種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器包括激光泵浦系統(tǒng)、種子光系統(tǒng)和非線性晶體，由激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角經(jīng)過非線性晶體，所述非線性晶體的拉曼與紅外活性振動(dòng)模，產(chǎn)生受激激子散射，產(chǎn)生非線性參量過程：獲得0.6-3.0THz的太赫茲波。本發(fā)明所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，使用了一種新型實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，在非線性晶體的尺寸允許下，泵浦光和種子光的光斑尺寸可以任意大，并且可以調(diào)節(jié)泵浦光到達(dá)非線性晶體的光程，使得泵浦光脈沖和種子光脈沖在時(shí)間上同步以提高太赫茲輸出能量。
【專利說明】種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器及其應(yīng)用，屬于太赫茲源的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]受激激子散射是一種產(chǎn)生太赫茲輻射的重要技術(shù)，通過某些晶體的受激激子散射可以獲得可見，近紅外，以及太赫茲波段的連續(xù)可調(diào)諧激光。與其他技術(shù)的太赫茲源，如光整流、量子級(jí)聯(lián)激光器、以及電學(xué)的太赫茲源相比，這種基于受激激子散射的太赫茲參量源具有可封裝集成、室溫工作、使用方便、便于調(diào)諧、線寬窄等優(yōu)點(diǎn)。太赫茲參量源一直是太赫茲產(chǎn)生領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)國內(nèi)外已經(jīng)有大量關(guān)于太赫茲參量源的報(bào)道，他們主要利用的晶體LiNbO3或者M(jìn)gO: LiNbO3作為非線性轉(zhuǎn)換的工作介質(zhì)，這些參量源的耦合方式一般都是光柵耦合、硅棱鏡、硅棱鏡陣列耦合以及單點(diǎn)的垂直表面發(fā)射的耦合方式，并基于振蕩器產(chǎn)生能量較高的太赫茲波的輸出。這種基于振蕩器的太赫茲參量源的泵浦源的光斑尺寸受到參量振蕩器的限制，并且參與參量過程的三波的脈沖在時(shí)間不同步，從而限制了高能量太赫茲波的產(chǎn)生。因此能否通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)以獲得大能量太赫茲波的輸出，成為本領(lǐng)域所亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，該產(chǎn)生器克服現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的太赫茲波能量較低的缺點(diǎn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的合理設(shè)計(jì)，以獲得大能量的太赫茲波束，大大提高了太赫茲波轉(zhuǎn)化效率，使得轉(zhuǎn)化效率提高2-4倍。
[0004]本發(fā)明還公開了上述太赫茲產(chǎn)生器的工作方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器包括激光泵浦系統(tǒng)、種子光系統(tǒng)和非線性晶體，由激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角經(jīng)過非線性晶體，所述非線性晶體的拉曼與紅外活性振動(dòng)模，產(chǎn)生受激激子散射，產(chǎn)生非線性參量過程:獲得0.6-3.0THz的太赫茲波。在非線性晶體尺寸允許下，增大泵浦脈沖激光和種子脈沖光的光斑尺寸，調(diào)節(jié)泵浦脈沖激光和種子脈沖光脈沖延時(shí)，以獲得最大的太赫茲能量輸出。本發(fā)明所述的太赫茲參量產(chǎn)生器的太赫茲參量源在非線性晶體側(cè)面的垂直或者近于垂直I禹合輸出。
[0007]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述非線性晶體的兩端面均鍍有IOOOnm — IlOOnm波長的增透膜。切割角度如圖1中10所示，本發(fā)明中的所有非線性晶體的尺寸可以根據(jù)具體要求進(jìn)行選取。
[0008]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光之間的夾角的夾角范圍為0.5-3.0°，以獲得調(diào)諧范圍為0.6-3.0THz。
[0009]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光通過改變其到達(dá)非線性晶體的光程使其和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光在時(shí)間上同步。
[0010]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述激光泵浦系統(tǒng)為閃光燈泵浦低重頻的1-1OOHz的激光系統(tǒng)；所述激光泵浦系統(tǒng)的泵浦功率密度> 20MW/cm2，輸出波長為1064nm。
[0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光，輸出波長為1066nm-1080nm,重復(fù)頻率是 1-1OOHz。
[0012]—種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器的工作方法如下:
[0013]激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角進(jìn)入所述非線性晶體中，與非線性晶體中同時(shí)具有拉曼與紅外活性的晶體振動(dòng)模相互作用，產(chǎn)生受激激子散射，種子脈沖光增強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生太赫茲輻射波，改變泵浦脈沖激光到達(dá)非線性晶體的光程以獲得泵浦脈沖激光和種子脈沖光在時(shí)間上的同步。獲得大能量的太赫茲在Stokes激光發(fā)生全反射位置的垂直耦合出射。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:
[0015]本發(fā)明所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，使用了一種新型實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，在非線性晶體的尺寸允許下，泵浦光和種子光的光斑尺寸可以任意大，并且可以調(diào)節(jié)泵浦光到達(dá)非線性晶體的光程，使得泵浦光脈沖和種子光脈沖在時(shí)間上同步以提高太赫茲輸出能量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為是本發(fā)明的燈泵外腔脈沖式泵浦光和TPO產(chǎn)生的脈沖式種子光泵浦MgOiLiNbO3晶體,種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量源的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]其中:1.泵浦激光諧振腔后腔鏡，2.恒溫冷卻系統(tǒng)，3.調(diào)Q開關(guān)，4.起偏器，5.激光增益介質(zhì)，6.閃光燈泵浦系統(tǒng)，7.泵浦激光諧振腔輸出鏡，8.半波片，9.種子光高反鏡，10.太赫茲參量產(chǎn)生器非線性晶體，11.TPO種子光系統(tǒng)，12.0PO種子光系統(tǒng)，13.泵浦光高反鏡，14.種子光高反鏡，15.泵浦光高反鏡16.種子光擴(kuò)束器，17.泵浦光擴(kuò)束器，18.位移平臺(tái)，19.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，20.泵浦光高反鏡，21.種子光高反鏡，22.種子光高反鏡，23.種子光高反鏡，24.種子光高反鏡，25.種子光高反鏡，26.位移平臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)針對(duì)說明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不限于此。
[0020]實(shí)施例1、
[0021]如圖2所示。
[0022]一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器包括激光泵浦系統(tǒng)、種子光系統(tǒng)和非線性晶體，由激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角經(jīng)過非線性晶體，所述非線性晶體的拉曼與紅外活性振動(dòng)模，產(chǎn)生受激激子散射，產(chǎn)生非線性參量過程:獲得0.6-3.0THz的太赫茲波。在非線性晶體尺寸允許下，增大泵浦脈沖激光和種子脈沖光的光斑尺寸，調(diào)節(jié)泵浦脈沖激光和種子脈沖光脈沖延時(shí)，以獲得最大的太赫茲能量輸出。本發(fā)明所述的太赫茲參量產(chǎn)生器的太赫茲參量源在非線性晶體側(cè)面的垂直或者近于垂直I禹合輸出。[0023]所述非線性晶體,所述的非線性晶體為MgO = LiNbO3或者LiNb03。所述非線性晶體的兩端面均鍍有1000nm — IlOOnm波長的增透膜。切割角度如圖1中10所示，本發(fā)明中的所有非線性晶體的尺寸可以根據(jù)具體要求進(jìn)行選取。
[0024]所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光之間的夾角范圍為0.5-3.0°，以獲得調(diào)諧范圍為0.6-3.0THz。
[0025]所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光通過改變其到達(dá)非線性晶體的光程使其和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光在時(shí)間上同步。
[0026]所述激光泵浦系統(tǒng)為閃光燈泵浦低重頻的1-1OOHz的激光系統(tǒng)；所述激光泵浦系統(tǒng)的泵浦功率密度≥20MW/cm2，輸出波長為1064nm。
[0027]所述的種子光系統(tǒng)是TPO (太赫茲參量振蕩器)產(chǎn)生的Stokes脈沖激光束,輸出波長為1066nm-1080nm,重復(fù)頻率是1-1OOHz。
[0028]具體結(jié)構(gòu)如下:
[0029]一種種子注入式太赫茲參量產(chǎn)生器包括泵浦激光諧振腔后腔鏡1，恒溫冷卻系統(tǒng)2，調(diào)Q開關(guān)3，起偏器4，激光增益介質(zhì)5，閃光燈泵浦系統(tǒng)6，泵浦激光諧振腔輸出鏡7，半波片8，種子光高反鏡9，太赫茲參量源的非線性晶體10，TPO種子光系統(tǒng)11，泵浦光高反鏡
13、14、15,20,種子光擴(kuò)束器16，泵浦光擴(kuò)束器17，位移平臺(tái)18，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)19。泵浦光和種子光以一定的夾角進(jìn)入非線性晶體構(gòu)成種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器；1和7構(gòu)成泵浦激光振蕩的諧振腔，諧振腔中放置的激光增益介質(zhì)5為摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光晶體、電光調(diào)Q開關(guān)3、起偏器4以及閃光燈泵浦系統(tǒng)6，共同組成太赫茲參量源的泵浦系統(tǒng)，13、14和18構(gòu)成泵浦光的延時(shí)器?；谑芗ぜぷ由⑸涞姆N子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器的工作方法如下:由閃光燈泵浦系統(tǒng)6激發(fā)激光增益介質(zhì)5，所產(chǎn)生的基頻光通過激光諧振腔輸出鏡7輸 出，通過半波片8調(diào)整偏振態(tài)、泵浦光高反鏡20、13、14、15和擴(kuò)束器16進(jìn)入非線性晶體10 ，TPO種子光系統(tǒng)11產(chǎn)生的脈沖式種子光經(jīng)過延時(shí)器、擴(kuò)束器、高反鏡9，與泵浦光成一定夾角進(jìn)入非線性晶體10中，由于MgO = LINbO3晶體同時(shí)具有拉曼和紅外活性，因而會(huì)產(chǎn)生受激激子散射，放大種子光，同時(shí)在種子發(fā)生全反射的部位產(chǎn)生太赫茲輸出。在晶體尺寸允許下，調(diào)節(jié)擴(kuò)束器16、17，增大泵浦光和種子光的光斑尺寸，調(diào)節(jié)位移平臺(tái)18和26以改變泵浦光和種子光達(dá)到晶體的光程，使得泵浦光脈沖和種子光脈沖在時(shí)間上同步，獲得最大的太赫茲能量輸出。MgO = LINbO3晶體10作為非線性介質(zhì)，可以有效的產(chǎn)生泵浦光和太赫茲轉(zhuǎn)換，根據(jù)泵浦光和種子光的夾角不同可以獲得0.6-3.0THz范圍內(nèi)的可調(diào)諧太赫茲輸出。上述Nd: YAG激光晶體5和閃光燈泵浦系統(tǒng)6均通過冷卻系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制，保持溫度在20°C。
[0030]所述的激光晶體Nd = YAG晶體5的尺寸為Φ 6mmX 10mm,其摻雜濃度為l_at.%兩個(gè)端面均鍍有1000nm — IlOOnm波長的增透膜(透過率大于99.8%)。
[0031]所述的電光調(diào)Q裝置3由高壓電源和調(diào)Q晶體組成，調(diào)Q晶體的長度為40mm，兩端面均鍍有對(duì)1000nm — IlOOnm波長的增透膜(透過率大于99.8%);調(diào)制頻率為10Hz。
[0032]所述的MgO = LiNbO3晶體10的尺寸:晶體長度為65mm,寬度為46mm,晶體沿著z軸的高度為10mm，兩端面均鍍有對(duì)1000nm — IlOOnm波段的增透膜(透過率大于99.8%)。
[0033]所述的激光諧振腔后腔鏡I為平鏡，鍍有1000nm — IIOOnm波段的高反膜(反射率大于 99.8%)。[0034]所述的激光諧振腔輸出鏡7在1.064微米附近波長的鍍膜透過率為80%。
[0035]所述的泵浦激光的諧振腔腔長為370mm。
[0036]所述的泵浦光高反鏡13、14、15、20為平鏡，鍍有IOOOnm — IlOOnm波段的高反膜
(反射率大于99.8%)。
[0037]所述的種子光高反鏡9、21、22、23、24、25為平鏡，鍍有IOOOnm — IlOOnm波段的高
反膜(反射率大于99.8%)。
[0038]所述的泵浦光擴(kuò)束器17，兩端面均鍍有對(duì)IOOOnm — IIOOnm波段的增透膜(透過率大于99.8%)
[0039]所述的種子光擴(kuò)束器16，兩端面均鍍有對(duì)IOOOnm — IIOOnm波段的增透膜(透過率大于 99.8%)。
[0040]工作流程:閃光燈泵浦系統(tǒng)6激發(fā)摻釹釔鋁石榴石Nd: YAG晶體5，當(dāng)電光調(diào)Q裝置3關(guān)閉時(shí)，泵浦光轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)粒子存儲(chǔ)起來；當(dāng)Q開關(guān)3打開時(shí)，積攢的大量反轉(zhuǎn)粒子通過受激輻射瞬間轉(zhuǎn)為1064.2nm基頻光；具有較高峰值功率的基頻光輸出并和TPO種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖式種子光以一定的夾角進(jìn)入到非線性晶體MgO = LiNbO3，由于MgO = LiNbO3晶體的Al振動(dòng)模的作用，可以將基頻光轉(zhuǎn)為種子光，同時(shí)產(chǎn)生太赫茲輻射波。在1064.2nm的單脈沖能量為320mJ、重復(fù)頻率為10Hz，泵浦角度固定為1.5°時(shí)，獲得單束太赫茲輻射通過GolayCell測(cè)量的電壓幅值為13V。
[0041]實(shí)施例2、
[0042]如實(shí)施例1所述種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其區(qū)別在于，所述種子光系統(tǒng)為OPO種子光系統(tǒng)12。
[0043]實(shí)施例3、
[0044]如實(shí)施例1所述一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器的工作方法如下:
[0045]激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角進(jìn)入所述非線性晶體中，與非線性晶體中同時(shí)具有拉曼與紅外活性的晶體振動(dòng)模相互作用，產(chǎn)生受激激子散射，種子脈沖光增強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生太赫茲輻射波，改變泵浦脈沖激光到達(dá)非線性晶體的光程以獲得泵浦脈沖激光和種子脈沖光在時(shí)間上的同步。獲得大能量的太赫茲在Stokes激光發(fā)生全反射位置的垂直耦合出射。
【權(quán)利要求】
1.一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，該產(chǎn)生器包括激光泵浦系統(tǒng)、種子光系統(tǒng)和非線性晶體，由激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角經(jīng)過非線性晶體，所述非線性晶體的拉曼與紅外活性振動(dòng)模，產(chǎn)生受激激子散射，產(chǎn)生非線性參量過程:獲得0.6-3.0THz的太赫茲波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，所述非線性晶體的兩端面均鍍有1000nm — IlOOnm波長的增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光之間的夾角的夾角范圍為0.5-3.0°，以獲得調(diào)諧范圍為0.6-3.0THz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，所述激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光通過改變其到達(dá)非線性晶體的光程使其和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光在時(shí)間上同步。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，所述激光泵浦系統(tǒng)為閃光燈泵浦低重頻的1-1OOHz的激光系統(tǒng)；所述激光泵浦系統(tǒng)的泵浦功率密度≥20MW/cm2，輸出波長為1064nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器，其特征在于，所述的種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光，輸出波長為1066nm-1080nm,重復(fù)頻率是1-1OOHz。
7.如權(quán)利要求1所述的一種種子注入式表面垂直發(fā)射太赫茲參量產(chǎn)生器的工作方法如下: 激光泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦脈沖激光和種子光系統(tǒng)產(chǎn)生的種子脈沖光以一定的夾角進(jìn)入所述非線性晶體中，與非線性晶體中同時(shí)具有拉曼與紅外活性的晶體振動(dòng)模相互作用，產(chǎn)生受激激子散射，種子脈沖光增強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生太赫茲輻射波，改變泵浦脈沖激光到達(dá)非線性晶體的光程以獲得泵浦脈沖激光和種子脈沖光在時(shí)間上的同步。
【文檔編號(hào)】H01S3/30GK103825189SQ201410083913
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】張行愚, 唐關(guān)琦, 王偉濤, 叢振華, 陳曉寒, 劉兆軍, 王青圃 申請(qǐng)人:山東大學(xué)