半导体激光器的双波长输出光子混频产生太赫兹波的装置

摘要

本发明公开的半导体激光器的双波长输出光子混频产生太赫兹波的装置包括半导体激光器，在半导体激光器的光轴上沿光输出方向依次装有第一柱透镜，第二柱透镜，45°斜置的耦合镜，空间滤波器，法布里—珀罗标准具和高反射率平面镜，在耦合镜输出的垂直于半导体激光器光轴的光路上设置分束镜，分束镜分成两束光，其中一束光入射至光谱仪，另一束光入射至光导天线。本发明可以实现连续可调谐THz波的稳定输出，输出功率比较高，整套装置结构简单、易于组建，光路调节简单，且双波长半导体激光器空间模式匹配自动满足。

说明书

技术领域

本发明属于产生太赫兹波的装置，具体说涉及一种半导体激光器的双波长输出光子混频产生太赫兹波的装置。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)辐射通常是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的相当宽范围的电磁辐射区域。近几年来，由于THz波这一特殊波段在环境监测、生物和医学工程、天文学、材料科学工程、信息工程及国防(如安检及反恐等)等方面所展示的广阔的应用前景，THz科学和技术的研究获得了很大进展，而THz源及THz辐射的产生是THz电磁辐射研究的一个主要限制方面。

THz源可以通过电子学或光子学两种方法获得。目前，用电子学方法，如电子振荡器在室温下获得的最高振荡频率约为0.7THz。通过光子学方法来获得THz辐射可用飞秒激光脉冲激发获得脉冲宽带THz辐射(如光整流、光导天线、光导开关等)，功率脉冲激光差频或THz参量振荡器，半导体量子级联激光器，THz气体激光器，光子混频并通过光导天线获得连续可调谐THz等。

目前，室温下连续可调谐THz辐射是获得高分辨率THz谱应用的重要工具，也一直是人们关注的研究热点和难点。由于半导体激光器技术已经得到迅速发展，因此，通过两个不同波长激光进行光子混频，来获得室温下连续可调谐THz辐射是一个可供选择的方案。利用两个独立的半导体激光器实现光子混频可以得到连续THz辐射，但由于半导体激光器对环境变化非常敏感，导致THz输出频率或功率不稳定，而且两个半导体激光器的空间模式匹配也比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，调节方便，输出稳定的半导体激光器的双波长输出光子混频产生THz波的装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：半导体激光器的双波长输出光子混频产生THz波的装置包括半导体激光器，在半导体激光器的光轴上沿光输出方向依次装有第一柱透镜、第二柱透镜，45°斜置的耦合镜，空间滤波器，法布里-珀罗标准具和高反射率平面镜，在耦合镜输出的垂直于半导体激光器光轴的光路上设置分束镜，经分束镜分成两束光，其中一束光入射至光谱仪，另一束光入射至光导天线。

本发明装置中半导体激光器可以采用功率在1W到10W之间的半导体激光器阵列；第一柱透镜是对半导体激光器的输出光的快轴方向进行准直；第二柱透镜是对半导体激光器的输出光的慢轴方向进行准直；耦合镜作为半导体激光器，第一柱透镜，第二柱透镜，空间滤波器，法布里-珀罗标准具和高反射率平面镜所组成的双波长振荡的外腔半导体激光器的输出镜；空间滤波器位于第二柱透镜的远场平面即焦平面上，它对半导体激光器的输出光进行空间选模；法布里-珀罗标准具对半导体激光器的输出光进行时间选模；高反射率平面镜和第一柱透镜，第二柱透镜，空间滤波器，法布里-珀罗标准具组成半导体激光器的具有波长选择作用的双波长反馈系统；分束镜的作用是把耦合镜的输出光分成两路，一路光入射至光谱仪，另一路光入射至光导天线；光谱仪是对耦合镜输出的双波长激光的波长进行监测；光导天线的作用是对入射的双波长激光进行光子混频从而产生THz波辐射。

本发明采用高功率半导体激光器阵列可以实现连续可调谐THz波的稳定输出，输出功率比较高，整套装置结构简单、易于组建，光路调节简单，且双波长半导体激光器空间模式匹配自动满足。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，半导体激光器的双波长输出光子混频产生太赫兹波的装置包括半导体激光器1，在半导体激光器1的光轴上依次装置第一柱透镜2、第二柱透镜3，45°斜置的耦合镜4，空间滤波器5，法布里-珀罗标准具6和高反射率平面镜7，在耦合镜4输出的垂直于半导体激光器1光轴的光路上设置分束镜8，分束镜8分束后的一路光入射至光谱仪9，另一路光入射至光导天线10。

其工作过程如下所述：

半导体激光器1的输出光经第一柱透镜2和第二柱透镜3分别对其快轴和慢轴进行准直后，由空间滤波器5进行空间选模和法布里-珀罗标准具6进行时间选模后得到两个工作在不同波长的纵模，然后通过高反射率平面镜7进行反馈注回到该半导体激光器1中，所形成的高功率双波长激光由耦合镜4输出，然后由分束镜8分成两束光，一束光入射至光谱仪9对耦合镜4输出的高功率双波长激光的波长进行监测，另一束光入射至光导天线10光子混频后辐射出THz波。

法布里-珀罗标准具选模机构，可用自由光谱范围Δv和条纹精细度F这两个参数来表征，即

$>>\Delta v>=>>c>>2>nd\; >cos>\theta >>>$>

$>>F>=>>>\pi >>>(>>R>1>>>R>2>>)>>>1>4>\; >>>1>->>>(>>R>1>>>R>2>>)>>>1>2>\; >>>$>

式中：c为真空中的光速，n为标准具所用材料的折射率，d为标准具的厚度，θ为入射角，R₁和R₂分别为标准具两个表面的反射率。

实施例：

自带温度控制和冷却系统的7W半导体激光器阵列在25℃时其辐射波长为807nm，发光尺寸为1μm×700μm。第一柱透镜的焦距为0.22mm，第二柱透镜的焦距为122mm。法布里-珀罗标准具的材料的折射率n为1.5，厚度d为0.14mm，标准具两个表面的反射率R₁和R₂都为0.8。实验中正入射即入射角θ为90°时，7W半导体激光器阵列的输出被锁定在两个波长上，波长分别为796.47nm和798.0nm。将此双波长信号入射到光导天线经光子混频产生的THz波的频率为0.72THz，实验中采用的是H型的光导天线，材料为低温砷化钾。调节标准具的入射角来改变标准具的自由光谱范围，可以调节被锁定的两个波长的数值，从而改变出射THz波的频率。