基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法
【專利摘要】一種基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法，有激光器和接收激光器出射光的由聚焦凸透鏡和聚焦凹透鏡組成的聚焦透鏡組；摻氧化鎂鈮酸鋰晶體；第一泵浦光高反鏡和第二泵浦光高反鏡；位于第二泵浦光高反鏡和可旋轉(zhuǎn)電控振鏡的反射光路上的第一環(huán)形腔腔鏡；位于通過摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的泵浦光反射光路和摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的Stokes光出射光路上的第三環(huán)形腔腔鏡；位于第三環(huán)形腔腔鏡的反射光路上的第二環(huán)形腔腔鏡；位于第二環(huán)形腔腔鏡的反射光路上的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡；用于接收第二環(huán)形腔腔鏡的透射光的激光接收器；用于控制可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上電壓的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率快速調(diào)諧，可實(shí)現(xiàn)THz波高功率穩(wěn)定輸出。
【專利說明】基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲參量振蕩輻射源。特別是涉及一種基于羅蘭圓的快速調(diào)諧 太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（Terahertz，簡稱THz，ITHz = 1012Hz)輻射源是THz領(lǐng)域科技發(fā)展的關(guān)鍵 核心技術(shù)，它是指頻率從100GHz到ΙΟΤΗζ，相應(yīng)的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅 外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，具有一 系列特殊的性質(zhì)。特別是可快速調(diào)諧、高功率、窄線寬的THz相干輻射源在材料科學(xué)、固體 物理、分子分析、大氣探索、生命科學(xué)、化學(xué)氣體追蹤、材料測試、食品檢測等國民和國防安 全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 基于受激電磁稱子散射的太赫茲參量振蕩（Terahertz Parametric Generation/ Terahertz Parametric Oscillator，簡稱TPG/TP0)技術(shù)是獲得相干可調(diào)諧THz福射源的 主要方法之一。ΤΡ0的原理是基于鐵電晶體的受激拉曼極化聲子散射機(jī)理，當(dāng)泵浦足夠強(qiáng) 時(shí)，入射的近紅外的泵浦光子與晶體中同時(shí)具有紅外和拉曼活性的A1對稱最低光學(xué)軟模 發(fā)生作用，激發(fā)出一個頻率相近的近紅外Stokes光子，同時(shí)產(chǎn)生受激電磁耦子，導(dǎo)致THz波 的產(chǎn)生。目前多采用外腔泵浦TP0/TPG和種子注入技術(shù)，只需要一個固定波長的泵浦光，在 非線性相位匹配條件下，通過改變泵浦光與Stokes光的角度，則可以實(shí)現(xiàn)THz波的可調(diào)諧 輸出。常采用的調(diào)諧方式包括改變泵浦光的入射角度和旋轉(zhuǎn)Stokes光諧振腔兩種方式。 當(dāng)固定Stokes光諧振腔，改變泵浦光的入射角度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波輸出頻率的快速調(diào) 諧，但入射光入射到非線性晶體中的位置會發(fā)生一定的變化，這就導(dǎo)致泵浦光與Stokes光 在非線性晶體中的互作用位置發(fā)生改變，從而影響了 THz波的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，并且 對THz波的收集探測產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)固定泵浦光的入射方向，改變Stokes整個諧振腔 的角度實(shí)現(xiàn)調(diào)諧時(shí)，由于需要同時(shí)旋轉(zhuǎn)Stokes光諧振腔鏡和鈮酸鋰晶體，這就需要整個平 臺旋轉(zhuǎn)移動，調(diào)諧速度較慢，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
[0004] 為了提高THz波的輸出功率與光束質(zhì)量，采用THz波垂直鈮酸鋰晶體表面發(fā)射腔 結(jié)構(gòu)可以有效的減少鈮酸鋰晶體對產(chǎn)生THz波的吸收，但該方案采用旋轉(zhuǎn)整個Stokes諧振 腔實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，未能同時(shí)滿足高功率輸出（能夠?qū)崿F(xiàn)室溫探測）與頻率快速調(diào)諧的需求，存在 著耦合泵浦難度大、調(diào)諧速度慢等缺點(diǎn)，制約了其在科研領(lǐng)域、國防安全的實(shí)際應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速連續(xù)調(diào)諧的高功率THz波 輸出，并能夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)室溫探測的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩 輻射源裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射 源裝置，包括有激光器和接收激光器出射光的由聚焦凸透鏡和聚焦凹透鏡組成的聚焦透鏡 組，還設(shè)置有：
[0007] 摻氧化鎂鈮酸鋰晶體，為等腰梯形結(jié)構(gòu)，用于輸出不同頻率的太赫茲波；
[0008] 第一泵浦光高反鏡和第二泵浦光高反鏡，依次設(shè)置在所述聚焦透鏡組的出射光路 上，用于將聚焦透鏡組輸出的泵浦光送入到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體內(nèi)；
[0009] 環(huán)形腔參量振蕩器，用于使摻氧化鎂鈮酸鋰晶體輸出不同頻率的太赫茲波，包括 有依次設(shè)置并與所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體共同形成環(huán)形光路的第一環(huán)形腔腔鏡、可旋轉(zhuǎn) 電控振鏡、第二環(huán)形腔腔鏡和第三環(huán)形腔腔鏡，其中，所述的第一環(huán)形腔腔鏡位于第二泵浦 光高反鏡和可旋轉(zhuǎn)電控振鏡的反射光路上，所述的第三環(huán)形腔腔鏡位于通過摻氧化鎂鈮酸 鋰晶體的泵浦光反射光路和摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的Stokes光出射光路上，所述的第二環(huán) 形腔腔鏡位于第三環(huán)形腔腔鏡的反射光路上，所述的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡位于第二環(huán)形腔腔鏡 的反射光路上；
[0010] 激光接收器，設(shè)置在環(huán)形腔參量振蕩器中第二環(huán)形腔腔鏡的出射光路上，用于接 收第二環(huán)形腔腔鏡的透射光；
[0011] 計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集卡連接環(huán)形腔參量振蕩器中的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡，用于控制 可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓，達(dá)到改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡的旋轉(zhuǎn)角度，從而使摻氧化鎂鈮酸鋰 晶體輸出不同頻率的太赫茲波。
[0012] 所述的激光器為摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG調(diào)Q激光器，輸出波長為1064nm，脈寬為 ns量級，偏振態(tài)為沿z軸方向偏振的線偏振光。
[0013] 所述的第一泵浦光高反鏡和第二泵浦光高反鏡均鍍l〇64nm高反膜。
[0014] 所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的分子式為MgO: LiNb03或MgO: LN，產(chǎn)生的太赫茲波由 垂直于摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面的方向輸出，所述的環(huán)形腔參量振蕩器滿足羅蘭圓結(jié)構(gòu)， 即光線在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體中的交叉點(diǎn)相對于第一環(huán)形腔腔鏡、第二環(huán)形腔腔鏡和第三 環(huán)形腔腔鏡的鏡像點(diǎn)都位于圓周上，所述可旋轉(zhuǎn)電控振鏡位于圓的切線位置。
[0015] 所述的激光接收器為l〇64nm激光接收器。
[0016] 所述的第一環(huán)形腔腔鏡和第二環(huán)形腔腔鏡均是分別鍍l〇64nm高透膜和 1067-1076nm高反膜，所述的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡和第三環(huán)形腔腔鏡均是鍍1064-1076nm高反 膜。
[0017] 所述等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的兩個等腰面的延長線與底面的夾角 為65° ,所述的摻氧化鎂銀酸鋰晶體的摻雜濃度為5mol %。
[0018] 入射到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的泵浦光是沿垂直于等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂鈮酸 鋰晶體的等腰面的方向通光。
[0019] 所述摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的通光面和太赫茲波的出射面均為光學(xué)拋光面，所述摻 氧化鎂鈮酸鋰晶體的晶軸方向平行于泵浦光的偏振方向。
[0020] 一種用于基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置的方法，是借助于 基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲輻射源實(shí)現(xiàn)，包括以下過程：采用Nd:YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生偏 振方向沿z軸方向的1064nm線偏振光，經(jīng)過聚焦透鏡組縮束，經(jīng)泵浦光高反鏡反射到環(huán)形 腔參量振蕩器中，并通過泵浦光高反鏡反射調(diào)整環(huán)形腔參量振蕩器和入射光角度使得泵浦 光垂直于梯形摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的等腰面入射，由摻氧化鎂鈮酸鋰晶體產(chǎn)生Stokes光， Stokes光經(jīng)過由三個環(huán)形腔腔鏡和一個可旋轉(zhuǎn)電控振鏡構(gòu)成的環(huán)形回路，在環(huán)形腔參量振 蕩器中諧振；泵浦光和Stokes光在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面發(fā)生全反射，太赫茲波則垂直 摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面輸出；當(dāng)改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓時(shí)，可旋轉(zhuǎn)電控振鏡轉(zhuǎn)動 一個微小角度，由于采用羅蘭圓結(jié)構(gòu)，環(huán)形腔參量振蕩器中不同方向的Stokes光起振，得 到的光與泵浦光的夾角不同，從而產(chǎn)生不同頻率的太赫茲波，是通過計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)控制可旋 轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓，改變Stokes光的振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)高功率、快速可連續(xù)調(diào)諧的太 赫茲波輸出。
[0021] 本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法，由于采用羅 蘭圓環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，基于電控振鏡快速旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率快速調(diào)諧，克服了傳統(tǒng)調(diào) 諧方法改變泵浦光角度或Stokes光諧振腔調(diào)諧速度慢、互作用位置變化、輸出效率低且不 穩(wěn)定的缺點(diǎn)；本發(fā)明由于在環(huán)形腔中采用梯形切割的Mg0:LiNb0 3晶體，THz波垂直晶體表 面出射，這可以有效地減少M(fèi)g0:LiNb03晶體對THz波的吸收，提高輸出功率與轉(zhuǎn)換效率，并 極大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)THz波高功率穩(wěn)定輸出；本發(fā)明還具備體積小巧，整個 系統(tǒng)能夠在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用室溫探測器進(jìn)行測量的特點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0023] 其中
[0024] 1 :激光器 2 :聚焦凸透鏡
[0025] 3 :聚焦凹透鏡 4 :第一泵浦光高反鏡
[0026] 5 :第二泵浦光高反鏡6 :第一環(huán)形腔腔鏡
[0027] 7:可旋轉(zhuǎn)電控振鏡 8:第二環(huán)形腔腔鏡
[0028] 9 :第三環(huán)形腔腔鏡 10 :摻氧化鎂鈮酸鋰晶體
[0029] 11 :激光接收器 12 :計(jì)算機(jī)
[0030] 圖2是本發(fā)明的羅蘭圓環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 其中
[0032] P :泵浦光和Stokes光在MgO:LN晶體端面的交匯點(diǎn)
[0033] Pi :P相對于第三環(huán)形腔腔鏡的鏡像點(diǎn)
[0034] P2 :Pi相對于第二環(huán)形腔腔鏡的鏡像點(diǎn)
[0035] P3 :可旋轉(zhuǎn)電控振鏡所在的羅蘭圓上的切點(diǎn)
[0036] P3,:可旋轉(zhuǎn)電控振鏡旋轉(zhuǎn)一定角度后所在的羅蘭圓上的切點(diǎn)
[0037] P4 :P點(diǎn)相對于第一環(huán)形腔腔鏡的鏡像點(diǎn)
[0038] 圖3是本發(fā)明的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的切割角度示意圖；
[0039] 圖4a是本發(fā)明的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體中參量振蕩產(chǎn)生THz輻射示意圖；
[0040] 圖4b是本發(fā)明的基于非共線相位匹配產(chǎn)生太赫茲輻射的原理圖
[0041] 其中
[0042] kP :泵浦光的波矢量 kT :THz波的波矢量
[0043] ks :Stokes光的波矢量 Θ :泵浦光與Stokes光的夾角
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射 源裝置及方法做出詳細(xì)說明。
[0045] 本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法，可以提高 THz波（太赫茲波）的調(diào)諧速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率的太赫茲波輸出，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并能 夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)室溫探測。本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻 射源裝置，泵浦源采用Nd: YAG調(diào)Q激光器；參量振蕩諧振腔采用四鏡環(huán)形腔，滿足羅蘭圓結(jié) 構(gòu)；參量振蕩晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰Mg0:LiNb03晶體，其摻雜濃度為5m 〇l%，等腰梯形切 害!]，底角為65°，對側(cè)面進(jìn)行光學(xué)拋光，晶軸方向與泵浦光偏振方向平行，產(chǎn)生的THz波垂 直晶體表面輸出；可旋轉(zhuǎn)電控陣鏡為環(huán)形腔的一個組成部分，與計(jì)算機(jī)連接，采用計(jì)算機(jī)控 制改變其外加電壓，從而改變旋轉(zhuǎn)角度。
[0046] 如圖1所示，本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，具體 包括有激光器1和接收激光器1出射光的由聚焦凸透鏡2和聚焦凹透鏡3組成的聚焦透鏡 組，所述的激光器1為摻釹釔鋁石榴石Nd: YAG調(diào)Q激光器，輸出波長為1064nm，脈寬為ns 量級，偏振態(tài)為沿z軸方向偏振的線偏振光。還設(shè)置有：
[0047] 摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10,如圖3、圖4a所示，為等腰梯形結(jié)構(gòu)，用于輸出不同頻率 的太赫茲波，所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的分子式為MgO: LiNb03或1%0: LN，產(chǎn)生的太赫 茲波由垂直于摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10表面的方向輸出，所述的環(huán)形腔參量振蕩器滿足羅 蘭圓結(jié)構(gòu)，即光線在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體中的交叉點(diǎn)相對于第一環(huán)形腔腔鏡6、第二環(huán)形腔 腔鏡8和第三環(huán)形腔腔鏡9的鏡像點(diǎn)都位于圓周上，所述可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7位于圓的切線 位置；所述等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的兩個等腰面的延長線與底面的夾角 為65°，所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的摻雜濃度為5mol%;入射到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體 10的泵浦光是沿垂直于等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的等腰面的方向通光；所 述摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的通光面和太赫茲波的出射面均為光學(xué)拋光面，所述摻氧化鎂 鈮酸鋰晶體10的晶軸方向平行于泵浦光的偏振方向。
[0048] 第一泵浦光高反鏡4和第二泵浦光高反鏡5,依次設(shè)置在所述聚焦透鏡組的出射 光路上，用于將聚焦透鏡組輸出的泵浦光送入到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10內(nèi)，所述的第一泵 浦光高反鏡4和第二泵浦光高反鏡5均鍍1064nm高反膜；
[0049] 環(huán)形腔參量振蕩器，用于使摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10輸出不同頻率的太赫茲波，包 括有依次設(shè)置并與所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10共同形成環(huán)形光路的第一環(huán)形腔腔鏡6、 可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7、第二環(huán)形腔腔鏡8和第三環(huán)形腔腔鏡9,其中，所述的第一環(huán)形腔腔鏡6 位于第二泵浦光高反鏡5和可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7的反射光路上，所述的第三環(huán)形腔腔鏡9位 于通過摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的泵浦光反射光路和摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10的Stokes光 出射光路上，所述的第二環(huán)形腔腔鏡8位于第三環(huán)形腔腔鏡9的反射光路上，所述的可旋轉(zhuǎn) 電控振鏡7位于第二環(huán)形腔腔鏡8的反射光路上。
[0050] 所述的第一環(huán)形腔腔鏡6和第二環(huán)形腔腔鏡8均是分別鍍1064nm高透膜和 1067-1076nm高反膜，所述的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7和第三環(huán)形腔腔鏡9均是鍍1064-1076nm高 反膜；
[0051] 激光接收器11，設(shè)置在環(huán)形腔參量振蕩器中第二環(huán)形腔腔鏡8的出射光路上，用 于接收第二環(huán)形腔腔鏡8的透射光，所述的激光接收器11為1064nm激光接收器；
[0052] 計(jì)算機(jī)12,通過數(shù)據(jù)采集卡連接環(huán)形腔參量振蕩器中的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7,用于 控制可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7上的電壓，達(dá)到改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7的旋轉(zhuǎn)角度，從而使摻氧化鎂 鈮酸鋰晶體10輸出不同頻率的太赫茲波。
[0053] 本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置的工作原理是：采用 Nd:YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生偏振方向沿z軸方向的1064nm線偏振光，經(jīng)過由聚焦凸透鏡和聚 焦凹透鏡組成的聚焦透鏡組縮束，經(jīng)第一泵浦光高反鏡和第二泵浦光高反鏡反射到環(huán)形腔 參量振蕩器中，具體是經(jīng)第二泵浦光高反鏡5反射的泵浦光（pump)透過第一環(huán)形腔腔鏡6 進(jìn)入摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10,摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10全反射出射泵浦光，同時(shí)產(chǎn)生并出射 Stokes光，第三環(huán)形腔腔鏡9分別接收從摻氧化鎂鈮酸鋰晶體10出射的Stokes光和全反 射出的泵浦光，并將Stokes光和泵浦光同時(shí)反射到第二環(huán)形腔腔鏡8 ;第二環(huán)形腔腔鏡8 將接收到的第三環(huán)形腔腔鏡9反射的Stokes光反射給可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7,將接收到的第三 環(huán)形腔腔鏡9反射的泵浦光透射輸出至激光接收器11 ;可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7將接收到第二環(huán) 形腔腔鏡8反射的Stokes光反射至第一環(huán)形腔腔鏡6,并經(jīng)第一環(huán)形腔腔鏡6反射至摻氧 化鎂鈮酸鋰晶體10,如此循環(huán)。
[0054] 本發(fā)明的用于基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置的方法，是借助 于基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲輻射源實(shí)現(xiàn)，包括以下過程：采用Nd:YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生 偏振方向沿z軸方向的1064nm線偏振光，經(jīng)過聚焦透鏡組縮束，經(jīng)泵浦光高反鏡反射到環(huán) 形腔參量振蕩器中，并通過泵浦光高反鏡反射調(diào)整環(huán)形腔參量振蕩器和入射光角度使得泵 浦光垂直于梯形摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的等腰面入射，由摻氧化鎂鈮酸鋰晶體產(chǎn)生Stokes 光，Stokes光經(jīng)過由三個環(huán)形腔腔鏡和一個可旋轉(zhuǎn)電控振鏡構(gòu)成的環(huán)形回路，在環(huán)形腔參 量振蕩器中諧振；泵浦光和Stokes光在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面發(fā)生全反射，太赫茲波 則垂直摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面輸出；當(dāng)改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓時(shí)，可旋轉(zhuǎn)電控振 鏡轉(zhuǎn)動一個微小角度，由于米用羅蘭圓結(jié)構(gòu)，環(huán)形腔參量振蕩器中不同方向的Stokes光起 振，得到的光與泵浦光的夾角不同，從而產(chǎn)生不同頻率的太赫茲波，是通過計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)控制 可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓，改變Stokes光的振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)高功率、快速可連續(xù)調(diào)諧 的太赫茲波輸出。
[0055] 本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置的具體實(shí)施方案 體現(xiàn)在如圖1所示的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置中，采用如圖1 所示的裝置，只需利用計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)電控振鏡的角度，即可實(shí)現(xiàn)THz波快速連續(xù)調(diào)諧 輸出。這樣不僅提高了調(diào)諧速度，還增大了輻射源的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定 性，可以實(shí)現(xiàn)1?3THz波段的高效穩(wěn)定調(diào)諧輸出。
[0056] 基于羅蘭圓原理，將可旋轉(zhuǎn)電控振鏡置于該圓的某切線位置，當(dāng)光線在摻氧化鎂 鈮酸鋰晶體中的交叉點(diǎn)P相對于第一環(huán)形腔腔鏡6、第三環(huán)形腔腔鏡9和第二環(huán)形腔腔鏡 8的鏡像點(diǎn)P4與P2都位于圓周上，可旋轉(zhuǎn)電控振鏡7位于圓的切線位置時(shí)，P 3為切點(diǎn)，則 光線在環(huán)形腔參量振蕩器之間構(gòu)成反射回路，即可以起振。當(dāng)改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡角度時(shí)， 切點(diǎn)P 3'與P3幾乎重合，P2、P3、P3'、P 4四點(diǎn)共圓，則P2點(diǎn)和P4點(diǎn)處所對應(yīng)的Stokes光轉(zhuǎn)過 的夾角相等，即也可以滿足諧振條件（如圖2)，此時(shí)，Stokes光與泵浦光的夾角發(fā)生變化， THz輻射的頻率發(fā)生改變?；阝壦徜嚲w的太赫茲參量振蕩過程為非共線相位匹配過程 (如圖4b)，將梯形切割的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（如圖3)置于環(huán)形腔參量振蕩器內(nèi)泵浦光 與Stokes光的交匯位置，泵浦光和Stokes光在晶體表面發(fā)生全反射，Stokes光可以在環(huán)形 腔參量振蕩器內(nèi)振蕩，而THz波則垂直于摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面出射，（如圖4a所示）。 因此，只需改變可控振鏡角度，無需旋轉(zhuǎn)摻氧化鎂鈮酸鋰晶體，只需旋轉(zhuǎn)環(huán)形腔參量振蕩器 或者改變泵浦光入射角度，即可實(shí)現(xiàn)THz波輸出頻率的快速調(diào)諧。
[0057] 本發(fā)明的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置及方法的優(yōu)點(diǎn)在 于，整個系統(tǒng)可以在室溫下運(yùn)行，操作簡便，通過計(jì)算機(jī)控制一個振鏡的旋轉(zhuǎn)角度即可實(shí)現(xiàn) 太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出，調(diào)諧速度快，同時(shí)采用梯形切割的Mg0:LiNb03晶體，THz波垂直 晶體表面出射，有效地減少M(fèi)g0:LiNb0 3晶體對THz波的吸收，且調(diào)諧時(shí)泵浦光的位置不發(fā) 生變化，實(shí)現(xiàn)高功率、高效率太赫茲波的穩(wěn)定輸出，此外，太赫茲波的輸出方向和位置固定 不變，可廣泛應(yīng)用于成像、光譜分析以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，包括有激光器（1)和接 收激光器（1)出射光的由聚焦凸透鏡（2)和聚焦凹透鏡（3)組成的聚焦透鏡組，其特征在 于，還設(shè)置有： 摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)，為等腰梯形結(jié)構(gòu)，用于輸出不同頻率的太赫茲波； 第一泵浦光高反鏡（4)和第二泵浦光高反鏡（5)，依次設(shè)置在所述聚焦透鏡組的出射 光路上，用于將聚焦透鏡組輸出的泵浦光送入到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)內(nèi)； 環(huán)形腔參量振蕩器，用于使摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)輸出不同頻率的太赫茲波，包 括有依次設(shè)置并與所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)共同形成環(huán)形光路的第一環(huán)形腔腔鏡 (6)、可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)、第二環(huán)形腔腔鏡（8)和第三環(huán)形腔腔鏡（9)，其中，所述的第一環(huán) 形腔腔鏡（6)位于第二泵浦光高反鏡（5)和可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)的反射光路上，所述的第 三環(huán)形腔腔鏡（9)位于通過摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的泵浦光反射光路和摻氧化鎂鈮酸 鋰晶體（10)的Stokes光出射光路上，所述的第二環(huán)形腔腔鏡（8)位于第三環(huán)形腔腔鏡（9) 的反射光路上，所述的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)位于第二環(huán)形腔腔鏡（8)的反射光路上； 激光接收器（11)，設(shè)置在環(huán)形腔參量振蕩器中第二環(huán)形腔腔鏡（8)的出射光路上，用 于接收第二環(huán)形腔腔鏡（8)的透射光； 計(jì)算機(jī)（12)，通過數(shù)據(jù)采集卡連接環(huán)形腔參量振蕩器中的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)，用于 控制可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)上的電壓，達(dá)到改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)的旋轉(zhuǎn)角度，從而使摻氧 化鎂鈮酸鋰晶體（10)輸出不同頻率的太赫茲波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述的激光器（1)為摻釹紀(jì)錯石槽石Nd:YAG調(diào)Q激光器，輸出波長為1064nm，脈寬 為ns量級，偏振態(tài)為沿z軸方向偏振的線偏振光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述的第一泵浦光高反鏡（4)和第二泵浦光高反鏡（5)均鍍1064nm高反膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的分子式為Mg0:LiNb0 3*Mg0:LN，產(chǎn)生的太赫茲 波由垂直于摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)表面的方向輸出，所述的環(huán)形腔參量振蕩器滿足羅 蘭圓結(jié)構(gòu)，即光線在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體中的交叉點(diǎn)相對于第一環(huán)形腔腔鏡（6)、第二環(huán)形 腔腔鏡（8)和第三環(huán)形腔腔鏡（9)的鏡像點(diǎn)都位于圓周上，所述可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)位于 圓的切線位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述的激光接收器（11)為l〇64nm激光接收器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置， 其特征在于，所述的第一環(huán)形腔腔鏡（6)和第二環(huán)形腔腔鏡（8)均是分別鍍1064nm高 透膜和1067-1076nm高反膜，所述的可旋轉(zhuǎn)電控振鏡（7)和第三環(huán)形腔腔鏡（9)均是鍍 1064-1076nm 高反膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的兩個等腰面的延長線與底面的 夾角為65°，所述的摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的摻雜濃度為5mol%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，入射到摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的泵浦光是沿垂直于等腰梯形結(jié)構(gòu)的摻氧化鎂 鈮酸鋰晶體（10)的等腰面的方向通光。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置，其特 征在于，所述摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的通光面和太赫茲波的出射面均為光學(xué)拋光面，所 述摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（10)的晶軸方向平行于泵浦光的偏振方向。
10. -種用于權(quán)利要求1所述的基于羅蘭圓的快速可調(diào)諧太赫茲參量振蕩輻射源裝置 的方法，其特征在于，是借助于基于羅蘭圓的快速調(diào)諧太赫茲輻射源實(shí)現(xiàn)，包括以下過程： 采用Nd:YAG調(diào)Q激光器產(chǎn)生偏振方向沿Z軸方向的1064nm線偏振光，經(jīng)過聚焦透鏡組縮 束，經(jīng)泵浦光高反鏡反射到環(huán)形腔參量振蕩器中，并通過泵浦光高反鏡反射調(diào)整環(huán)形腔參 量振蕩器和入射光角度使得泵浦光垂直于梯形摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的等腰面入射，由摻氧 化鎂鈮酸鋰晶體產(chǎn)生Stokes光，Stokes光經(jīng)過由三個環(huán)形腔腔鏡和一個可旋轉(zhuǎn)電控振鏡 構(gòu)成的環(huán)形回路，在環(huán)形腔參量振蕩器中諧振；泵浦光和Stokes光在摻氧化鎂鈮酸鋰晶體 表面發(fā)生全反射，太赫茲波則垂直摻氧化鎂鈮酸鋰晶體表面輸出；當(dāng)改變可旋轉(zhuǎn)電控振鏡 上的電壓時(shí)，可旋轉(zhuǎn)電控振鏡轉(zhuǎn)動一個微小角度，由于采用羅蘭圓結(jié)構(gòu)，環(huán)形腔參量振蕩器 中不同方向的Stokes光起振，得到的光與泵浦光的夾角不同，從而產(chǎn)生不同頻率的太赫茲 波，是通過計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)控制可旋轉(zhuǎn)電控振鏡上的電壓，改變Stokes光的振蕩頻率，從而實(shí) 現(xiàn)高功率、快速可連續(xù)調(diào)諧的太赫茲波輸出。
【文檔編號】H01S3/16GK104158077SQ201410378625
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】王與燁, 徐德剛, 李忠孝, 姚建銓 申請人:天津大學(xué)