一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源

摘要

本发明公开了一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源，包括泵浦源、望远镜缩束系统、全反射镜、MgO：LiNbO3晶体、旋转平台、输出镜、三个反射镜、半波片、偏振分光镜、衰减片、差频晶体和滤波片；全反射镜和输出镜构成谐振腔，置于旋转平台上；MgO：LiNbO3晶体设置在谐振腔内。本发明通过转动旋转平台实现斯托克斯光的连续调谐输出，与泵浦源出射的泵浦光，在偏振分光镜中合束，作为双波长差频泵浦源，在非线性差频晶体中差频产生干窄带、连续可调太赫兹波。本发明是一种体积小、结构紧凑、连续可调谐的全固态太赫兹波相干辐射源，可广泛用于医学诊断、精细光谱分析、生物医学成像、太赫兹通讯等太赫兹光电子技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种基于非线性光学差频技术的太赫 兹波辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，其波段位于电磁波谱 中毫米波和远红外光之间。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富 的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化学、 天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品 检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的 应用前景。然而，太赫兹波的产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落 后，这就成为限制现代太赫兹技术发展的最主要因素之一。因此，研制出性能优良的太赫兹 波辐射源，已经成为科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

产生太赫兹波辐射的方法有很多种，而利用非线性光学差频技术产生的太赫兹波辐射， 具有高相干性、单色性好、连续可调谐范围宽等诸多优点，而且实验设备结构紧凑、操作简 单、可室温运转，因此近十几年来倍受人们所瞩目，逐渐成为国际上研究的热点。目前，国 内外许多科研工作者对差频产生太赫兹波技术进行了大量创新、探索性研究工作，实现了较 宽的调谐范围，峰值功率甚至达到了千瓦量级，并利用它们作为辐射源成功进行了很多的应 用性研究，充分证明了利用差频方法产生太赫兹波是一种行之有效、实用性很强的太赫兹波 产生技术。

利用非线性光学差频方法产生连续可调谐太赫兹波的技术关键之一，就是必须首先获得 峰值功率高、窄线宽、波长间隔合适、在一定范围可连续调谐双波长差频泵浦光。目前常见 的产生双波长的方法主要有两大类：

(1)利用激光技术产生双波长差频泵浦光。例如，使用两台单模连续输出的CO₂激光器 作为差频泵浦源；利用一台可调谐染料激光器获得双波长输出；利用Nd:YAG激光器基频 输出和该激光器三倍频输出泵浦的基于BBO晶体的光学参量振荡器(OPO)所产生的可调谐 输出，组成双波长差频泵浦光。这些获得双波长的方法存在着诸如差频泵浦装置体积大，主 要实验设备昂贵，波长调谐方式复杂，不易操作等缺点。

(2)利用非线性光学参量振荡技术产生双波长差频泵浦光。例如，利用双周期级联的 PPLN晶体组成OPO，通过改变晶体温度或者选择合适的极化周期，获得双波长调谐输出； 利用两块非线性晶体串联组成的光学参量振荡器，通过角度调谐技术来获得双波长输出等。 这类产生双波长差频泵浦光的方法，要么双波长调谐方式复杂、调谐速度慢，要么需要多块 非线性晶体实现双波长参量振荡，增加了调谐难度，而且泵浦光的选择受到了非线性晶体相 位匹配条件的限制。

一般来说，对于普通拉曼散射现象，对入射泵浦光的波长选择没有严格的限制，只要不 被晶体吸收即可。以斯托克斯光散射为例，当泵浦光入射到非线性晶体中时，产生的斯托克 斯光的频移为一固定值，即为两能级之间的能级差。在该受激散射过程中，只包含三阶非线 性效应。然而，当极性晶体(如LiNbO₃晶体)按照一定的方式切割，且按照前向拉曼散射配 置时，此时晶体的晶格振动模将变成电磁耦子，晶格振动模所对应的振动频率也将具有一定 的角度色散特性，也就是说，此时产生的斯托克斯光将具有一定的空间角度色散特性，这时 的电磁耦子将具有部分电磁特性，而不完全是声子的特性。在该受激散射过程中，同时包含 二阶和三阶非线性光学效应。基于此原理，如果对斯托克斯光加一谐振腔使其受激振荡，那 么通过在一个很小角度范围内连续改变谐振腔与泵浦光的夹角，就会产生线宽窄、连续可调 谐的相干斯托克斯光输出。在此调谐过程中，泵浦光、振荡的斯托克斯光以及电磁耦子的波 矢满足非共线相位匹配条件。如果将产生的连续可调谐斯托克斯光与泵浦光作为双波长差频 泵浦源，那么通过选取合适的差频晶体，就可以差频产生连续可调谐、相干窄带的太赫兹波 辐射。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种体积小、结构紧凑、操 作简单、产生差频双波长方法简便、可靠，室温运转，可产生连续可调谐、相干窄带太赫兹 波辐射的太赫兹波辐射源。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源，其特征在于，包括泵浦源、望远镜系 统、全反射镜、MgO:LiNbO₃晶体、旋转平台、输出镜、三个反射镜、半波片、偏振分光镜、 衰减片、差频晶体和滤波片；其中：

全反射镜和输出镜构成谐振腔，置于旋转平台上；MgO:LiNbO₃晶体设置在谐振腔内；

从泵浦源出射的泵浦光经望远镜系统缩束后入射至谐振腔，激励MgO:LiNbO₃晶体在谐 振腔中产生振荡的斯托克斯光。通过MgO:LiNbO₃晶体的泵浦光经过第一反射镜、衰减片入 射至偏振分光棱镜；从输出镜出射的斯托克斯光经第二、第三反射镜反射，通过半波片使斯 托克斯光偏振方向发生90°偏转后，入射至偏振分光棱镜；泵浦光和斯托克斯光在偏振分光 棱镜中进行合束后，入射至非线性差频晶体中进行差频，并用滤波片滤除双波长差频泵浦光 得到太赫兹波。

本发明与常见的基于双波长差频产生太赫兹波的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：

(1)获得双波长的方法简单，仅需要一块非线性晶体就可以获得与泵浦光波长相近、能 量较高的连续可调谐相干差频泵浦光，使得整体装置体积小、结构简单紧凑、操作灵活；

(2)由于产生双波长的机理是基于非线性晶体的前向拉曼散射过程，因此泵浦源输出的 波长的选取较为随意，只要不被MgO:LiNbO₃晶体吸收即可，避免了双折射相位匹配条件 的限制，提高了获得双波长差频泵浦源的灵活性。

附图说明

图1是本发明的基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源的整体结构示意图及三波非 共线相位匹配示意图；

图2是多半圆形输出镜示意图。

图中的标号分别表示，1、泵浦源，2、望远镜缩束系统，3、谐振腔多半圆全反镜，4、 泵浦光，5、斯托克斯光，6、MgO:LiNbO₃晶体，7、旋转平台，8、多半圆形输出镜，9、 第一反射镜，10、第二反射镜，11、第三反射镜，12、半波片，13、偏振分光镜，14、衰减 片，15、非线性差频晶体，16、滤波片。

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详述。

具体实施方式

图1(a)为本实施例给出的一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源的整体结构 示意图，包括泵浦源1、望远镜缩束系统2、全反射镜3、MgO:LiNbO₃晶体6、旋转平台7、 输出镜8、三个反射镜(9，10，11)、半波片12、偏振分光镜13、衰减片14、非线性差频晶 体15和滤波片16；

全反射镜3、MgO:LiNbO₃晶体6和输出镜8构成谐振腔，置于旋转平台7上，MgO:LiNbO₃晶体6设置在谐振腔内；

在本实施例中，利用电光调Q脉冲Nd:YAG激光器的基频光(1064nm)输出作为产生 双波长的泵浦源1，其射出的泵浦光4的偏振方向平行于工作物质MgO:LiNbO₃晶体6(掺 杂浓度为5％mol)的Z轴方向。

利用望远镜缩束系统2将从泵浦源1出射的泵浦光4缩束以提高能量密度，然后沿X轴 方向入射工作物质MgO:LiNbO₃晶体6。MgO:LiNbO₃晶体6切割方式及尺寸为60mm(X 轴)×10mm(Y轴)×5mm(Z轴)，对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1070nm 增透膜。

谐振腔放置在旋转平台7上，谐振腔腔长为160mm。泵浦光4与谐振腔腔轴之间有一较 小夹角θ_ext。泵浦光4一次性通过MgO:LiNbO₃晶体6，而不通过全反射镜3和输出镜8。 激发产生的斯托克斯光5在全反镜3和输出镜8之间振荡，其偏振方向与泵浦光4的偏振方 向相同。全反射镜3镀中心波长为1070nm的全反膜。输出镜8镀中心波长为1070nm的部分 透过率膜，透过率为5％。全反镜3和输出镜8的形状皆为多半圆形(如图2所示)，直径为 20mm，其弦长在15mm-20mm之间。采用多半圆形的输出镜，便于泵浦光4在紧挨多半圆形 输出镜8的弦边通过时，振荡的斯托克斯光5和泵浦光4可以有效分离。

由于MgO:LiNbO₃晶体6在谐振腔中产生的连续可调谐斯托克斯光5的基本原理，是 基于晶体A₁对称性晶格振动模(ω_TO≈250cm^-1)的前向拉曼散射过程，因此斯托克斯光5在 Y轴方向具有一定的空间角度色散特性，并且泵浦光波矢k_pump、振荡的斯托克斯光波矢k_Stokes和电磁耦子波矢k_polariton满足非共线相位匹配条件(如图1(b)所示)。因此，当转动旋转平 台7使得谐振腔腔轴与泵浦光4夹角θ_ext在0.4°-3°之间连续变化时，产生的受激斯托克斯光5 将在1067nm-1076nm之间连续变化。

通过MgO:LiNbO₃晶体6的泵浦光4经过第一反射镜9后，先通过衰减片14进行能量 衰减，然后入射至偏振分光棱镜13，作为差频产生太赫兹波的一束差频泵浦光。从谐振腔出 射的斯托克斯光5，经第二、第三反射镜(10、11)反射后，通过二分之一波片12，使得斯 托克斯光的偏振方向发生90°偏转，然后入射至偏振分光棱镜13，并与泵浦光4进行合束， 作为差频产生太赫兹波的另一束差频泵浦光。此时，泵浦光4和斯托克斯光5的偏振方向互 相垂直，入射至非线性差频晶体GaSe或ZnGeP₂晶体15中，利用II类相位匹配技术共线差 频产生太赫兹波辐射。利用滤波片16滤除两束差频泵浦光，得到太赫兹波辐射。滤波片16 倾斜放置，避免两束差频泵浦光原路返回。

转动旋转平台7使得谐振腔腔轴与泵浦光夹角θ_ext在0.4°-3°之间连续变化，此时产生的 受激斯托克斯光5将在1064nm-1076nm之间连续变化。这时，同步调谐非线性差频晶体GaSe 或ZnGeP₂晶体的相位匹配角度，就可以差频产生0.8-3.1THz的连续可调谐太赫兹波辐射。

需要说明的是，上述以实施例是本发明技术方案的一种优选方式，本发明不限于上述实 施例。应当理解为通过给出实例的方式来实现本发明，并不是对本发明的限定，本领域的技 术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所作出的添加和等效替换，均属于本发明的保 护范围。