基于周期极化晶体光学整流太赫兹频率梳装置及调制方法

摘要

本发明涉及非线性光学频率变换，属于太赫兹辐射源技术与光学频率梳技术的交叉领域。为提供一种基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频率梳装置及调制方法，实现0.2～3.5THz范围的宽频谱输出，自由光谱范围可达0.5THz，并能够在室温下稳定运转，本发明采用的技术方案是：基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频率梳装置，由激光器、周期极化晶体和接收探测系统组成，激光器与周期极化晶体之间还配置有分束镜和玻璃凸透镜；在周期极化晶体与探测器之间还设置有聚乙烯透镜；产生的THz波垂直于晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集；接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线。本发明主要应用于非线性光学频率变换。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学频率变换，属于太赫兹辐射源技术与光学频率梳技术的交叉领域。 特别涉及基于周期极化晶体光学整流太赫兹频率梳装置及调制方法。

背景技术

频率梳的频谱具有多波长、窄线宽和等间距的特点，可广泛应用于频率计量学、应用光 谱学、光学原子钟、光学任意波形合成，以及光通信系统中的波分复用等领域。频率梳技术 在光学波段已取得了较大的进展，发展出3种较为成熟的频率梳辐射源。2005年，John Hall 和因其在基于飞秒频率梳的精密计量领域的成就获得了诺贝尔物理奖。这种方法是目 前最常用、技术最成熟的方法。国内相关的课题组，如计量科学研究院和中科院物理所等， 大都是采用这种方法。锁模半导体激光器已经作为多信道波分复用的辐射源，被大量应用在 光通系统中。

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫 米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于物质在THz 波段的发射、反射和透射光谱中包含了丰富的物理和化学信息，因此THz波在物理、化学、 天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料 检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科 学研究价值和广阔的应用前景。

长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz频段的电磁波未得到充 分的研究和应用。因此，THz辐射源是THz领域科技发展的关键核心技术。而输出特性为梳 状谱的THz辐射源，到目前为止只有一种方法。2006年S.Yokoyama等人利用锁模飞秒光学 频率梳触发光导天线获得了THz波段的频率梳。但这种方法产生的频率梳频谱范围有限，自 由光谱范围较窄，在很多领域的应用中受到限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频率梳装置及调 制方法，采用该方案放宽了对频率梳泵浦源的要求，实现0.2～3.5THz范围的宽频谱输出，自 由光谱范围可达0.5THz，并能够在室温下稳定运转。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频 率梳装置，由激光器、周期极化晶体和接收探测系统组成，所述激光器为钛宝石锁模fs激光 器；周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体；激光器与周期极化晶体之间还配置有分束 镜和玻璃凸透镜；在周期极化晶体与探测器之间还设置有聚乙烯透镜；产生的THz波垂直于 晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集；接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和 延迟线，光电导天线探测器探测聚乙烯透镜的输出，计算机控制器用于读取电流信号并控制 延迟线，实现扫描探测，测得电流信号由计算机系统读取并进行傅立叶变换，得到梳状频谱， 即频率梳。

所述的fs激光器使用MaiTai钛宝石锁模激光器，输出中心波长为800nm，偏振态为线偏 振，脉宽为150fs。

所述的分束镜的分束比为10∶1，较小的部分用于触发探测。

所述的玻璃凸透镜为K9玻璃平凸透镜，用于聚焦泵浦超短脉冲，焦距为100mm。

所述的周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体，长方体，长度约15mm，极化周期 为500μm。泵浦光沿水平方向通光，晶体侧表面抛光，光轴方向平行于泵浦脉冲的偏振方向。

所述的聚乙烯透镜材料为白色聚乙烯，用于收集产生的THz波。

所述的接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线，光电导天线探测 器的材料是低温生长的砷化镓半导体。

基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳调制方法，借助于权利要求1所述的基于 周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳实现，包括以下过程：采用钛宝石锁模fs激光器输 出的超短脉冲，经分束镜分束后，较小的一部分经过延迟线，触发光电导探测器，较大的一 部分由K9玻璃透镜聚焦至周期极化晶体。聚焦脉冲在周期极化晶体中，通过光学整流效应 产生垂直辐射的THz波，THz波从晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集，利用光电导天线探测， 测得电流信号由计算机系统读取，计算机系统控制延迟线，实现扫描探测，测得波形为周期 性THz脉冲串，再经过傅立叶变换，得到梳状频谱，即频率梳。

本发明具有如下特点：

本发明由于采用新的辐射机理，放宽了对泵浦源的要求，不再需要复杂的光学频率梳作 泵浦，并且能够产生更宽的THz频率梳频谱范围和自由光谱范围；

本发明由于采用了表面辐射形式，减小了晶体对THz波的吸收，增大了晶体的有效辐射 长度和输出频谱范围，并保证“梳齿”等间距；

本发明使用较长的极化周期，使晶体的制备更容易。

附图说明

图1为本发明专利装置示意图。

图2为周期极化晶体表面辐射产生THz频率梳的示意图。

图中：1.钛宝石锁模飞秒(fs)激光器；2.分束镜；3.透镜；4.周期极化晶体；5.聚乙烯 透镜；6.光电导天线探测器；7.延迟线；8.计算机接收控制系统。PPLN为周期性极化铌酸 锂。

具体实施方式

利用超短脉冲在周期极化晶体中光学整流表面辐射也可以产生具有梳状谱的THz输出。 这种方法放宽了对频率梳泵浦源的要求，不再需要复杂的光学频率梳泵浦。产生的THz频率 梳频谱范围和梳齿间距(自由光谱范围)较宽，在THz波分复用通讯等领域有较好的应用。

基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳，由激光器、周期极化晶体和接收探测系 统组成。所述激光器为钛宝石锁模fs激光器；周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体； 激光器与周期极化晶体之间配置有分束镜和玻璃凸透镜；接收探测系统包括光电导天线探测 器、计算机控制器和延迟线；在周期极化晶体与探测器之间设置有聚乙烯透镜；产生的THz 波垂直于晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集。

所述的fs激光器使用MaiTai钛宝石锁模激光器，输出中心波长为800nm，偏振态为线偏 振，脉宽为150fs。

所述的分束镜的分束比为10∶1，较小的部分用于触发探测。

所述的玻璃凸透镜为K9玻璃平凸透镜，用于聚焦泵浦超短脉冲，焦距为100mm。

所述的周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体，长方体，长度约15mm，极化周期 为500μm。泵浦光沿水平方向通光，晶体侧表面抛光，光轴方向平行于泵浦脉冲的偏振方向。

所述的聚乙烯透镜材料为白色聚乙烯，用于收集产生的THz波。

所述的接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线。光电导天线探测 器的材料是低温生长的砷化镓半导体，计算机系统用于读取电流信号并控制延迟线，实现扫 描探测。

所述的基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳实现，包括所述的基于周期极化晶 体光学整流产生太赫兹频率梳实现，包括以下过程：采用钛宝石锁模fs激光器输出的超短脉 冲，经分束镜分束后，较小的一部分经过延迟线，触发光电导探测器，较大的一部分由K9 玻璃透镜聚焦至周期极化晶体。聚焦脉冲在周期极化晶体中，通过光学整流效应产生垂直辐 射的THz波。THz波从晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集，利用光电导天线探测。测得电流 信号由计算机系统读取。计算机系统控制延迟线，实现扫描探测。整个装置类似于THz时域 光谱系统，测得波形为周期性THz脉冲串，再经过傅立叶变换，得到梳状频谱，即频率梳。

本发明的目的在于提供一种基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳及方法，采用 该装置及方法可以放宽对泵浦源的要求，不再需要复杂的光学频率梳作泵浦，并且能够产生 更宽的THz频率梳频谱范围和自由光谱范围。

本发明通过下述技术方案加以实现的，一种基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率 梳。其技术特征在于，该THz频率梳产生装置主要包括钛宝石锁模fs激光器1，分束镜2， 玻璃透镜3，周期极化晶体4，聚乙烯透镜5，光电导天线探测器6，延迟线7和计算机接收 控制系统8。超短脉冲经透镜聚焦，在周期极化晶体中通过光学整流表面辐射效应产生侧向 THz波，由聚乙烯透镜收集探测。

采用上述的周期极化晶体光学整流实现THz频率梳的方法，其特征包括以下过程：采用 钛宝石锁模fs激光器输出的超短脉冲，经分束镜分束后，较小的一部分经过延迟线，触发光 电导探测器，较大的一部分由K9玻璃透镜聚焦至周期极化晶体。聚焦脉冲在周期极化晶体 中，通过光学整流效应产生垂直辐射的THz波(如图2)。THz波从晶体侧面输出，由聚乙烯 透镜收集，利用光电导天线探测。测得电流信号由计算机系统读取。计算机系统控制延迟线， 实现扫描探测。整个装置类似于THz波时域光谱系统，测得波形为周期性THz波脉冲串，再 经过傅立叶变换，得到梳状频谱，即频率梳。

下面结合附图进一步说明本发明。

本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹 频率梳的装置中，采用该辐射产生机理放宽了对频率梳泵浦源的要求，可以实现0.2～3.5THz 范围的宽频谱输出，自由光谱范围可达0.5THz。

本发明的具体技术方案如下：泵浦源采用钛宝石锁模^激光器；周期极化晶体为5mol％ 的MgO:LiNbO₃晶体，长方体，泵浦光沿水平方向通光，晶体侧表面抛光，光轴方向平行于 泵浦脉冲的偏振方向；接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线；光电 导天线探测器的材料是低温生长的砷化镓半导体，计算机系统用于读取电流信号并控制延迟 线，实现扫描探测。

周期极化晶体中利用超短脉冲的光学整流可以产生多周期的窄带THz波。使用有效宽度 较短的脉冲和极化周期较长的晶体，可以产生周期性的THz脉冲串。较长的极化周期可以实 现高阶准相位匹配，从而产生多个谱线，即梳状谱。由于各“梳齿”间距相等，可以作为THz 波段的频率梳。采用采用表面辐射形式，减小了晶体对THz波的吸收，增大了晶体的有效辐 射长度和输出频谱范围，同时可以消除晶体在THz波段色散对输出谱线间距的影响，保证“梳 齿”等间距。

本发明的优点在于，利用这种机理产生THz频率梳，其辐射源不再是复杂的光学频率梳， 这大大降低了泵浦系统的复杂程度。表面辐射形式减小了晶体对THz波的吸收，增大了晶体 的有效辐射长度和输出频谱范围。能够实现0.2～3.5THz范围的宽频谱输出，自由光谱范围可 达0.5THz，并能够在室温下稳定运转，在THz波分复用通讯等领域有较好的应用。