一种基于镱锗共掺微结构光纤窄线宽双波长激光器的太赫兹波源

摘要

一种基于单纵模镱锗共掺微结构光纤激光器的太赫兹源，包括微结构光纤激光器、掺镱光纤放大器、二维调节架、薄透镜、GaSe棒状波导、连接用光纤；微结构光纤激光器利用980nm的泵浦光泵浦微结构光纤中掺杂的镱离子产生1064nm左右的荧光，并在施加声场调制的倾斜布喇格光栅对和镱锗共掺微结构光纤构成的谐振腔中形成双波长激射。通过缩短激光器腔长能够获得单纵模窄带双波长激光。利用透镜将双波长光束耦合到GaSe晶体中混频，其差频信号即为太赫兹波。本发明可通过调节声波的频率、在微结构光纤中填充功能材料等实现连续可调的宽带太赫兹波。优点是：结构紧凑、工作稳定、可靠性高、基于光纤激光器而无需严格的光路调节、可实现对输出太赫兹信号的调谐。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域,特别是一种太赫兹波的发生装置，可以方便地产生可调 谐太赫兹波，在成像、国防等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

太赫兹辐射是指频率在0.1THz~10THz之间，介于毫米波与红外光波之间的电磁辐射 区，它填补了电磁辐射谱在毫米波与红外光谱之间的空白。近年来，太赫兹这一特殊波段 在军事侦察、识别，无线通信，反恐辑毒、医学成像等方面取得了很大的研究进展，且在 物理学、材料科学、天文学、生物医学、信息科学、国防等领域表现出广阔的应用前景。 太赫兹波源及太赫兹辐射是太赫兹科学的关键技术之一，也是限制其发展的主要因素。

太赫兹波可以通过电子学和光子学两种方法获得。在电子学方面有返向波管、耿式二 极管振荡器等，利用电子的振荡产生太赫兹波。在光子学方面可以通过飞秒激光脉冲激发 光电导天线、非线性晶体或空气等离子体、功率脉冲激光差频或太赫兹参量振荡器、半导 体级联量子阱激光器等获得太赫兹波。

然而基于飞秒激光脉冲的太赫兹的辐射源体积庞大，造价昂贵，而且世界上只有少数 机构掌握相关制造技术。另一类很有发展前景的连续波辐射源是半导体太赫兹激光器和量 子级联激光器，但是为了降低热弛豫对粒子数反转的影响，这两种半导体激光器都必须工 作于极低温环境中。因此近年来室温环境下连续可调谐的太赫兹波源逐渐成为太赫兹技术 领域的研究热点。目前，通过两个波长不同的激光器进行光子混频获得连续可调的太赫兹 波已被证明可行，并有相关研究成果报导，然而其对外界温度很敏感，因而输出的太赫兹 波很不稳定，此外两个不同波长的激光器不易达到空间模式匹配的条件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种结构紧凑、调节方便、可靠 性高的基于镱锗共掺微结构光纤窄线宽双波长激光器的太赫兹波源。

本发明提供的基于镱锗共掺微结构光纤窄线宽双波长激光器的太赫兹波源，包括基于 镱锗共掺微结构光纤的窄线宽双波长光纤激光器、掺镱光纤放大器、二维调节架、薄透镜、 GaSe棒状波导及连接用光纤；窄线宽双波长光纤激光器通过普通单模光纤与掺镱光纤放 大器连接，输出端置于二维调节架上，调节二维调节架使放大器输出端与薄透镜中心和 GaSe棒状波导共线，由GaSe棒状波导的后端面输出太赫兹波。

所述的基于镱锗共掺微结构光纤的窄线宽双波长光纤激光器包括：泵浦光源、波分复 用耦合器、两个二维调节架、两个压电陶瓷片、两个声放大器、写制有两个相同倾斜布喇 格光栅的镱锗共掺微结构光纤、吸声装置、信号发生器、普通单模光纤和普通金属导线； 写制有两个相同倾斜布喇格光栅的镱锗共掺微结构光纤的中间（中点位置）设置有吸声装 置，微结构光纤的两端各连接一个声放大器，声放大器的底部用有机胶粘于压电陶瓷片上， 两个压电陶瓷片分别经导线连接信号发生器的两极，两个压电陶瓷片的另一面分别粘于二 维调节架上，用二维调节架夹持并拉紧镱锗共掺微结构光纤，而镱锗共掺微结构光纤的一 端依次穿过压电陶瓷片中心和圆锥形声放大器顶端，并与普通单模光纤连接作为光纤激光 器的输出，镱锗共掺微结构光纤的另一端依次穿过另一压电陶瓷片中心和圆锥形声放大器 顶端并经普通单模光纤与波分复用耦合器连接，波分复用耦合器另一侧的两个端口中的一 个连接泵浦光源，另一个作为抑制反射端。

所述倾斜布喇格光纤光栅的布喇格波长为1060nm~1068nm。窄线宽双波长光纤激光 器的谐振腔由写制于镱锗共掺微结构光纤上的两个相同的倾斜布喇格光纤光栅构成，窄线 宽双波长光纤激光器的谐振腔的腔长为2cm~5cm。

所述窄线宽双波长光纤激光器的选模器件为施加有声波调制的两个相同倾斜布喇格 光纤光栅；窄线宽双波长光纤激光器的增益介质为镱锗共掺的微结构光纤。通过改变施加 声场的频率可以改变输出太赫兹波的频率，通过对微结构光纤填充或涂敷功能性材料可以 实现太赫兹频率的可调谐输出。

太赫兹波的产生原理：

利用信号发生器向压电陶瓷片施加正弦电压，压电陶瓷片产生周期性振动并通过圆锥 形声放大器放大并耦合至写制于镱锗共掺微结构光纤上的倾斜布喇格光纤光栅中。泵浦光 入射到微结构光纤中，掺杂的镱离子吸收泵浦光产生1064nm左右的荧光，至施加声场后 的倾斜布喇格光栅时，布喇格波长的光被反射。另外，经倾斜布喇格光栅作用后的一部分 纤芯模发生反向耦合，经声场调制又重新耦合入纤芯中。

当入射光入射至倾斜布喇格光栅时，波长满足（2）式的光纤基模能够反向耦合至高 阶包层模式：

$n_{\mathrm{co}}\left({\lambda }_B\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_B}-(-n_{\mathrm{co}}\left({\lambda }_B\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_B})=\frac{2\pi }{\Lambda }\cos \theta ---\left(1\right)$

$n_{\mathrm{co}}\left({\lambda }_{\mathrm{ac}}\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{ac}}}-(-n_{\mathrm{cl}}\left({\lambda }_{\mathrm{ac}}\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{ac}}})=\frac{2\pi }{\Lambda }\cos \theta ---\left(2\right)$

当这些高阶包层模式满足（3）式时，高阶包层模式能够反向耦合回纤芯：

$-n_{\mathrm{cl}}\left({\lambda }_{\mathrm{ac}}\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{ac}}}-(-n_{\mathrm{co}}\left({\lambda }_{\mathrm{ac}}\right)\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{ac}}})=\frac{2\pi }{{\Lambda }_{\mathrm{ac}}};$其中，${\Lambda }_{\mathrm{ac}}={\left[\frac{{\mathrm{\pi Rc}}_{\mathrm{ext}}}{f_{\mathrm{ac}}}\right]}^{1/2}---\left(3\right)$

那么由以上分析可以得到光栅反射波长的表达式：

${\lambda }_B=\frac{{2\Lambda }_B{n}_{\mathrm{co}}}{\cos \theta }(1060\mathrm{nm}~1068\mathrm{nm})---\left(4\right)$

${\lambda }_{\mathrm{ac}}\approx \frac{1}{\frac{1}{{\lambda }_B}+\frac{1}{2n_{\mathrm{co}}}\sqrt{\frac{f_{\mathrm{ac}}}{\mathrm{\pi R}{c}_{\mathrm{ext}}}}}---\left(5\right)$

λ_B指布喇格波长，λ_ac为经声场调制又重新耦合回纤芯的反向包层模式，Λ_B指光纤光 栅的栅格周期，n_co为布喇格波长纤芯模式的有效折射率。由于λ_ac与λ_B波长间隔很小，故 可以认为它们的纤芯模式有效折射率近似相等。θ为倾斜光栅的倾斜角。f_ac为施加的声 场的频率，R是光纤半径，c_ext为声波在光纤中的传播速度。

控制施加正弦电压的频率及幅度时，可以使倾斜布喇格光栅同时对两个波长光反射， 其中一个为布喇格波长，另一个为经声场调制又重新耦合回纤芯的反向包层模式。且当所 施加声场的频率变化时，两个波长的间距会发生相应改变。采用两个相同的倾斜布喇格光 栅组成上述结构可以形成谐振腔，进一步使这两个波长的光在谐振腔中形成窄线宽双波长 激射。对空心微结构光纤填充功能性材料可以进一步压缩线宽。此外，通过控制谐振腔的 腔长使其输出的双波长激光近乎为单纵模运转，由此可以获得窄线宽双波长激光输出。

将窄线宽双波长激光输入掺镱光纤放大器，使其功率高于产生太赫兹波的阈值功率。 用透镜将输出光耦合入GaSe棒状波导，通过激光混频便可得到太赫兹波。

产生的太赫兹波频率为：

$f_{\mathrm{THz}}=\mathrm{\Delta f}=\frac{c}{{\lambda }_{\mathrm{ac}}}-\frac{c}{{\lambda }_B}=\frac{c}{{2n}_{\mathrm{co}}}\sqrt{\frac{f_{\mathrm{ac}}}{\mathrm{\pi R}{c}_{\mathrm{ext}}}}---\left(6\right)$

附图说明

图1是本发明的太赫兹波源结构示意图。

图2是本发明中基于镱锗共掺微结构光纤的窄线宽双波长光纤激光器的结构示意图。

图中：1.基于镱锗共掺微结构光纤的窄线宽双波长光纤激光器2.掺镱光纤放大 器3-I、3-II、3-III（三个）二维调节架4.薄透镜5.GeSe棒状波导6.980nm 泵浦光源7.耦合器8.普通单模光纤9-I,9-II（两个）压电陶瓷片10-I, 10-II（两个）声放大器11.吸声装置12.镱锗共掺的微结构光纤13-I,13-II （两个）倾斜布喇格光栅14.普通金属导线15.信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

图1所示为基于镱锗共掺微结构光纤窄线宽双波长激光器的太赫兹波源，它包括镱锗 共掺微结构光纤窄线宽双波长光纤激光器1、掺镱光纤放大器2、二维调节架3-I、薄透镜 4、GeSe棒状波导5。将窄线宽带双波长光纤激光器1通过普通单模光纤与掺镱光纤放大 器2连接，输出端置于二维调节架3-I上。调节二维调节架使放大器2输出端与薄透镜4 中心及GaSe棒状波导5共线。

其中基于镱锗共掺微结构光纤的窄线宽双波长光纤激光器1（见图2）包括：980nm 的泵浦光源6、波分复用耦合器7、两个二维调节架3-II、3-III、两个压电陶瓷片9-I、9-II、 两个声放大器10-I、10-II、写制有两个相同倾斜布喇格光栅13-I、13-II的镱锗共掺微结构 光纤12、吸声装置11、信号发生器15、普通单模光纤8和普通金属导线14；写制有两个 相同倾斜布喇格光栅的镱锗共掺微结构光纤12的中间（中点位置）设置有吸声装置11， 微结构光纤的两端用496胶各连接一个声放大器10-I、10-II，声放大器的底部用有机胶粘 于压电陶瓷片上，两个压电陶瓷片分别经导线连接信号发生器15的两极，两个压电陶瓷 片的另一面分别粘于二维调节架3-II、3-III上，用二维调节架夹持并拉紧镱锗共掺微结构 光纤，而镱锗共掺微结构光纤的一端依次穿过一个压电陶瓷片9-II中心和圆锥形声放大器 10-II顶端，并与普通单模光纤连接作为光纤激光器的输出，镱锗共掺微结构光纤的另一 端依次穿过另一个压电陶瓷片9-I中心和圆锥形声放大器10-I顶端并经普通单模光纤8与 波分复用耦合器7连接，波分复用耦合器另一侧的两个端口一个连接泵浦光源6，另一个 作为抑制反射端。

本实施例中，使用的泵浦光的中心波长是980nm，采用的谐振腔的腔长是3cm。写制 于镱锗共掺微结构光纤上的倾斜光栅布喇格波长均为1064nm。声放大器的尺寸为半径 5mm，高15mm，厚为0.3mm的中空玻璃圆锥，在100KHz~6MHz的频率范围内有较高的 频率响应，在6MHz以上也有一定的频率响应。

在实际应用中，为了得到较高的声光耦合效率，信号发生器后可以接入放大电路，放 大后的电信号应具有较小的谐波信号且失真度低。调节输入信号的频率在155KHz~10MHz 可以得到约0.1THz~0.8THz的输出，其中上限频率受限于压电陶瓷片的工作上限频率，采 用具有更高谐振频率的压电陶瓷片或蜂鸣片可以获得更高频率的响应，从而获得更宽频带 的太赫兹波输出。在激光器的输出端可以通过太赫兹探测器对激光差频得到的太赫兹信号 进行探测。