剩余的1064nm激光光束。所述的反射鏡4的作用是調(diào)整532nm激光光束方向。所述的雙波長諧振腔5的作用是產(chǎn)生簡并點1064nm附近的兩路激光光束，其中一路波長較短的激光光束稱為信號光，偏振方向豎直，另一路波長較長的激光光束稱為閑頻光，偏振方向水平。雙波長諧振腔5由532nm激光泵浦。所產(chǎn)生兩路激光波長可調(diào)諧范圍在800nm至1350nm之間，步長小于0. 5nm。所述的偏振分光棱鏡6的作用是反射信號光，透射閑頻光。所述的分光棱鏡7的作用是將入射的1064nm激光光束分成等功率兩路。所述的第一級非線性差頻模塊8的作用的是將1064nm激光光束與雙波長諧振腔 5產(chǎn)生的信號光和閑頻光分別進(jìn)行差頻，產(chǎn)生兩路高功率的中紅外激光。其中第一反射鏡
8.1、第二反射鏡8. 2、第三反射鏡8. 3、第四反射鏡8. 4、第五反射鏡8. 5、第六反射鏡8. 6 的作用是調(diào)整激光光束方向；其中第一半波片8. 7、第二半波片8. 8、第三半波片8. 9、第四半波片8. 10的作用是調(diào)整激光光束的偏振方向；其中第一偏振分光棱鏡8. 11、第二偏振分光棱鏡8. 12的作用是將兩路激光調(diào)整成共線方向；其中使用的第一非線性晶體8. 13是 ( ，其通光尺寸為15mmX15mm(光軸方向15mm)；其中第一電動旋轉(zhuǎn)臺8. 14的作用是調(diào)整第一非線性晶體8. 13的光軸方向，使得和入射激光束的夾角滿足相位匹配條件；其中使用的第二非線性晶體8. 15是( ，其通光尺寸為15mmX15mm(光軸方向15mm)；其中第二電動旋轉(zhuǎn)臺8. 16的作用是調(diào)整第二非線性晶體8. 15的光軸方向，使得和入射激光束的夾角滿足相位匹配條件。所述的第二級非線性差頻模塊9的作用是將第一級非線性差頻模塊8產(chǎn)生的兩路中紅外激光光束在第三非線性晶體9. 5中進(jìn)行光學(xué)差頻，得到太赫茲波的出射；其中第七反射鏡9. 1、第八反射鏡9. 2、第九反射鏡9. 3的作用是調(diào)整兩路激光光束方向；第三偏振分光棱鏡9. 4的作用是將兩路激光調(diào)整成共線方向；其中使用的第三非線性晶體9. 5是 ( ，其通光尺寸為IOmmX2mm(光軸方向2mm)；其中第三電動旋轉(zhuǎn)臺9. 6的作用是調(diào)整第三非線性晶體9. 5的光軸方向，使得和入射激光束的夾角滿足相位匹配條件；長波濾波片
9.7的作用是將剩余的兩路中紅外激光光束過濾掉，而將太赫茲激光透射；聚乙烯透鏡9. 8 的作用是將太赫茲激光進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直。所述的電機控制器10的作用是對雙波長諧振腔5、第一級非線性差頻模塊8、第二級非線性差頻模塊9上的電動旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行控制。所述的計算機11的作用是給出系統(tǒng)參數(shù)指令，通過電機控制器10來控制整個太赫茲光源的工作參數(shù)。計算機11、電機控制器10和裝置中的電動旋轉(zhuǎn)臺以電連接方式傳遞控制信號。第一級非線性差頻模塊8可將主泵浦激光源1出射的1064nm激光和雙波長諧振腔5產(chǎn)生的兩路激光光束分別在第一非線性晶體8. 13和第二非線性晶體8. 15中進(jìn)行差頻從而產(chǎn)生兩路高功率的中紅外激光，第二級非線性差頻模塊9將第一級非線性差頻模塊8 產(chǎn)生的兩路中紅外激光在第三非線性晶體9. 5中進(jìn)行差頻從而產(chǎn)生高功率的太赫茲激光； 裝置通過調(diào)整雙波長諧振腔5的輸出波長來改變出射的太赫茲波光源頻率。裝置太赫茲波光源的實現(xiàn)方法如下由主泵浦激光源1出射的1064nm波長的脈沖激光經(jīng)倍頻模塊2后出射532nm的激光，532nm激光和剩余的1064nm激光經(jīng)雙色分光鏡3后光束分開；532nm激光經(jīng)反射鏡4 光路調(diào)整后進(jìn)行泵浦雙波長諧振腔5，產(chǎn)生近簡并點附近的兩路激光，即波長較短的信號光和波長較長的閑頻光，信號光和閑頻光通過偏振分光棱鏡6光束分開；而剩余的1064nm激光由分光棱鏡7分成等功率的兩路1064nm激光，一路1064nm激光依次經(jīng)第一半波片8. 7、 第一反射鏡8. 1后，與由雙波長諧振腔5出射的依次經(jīng)第三反射鏡8. 3、第二半波片8. 8、第二反射鏡8. 2調(diào)整后的信號光在第一偏振分光棱鏡8. 11處調(diào)整成共線方向，然后通過第一非線性晶體8. 13 (第一電動旋轉(zhuǎn)臺8. 14根據(jù)計算機指令將第一非線性晶體8. 13光軸方向轉(zhuǎn)至與入射激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生一路中紅外激光，另一路1064nm 激光依次經(jīng)第四反射鏡8. 4、第三半波片8. 9后，與由雙波長諧振腔5出射的依次經(jīng)第五反射鏡8. 5、第四半波片8. 10、第六反射鏡8. 6調(diào)整后的閑頻光在第二偏振分光棱鏡8. 12處調(diào)整成共線方向，然后通過第二非線性晶體8. 15(第二電動旋轉(zhuǎn)臺8. 16根據(jù)計算機指令將第二非線性晶體8. 15光軸方向轉(zhuǎn)至與入射激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生一路中紅外激光；從第一非線性晶體8. 13中光學(xué)差頻出射的中紅外激光依次經(jīng)第七反射鏡9. 1、第八反射鏡9. 2后，與從第二非線性晶體8. 15中光學(xué)差頻出射的經(jīng)第九反射鏡9. 3 調(diào)整后的中紅外激光在第三偏振分光棱鏡9. 4處調(diào)整成共線方向，然后通過第三非線性晶體9. 5 (第三電動旋轉(zhuǎn)臺9. 6根據(jù)計算機指令將第三非線性晶體9. 5光軸方向轉(zhuǎn)至與入射激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生太赫茲激光，出射的太赫茲激光依次經(jīng)長波濾波片9. 7和聚乙烯透鏡9. 8進(jìn)行濾波準(zhǔn)直。計算機11給出系統(tǒng)參數(shù)指令，改變雙波長諧振腔5的出射激光波長來調(diào)諧太赫茲波長，并通過電機控制器10控制各個電動旋轉(zhuǎn)臺來改變各個非線性晶體的位置參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點是1、太赫茲源功率高，單色性好，非線性光學(xué)差頻轉(zhuǎn)換效率高；2、降低對晶體質(zhì)量的依賴性，通過將差頻波長調(diào)整到晶體的中紅外透明波段大大降低了晶體吸收對于差頻的影響；3、通過改變雙差頻波長來連續(xù)調(diào)諧太赫茲波長，增強了光源的可調(diào)諧性，彌補了 C02激光器在中紅外差頻中波長調(diào)諧性差的不足；4、顯著降低了非線性光學(xué)差頻過程中的走離效應(yīng)。5、太赫茲光源結(jié)構(gòu)緊湊，可全固態(tài)集成，并使用計算機全自動控制。


圖1為太赫茲光源原理示意圖。圖中標(biāo)號1為主泵浦激光源、2為倍頻模塊、3為雙色分光鏡、4為反射鏡、5為雙波長諧振腔、6為偏振分光棱鏡、7為分光棱鏡、8為第一級非線性差頻模塊(8. 1為第一反射鏡、8. 2為第二反射鏡、8. 3為第三反射鏡、8. 4為第四反射鏡、8. 5為第五反射鏡、8. 6為第六反射鏡、8. 7為第一半波片、8. 8為第二半波片、8. 9為第三半波片、8. 10為第四半波片、
8.11為第一偏振分光棱鏡、8. 12為第二偏振分光棱鏡、8. 13為第一非線性晶體、8. 14為第一電動旋轉(zhuǎn)臺、8. 15為第二非線性晶體、8. 16為第二電動旋轉(zhuǎn)臺)、9為第二級非線性差頻模塊(9. 1為第七反射鏡、9. 2為第八反射鏡、9. 3為第九反射鏡、9. 4為第三偏振分光棱鏡、
9.5為第三非線性晶體、9. 6為第三電動旋轉(zhuǎn)臺、9. 7為長波濾波片、9. 8為聚乙烯透鏡)、10 為電機控制器、11為計算機。圖1中粗線為光路，細(xì)線為電路。
具體實施例方式結(jié)合圖1，以產(chǎn)生300 μ m太赫茲激光為例對發(fā)明作進(jìn)一步的描述由主泵浦激光源1出射的1064nm波長的脈沖激光經(jīng)倍頻模塊2后出射532nm的激光，532nm激光和剩余的1064nm激光經(jīng)雙色分光鏡3后光束分開；532nm激光經(jīng)反射鏡 4光路調(diào)整后進(jìn)行泵浦雙波長諧振腔5，產(chǎn)生近簡并點附近的兩路激光，一路信號光波長為 999nm，一路閑頻光波長為1160nm，信號光和閑頻光通過偏振分光棱鏡6光束分開；而剩余的1064nm激光經(jīng)分光棱鏡7后分成等功率的兩路1064nm激光，一路1064nm激光依次經(jīng)第一半波片8. 7、第一反射鏡8. 1后，與依次經(jīng)第三反射鏡8. 3、第二半波片8. 8、第二反射鏡
8.2調(diào)整后的999nm激光經(jīng)第一偏振分光棱鏡8. 11調(diào)整成共線方向，然后通過第一非線性晶體8. 13 (第一電動旋轉(zhuǎn)臺8. 14根據(jù)計算機指令將第一非線性晶體8. 13光軸方向轉(zhuǎn)至與 999nm激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生16. Iym激光，另一路1064nm激光依次經(jīng)第四反射鏡8. 4、第三半波片8. 9后，與依次經(jīng)第五反射鏡8. 5、第四半波片8. 10、第六反射鏡8. 6調(diào)整后的lieOnm激光經(jīng)第二偏振分光棱鏡8. 12調(diào)整成共線方向，然后通過第二非線性晶體8. 15 (第二電動旋轉(zhuǎn)臺8. 16根據(jù)計算機指令將第二非線性晶體8. 15光軸方向轉(zhuǎn)至與1 ieOnm激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生17 μ m激光；16. 1 μ m激光依次經(jīng)第七反射鏡9. 1、第八反射鏡9. 2后，與經(jīng)第九反射鏡9. 3調(diào)整后的17 μ m激光在第三偏振分光棱鏡9. 4處調(diào)整成共線方向，然后通過第三非線性晶體9. 5 (第三電動旋轉(zhuǎn)臺
9.6根據(jù)計算機指令將第三非線性晶體9. 5光軸方向轉(zhuǎn)至與16. Iym激光光束方向為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生300 μ m的太赫茲激光，出射的太赫茲激光依次經(jīng)長波濾波片9. 7 和聚乙烯透鏡9. 8進(jìn)行濾波準(zhǔn)直。計算機11給出系統(tǒng)參數(shù)指令，改變雙波長諧振腔5的出射激光波長，并通過電機控制器10控制各個電動旋轉(zhuǎn)臺來改變各個非線性晶體的位置參數(shù)。本發(fā)明進(jìn)一步描述如下主要器件a)主泵浦激光器德國IrmoLas公司生產(chǎn)的脈沖Nd: YAG激光器，型號為 SpitLight200/10，波長 1064nm ；b)雙波長諧振腔美國Continuum公司生產(chǎn)的Surelite OPO Plus激光器，使用 532nm激光泵浦；c)分光棱鏡=Thorlabs公司型號為BSOl 1的寬波段分束棱鏡，可用波段為 700-1200nm ；d)偏振分光棱鏡福建dayoptics公司生產(chǎn)的PBS型號產(chǎn)品；e)電動旋轉(zhuǎn)臺日本Harmonic Drive Systems公司的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源發(fā)生裝置，包括主泵浦激光源(1)、倍頻模塊 (2)、雙色分光鏡( 、反射鏡(4)、雙波長諧振腔( 、偏振分光棱鏡(6)、分光棱鏡(7)、第一級非線性差頻模塊(8)、第二級非線性差頻模塊(9)、電機控制器(10)和計算機(11)，其特征在于第一級非線性差頻模塊(8)可以將主泵浦激光源(1)出射的1064nm激光和雙波長諧振腔( 產(chǎn)生的兩路激光光束分別在第一非線性晶體(8. 13)和第二非線性晶體(8. 15) 中進(jìn)行差頻從而產(chǎn)生兩路高功率的中紅外激光，第二級非線性差頻模塊(9)可以將第一級非線性差頻模塊(8)產(chǎn)生的兩路中紅外激光在第三非線性晶體(9. 5)中進(jìn)行差頻從而產(chǎn)生高功率的太赫茲激光；所述的裝置通過調(diào)整雙波長諧振腔(5)的輸出波長來改變出射的太赫茲波光源頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源，其特征在于所述的主泵浦激光源(1)是摻銣釔鋁石榴石型脈沖激光源；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源，其特征在于所述的第一非線性晶體(8. 13)和第二非線性晶體(8. 15) ^GaSe晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源，其特征在于所述的第三非線性晶體(9. 5) ^GaSe晶體。
5.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的太赫茲光源實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟1)主泵浦激光源(1)出射的1064nm波長的脈沖激光經(jīng)倍頻模塊( 后出射532nm的激光，532nm激光和剩余的1064nm激光經(jīng)雙色分光鏡( 后光束分開；2)532nm激光經(jīng)反射鏡(4)光路調(diào)整后進(jìn)行泵浦雙波長諧振腔(5)，產(chǎn)生近簡并點附近的兩路激光，即波長較短的信號光和波長較長的閑頻光，信號光和閑頻光通過偏振分光棱鏡6光束分開；3)剩余的1064nm激光由分光棱鏡(7)分成等功率的兩路1064nm激光，其中一路 1064nm激光依次經(jīng)第一半波片(8. 7)、第一反射鏡(8. 1)后，與由雙波長諧振腔(5)出射的依次經(jīng)第三反射鏡(8. 3)、第二半波片(8. 8)、第二反射鏡(8. 調(diào)整后的信號光在第一偏振分光棱鏡(8. 11)處調(diào)整成共線方向，然后通過第一非線性晶體(8. 13)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生一路中紅外激光；另一路1064nm激光依次經(jīng)第四反射鏡(8. 4)、第三半波片(8. 9)后， 與由雙波長諧振腔(5)出射的依次經(jīng)第五反射鏡(8. 5)、第四半波片(8. 10)、第六反射鏡 (8.6)調(diào)整后的閑頻光在第二偏振分光棱鏡(8. 12)處調(diào)整成共線方向，然后通過第二非線性晶體(8. 15)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生一路中紅外激光；4)從第一非線性晶體(8.13)中光學(xué)差頻出射的中紅外激光依次經(jīng)第七反射鏡(9. 1)、 第八反射鏡(9.2)后，與從第二非線性晶體(8. 15)中光學(xué)差頻出射的經(jīng)第九反射鏡(9.3) 調(diào)整后的中紅外激光在第三偏振分光棱鏡(9.4)處調(diào)整成共線方向，然后通過第三非線性晶體(9. 5)進(jìn)行光學(xué)差頻產(chǎn)生太赫茲激光，出射的太赫茲激光依次經(jīng)長波濾波片(9. 7)和聚乙烯透鏡(9. 8)進(jìn)行濾波準(zhǔn)直；5)計算機(11)給出系統(tǒng)參數(shù)指令，改變雙波長諧振腔( 的出射激光波長來調(diào)諧太赫茲波長。
全文摘要
本發(fā)明公開一種外部二次級聯(lián)差頻太赫茲光源發(fā)生裝置及實現(xiàn)方法，它首先利用1064nm主泵浦激光與其自倍頻532nm激光泵浦的雙波長諧振腔產(chǎn)生的兩路近簡并點雙波長激光分別進(jìn)行差頻，產(chǎn)生兩路高功率的8-18μm范圍內(nèi)的中紅外激光，然后將這兩路中紅外激光進(jìn)行差頻來產(chǎn)生高功率的太赫茲波，通過二次級聯(lián)差頻的方式提高了轉(zhuǎn)換效率，并設(shè)計合理可行的光學(xué)結(jié)構(gòu)，利用計算機進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實現(xiàn)一種具有功率高，單色性好，調(diào)諧范圍寬，結(jié)構(gòu)緊湊，可全固態(tài)集成的太赫茲光源。
文檔編號H01S1/02GK102354897SQ20111025274
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者侯云, 沈?qū)W民, 陸金星, 高艷卿, 黃志明, 黃敬國 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所