一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源及设计方法

摘要

本发明涉及太赫兹辐射源研究技术领域，尤其是一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源及设计方法。本发明针对现有技术问题，通过飞秒激光波前整形模块对泵浦飞秒激光进行整形；通过阶梯形铌酸锂晶体将泵浦飞秒激光转换为太赫兹波；相位匹配结构将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个太赫兹脉冲，从而提高单个太赫兹脉冲的强度。本发明适用于利用飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生强太赫兹脉冲辐射的光学太赫兹源，以及采用该太赫兹源作为系统光源的太赫兹光谱成像系统。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹辐射源研究技术领域，尤其是一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲 发射源及设计方法。

背景技术

太赫兹光谱技术以其独特的光谱特性和穿透性，在物理、化学、生物医学、安检等 领域都具有广泛的应用，而强脉冲太赫兹源的发展对太赫兹瞬态探测技术研究、极端条件 下材料的性质改变研究、太赫兹生物非热效应研究等都具有重要意义。但是目前，无论是光 子学方法还是电子学方法，都难于获得足够强的脉冲太赫兹辐射光源。采用高能量飞秒激 光泵浦具有高非线性系数的铌酸锂晶体是产生强脉冲太赫兹辐射的一种有效途径，然而由 于受到晶体吸收和色散的影响，太赫兹脉冲强度的进一步提高受到了极大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种阶梯形结构 的强太赫兹脉冲发射源及设计方法。利用高能量飞秒激光泵浦阶梯形结构铌酸晶体产生强 太赫兹脉冲输射的太赫兹光源，并给出了利用相位匹配材料实现高强度的单个太赫兹脉冲 辐射输出的方法。利用具有高损伤阈值的反射光栅对泵浦飞秒激光波束前沿进行整形、采 用阶梯形铌酸锂晶体作为工作介质并利用聚四氟乙烯等材料作为相位匹配材料，产生高强 度太赫兹脉冲(简称强太赫兹脉冲)。本发明适用于利用飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生强太 赫兹脉冲辐射的光学太赫兹源，以及采用该太赫兹源作为系统光源的太赫兹光谱成像系 统。

本发明采用的技术方案如下：

一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源包括：

飞秒激光波前整形模块，用于对泵浦飞秒激光进行整形，使泵浦飞秒激光的波前 在阶梯形铌酸锂晶体倾斜角度为α，使得泵浦飞秒激光与阶梯形铌酸锂晶体产生的强太赫 兹波实现非共线相位匹配；

阶梯形铌酸锂晶体，用于将泵浦飞秒激光转换为i个太赫兹脉冲；将楔形铌酸锂晶 体沿底面裁剪成阶梯形结构的铌酸锂晶体，即为阶梯形铌酸锂晶体；其中楔形铌酸锂晶体 的侧面作为阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体底面与相位匹配结构底面重合；阶 梯形铌酸锂晶体中挖空部分远离阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形机构 的台阶面与楔形铌酸锂晶体底面平行；阶梯形铌酸锂晶体有i个台阶；

相位匹配结构，用于消除阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲的相对时间延 迟，将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲；相位匹配结构 是阶梯结构，所述阶梯结构底面作为相位匹配结构底面；相位匹配结构有i-1个台阶；相位 匹配结构第1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第2个阶梯台阶底面重合,直到相位匹配结构第i-1 台阶与阶梯形铌酸锂晶体第i个阶梯台阶底面重合；

当经过飞秒激光波前整形模块的泵浦飞秒激光，垂直入射于阶梯形铌酸锂晶体端 面时，泵浦飞秒激光覆盖整个阶梯形铌酸锂晶体端面，在阶梯形铌酸锂晶体底面等间距形 成i个太赫兹脉冲；然后所述i个太赫兹脉冲中从第2个太赫兹脉冲到第i个太赫兹脉冲经过 相位匹配结构中i-1个台阶耦合成一个强太赫兹脉冲；所述阶梯形铌酸锂晶体端面指的是 垂直于阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形结构台阶面的端面；太赫兹脉冲出射方向与相位匹配结 构的底面垂直。

进一步的，所述相位匹配结构中每个阶梯结构的台阶高度d_p＝tan(γ)*(n_l-1)* d_l/(n_p-1)；其中γ＝α，γ为阶梯形铌酸锂晶体底面与阶梯形铌酸锂晶体端面夹角；相位匹 配结构中第1个到第i-1个阶梯结构的台阶长度对应等于阶梯形铌酸锂晶体第2个到第i个 楔形侧面长度；n_l指的是铌酸锂晶体在泵浦飞秒激光波段的折射率。n_p指的是相位匹配材料 在太赫兹波段的折射率。

进一步的，所述阶梯形铌酸锂晶体阶梯高度分别为d₁，d₂、d₃......d_i，其中i>＝2； 其中d₂＝d₃＝……＝d_i＝d₁-0.5～1.5mm；d_i范围2～5mm。

进一步的，所述飞秒激光波前整形模块包括反射光栅、两个透镜；泵浦飞秒激光通 过光栅后，依次通过两个成像透镜后入射至整个阶梯形铌酸锂晶体端面；两个成像透镜组 成望远镜系统；其中泵浦飞秒激光的光栅入射角在光栅的闪耀角θ附近，光栅入射角范围为 θ±10°；；sinδ＝Nλ-sinβ，其中，δ为光栅入射角，β为光栅出射角，λ为泵 浦飞秒激光入射光波长，f₁、f₂分别两个透镜的焦距，n_l为铌酸锂晶体在入射光波段的折射 率；N是光栅刻线密度。相位匹配结构材质为聚四氟乙烯或聚乙烯。

进一步的，所述γ的范围是63°±1°。

一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源设计方法包括：

步骤1：通过飞秒激光波前整形模块对泵浦飞秒激光进行整形，使泵浦飞秒激光的 波前在阶梯形铌酸锂晶体倾斜角度α，使得泵浦飞秒激光与阶梯形铌酸锂晶体产生的强太 赫兹波实现非共线相位匹配；

步骤2：通过阶梯形铌酸锂晶体将泵浦飞秒激光转换为i个太赫兹波；将楔形铌酸 锂晶体沿底面裁剪成阶梯形结构的铌酸锂晶体，即为阶梯形铌酸锂晶体；其中楔形铌酸锂 晶体的侧面作为阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体底面与相位匹配结构底面重 合；阶梯形铌酸锂晶体中挖空部分远离阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体中阶梯 形结构的台阶面与楔形铌酸锂晶体底面平行；阶梯形铌酸锂晶体有i个台阶；

步骤3：通过相位匹配结构消除阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲的相对 时间延迟，将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲；相位匹 配结构是阶梯结构，所述阶梯结构底面作为相位匹配结构底面；相位匹配结构有i-1个台 阶；相位匹配结构第1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第2个阶梯台阶底面重合,直到相位匹配结 构第i-1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第i个阶梯台阶底面重合；

步骤4：当经过飞秒激光波前整形模块的泵浦飞秒激光，垂直入射于阶梯形铌酸锂 晶体端面时，泵浦飞秒激光覆盖整个阶梯形铌酸锂晶体端面，在阶梯形铌酸锂晶体底面等 间距形成i个太赫兹脉冲；然后所述i个太赫兹脉冲中从第2个太赫兹脉冲到第i个太赫兹脉 冲经过相位匹配结构中i-1个台阶耦合成一个强太赫兹脉冲；所述阶梯形铌酸锂晶体端面 指的是垂直于阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形结构台阶面的端面；太赫兹脉冲出射方向与相位 匹配结构的底面垂直。

进一步的，所述相位匹配结构中每个阶梯结构的台阶高度d_p＝tan(γ)*(n_l-1)* d_l/(n_p-1)；其中γ＝α，γ为阶梯形铌酸锂晶体底面与阶梯形铌酸锂晶体端面夹角；相位匹 配结构中第1个到第i-1个阶梯结构的台阶长度对应等于阶梯形铌酸锂晶体第2个到第i个 楔形侧面长度；n_l指的是铌酸锂晶体在泵浦飞秒激光波段的折射率。n_p指的是相位匹配材料 在太赫兹波段的折射率。

进一步的，所述阶梯形铌酸锂晶体阶梯高度分别为d₁，d₂、d₃......d_i，其中i>＝2； 其中d₂＝d₃＝……＝d_i＝d₁-0.5～1.5mm；d_i范围2～5mm。

进一步的，所述飞秒激光波前整形模块包括反射光栅、两个透镜；泵浦飞秒激光通 过光栅后，依次通过两个成像透镜后入射至整个阶梯形铌酸锂晶体端面；两个成像透镜组 成望远镜系统；其中泵浦飞秒激光的光栅入射角在光栅的闪耀角θ附近，光栅入射角范围为 θ±10°；；sinδ＝Nλ-sinβ，其中，δ为光栅入射角，β为光栅出射角，λ为泵 浦飞秒激光入射光波长，f₁、f₂分别两个透镜的焦距，n_l为铌酸锂晶体在入射光波段的折射 率；N是光栅刻线密度。相位匹配结构材质为聚四氟乙烯或聚乙烯。

进一步的，所述γ的范围是63°±1°。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、飞秒激光波前整形模块：采用具有高损伤阈值的反射光栅及成像透镜对泵浦飞 秒激光波前进行整形，使飞秒激光的波前在铌酸锂晶体中倾斜为一定角度，从而实现飞秒 激光与产生的太赫兹波的非共线相位匹配。

2、阶梯形铌酸锂晶体及聚四氟乙烯相位匹配材料5包括阶梯形铌酸锂晶体51以及 相位匹配结构52。它是强太赫兹脉冲发射源的关键部分，采用阶梯形铌酸锂晶体作为工作 介质，一方面利用了铌酸锂晶体具有很高的非线性系数的特性，从而可以获得更高的太赫 兹波转换效应；另一方面相对于目前常见的楔形铌酸锂晶体，阶梯形结构的铌酸锂晶体去 除了产生太赫兹波效率低下的晶体部分，能够有效降低晶体对产生的太赫兹波的吸收，以 及色散对太赫兹波转换效率的限制，并且可以允许采用更大光束直径的飞秒激光作为泵浦 光源，能够有效避免飞秒激光对光学元件的损伤，从而有效提高太赫兹波的转换效率及产 生的太赫兹波的辐射强度。

3、聚四氟乙烯相位匹配材料能够将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦 合为一个强太赫兹脉冲，当没有相位匹配结构时，阶梯形铌酸锂晶体产生的太赫兹波是一 系列的太赫兹脉冲信号，而采用合适厚度的相位匹配结构，可以将这一系列太赫兹脉冲耦 合为一个强太赫兹脉冲，从而实现高强度的单个太赫兹脉冲辐射输出。利用聚四氟乙烯等 材料作为相位匹配材料，这类材料的特点是对太赫兹波透明，而对飞秒激光不透明，其优点 在于：能够将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲，从而提 高单个太赫兹脉冲的强度。

4、本发明给出的阶梯形结构强太赫兹脉冲发射源，能够有效提高产生的太赫兹波 的脉冲强度，可以作为太赫兹光谱成像系统的光源，可应用于太赫兹瞬态探测、材料性质、 太赫兹生物效应等诸多领域，普适性强，有利于太赫兹科学技术及相关领域的应用发展。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明原理结构图。

图2是本发明阶梯形铌酸锂晶体主视图。

图3是本发明结构尺寸示意图。

其中1-泵浦飞秒激光2-反射光栅3、4-成像透镜对

5-阶梯形铌酸锂晶体及相位匹配材料51-阶梯形铌酸锂晶体

52-相位匹配结构6-强太赫兹脉冲

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。

强太赫兹脉冲指的是太赫兹信号是峰值功率GW级太赫兹脉冲信号。

阶梯形结构强太赫兹脉冲发射源整体结构图，该系统包括飞秒激光波前整形模 块、阶梯形铌酸锂晶体及相位匹配材料部分，其中飞秒激光波前整形模块包括具有高损伤 阈值的光栅及两块透镜。飞秒激光泵浦铌酸锂晶体产生太赫兹波的原理是基于铌酸锂晶体 的光整流非线性效应(二阶非线性效应)，系统工作方式为：采用高能量飞秒激光作为泵浦 光源，再利用具有高损伤阈值的反射光栅及两块成像透镜对泵浦激光进行波前整形，使飞 秒激光的波前在铌酸锂晶体中倾斜为一定角度，使飞秒激光与产生的太赫兹波在铌酸锂晶 体中实现非共线相位匹配。

采用阶梯形铌酸锂晶体作为工作介质，一方面利用了铌酸锂晶体具有很高的非线 性系数的特性，从而可以获得更高的太赫兹波转换效应；另一方面相对于目前常见的楔形 铌酸锂晶体，阶梯形铌酸锂晶体由于采用阶梯状结构，挖空了一部分晶体，与同形状大小的 楔形铌酸锂晶体相比，阶梯形铌酸锂晶体去除了产生太赫兹波效率低下的晶体部分，能够 有效降低晶体对产生的太赫兹波的吸收，以及色散对太赫兹波转换效率的限制。

相位匹配结构(聚四氟乙烯相位匹配材料)能够将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个 太赫兹脉冲耦合为一个太赫兹脉冲，具体过程是：由于太赫兹波在相位匹配材料中的传播 速度小于其在空气中的传播速度，因此使铌酸锂晶体产生的多个具有相对时间延迟的太赫 兹脉冲分别通过设计好的不同厚度的相位匹配材料(即相位匹配结构中i-1个台阶)，就可 以消除这些太赫兹脉冲之间的时间延迟，从而使这一系列太赫兹脉冲在时间上重叠耦合为 一个脉冲信号。

一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源包括：

飞秒激光波前整形模块，用于对泵浦飞秒激光进行整形，使泵浦飞秒激光的波前 在阶梯形铌酸锂晶体倾斜角度α，使得泵浦飞秒激光与阶梯形铌酸锂晶体产生的强太赫兹 波实现非共线相位匹配；

阶梯形铌酸锂晶体，用于将泵浦飞秒激光转换为i个太赫兹脉冲；将楔形铌酸锂晶 体沿底面裁剪成阶梯形结构的铌酸锂晶体，即为阶梯形铌酸锂晶体；其中楔形铌酸锂晶体 的侧面作为阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体底面与相位匹配结构底面重合；阶 梯形铌酸锂晶体中挖空部分远离阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形机构 的台阶面与楔形铌酸锂晶体底面平行；阶梯形铌酸锂晶体有i个台阶；阶梯形铌酸锂晶体中 阶梯形机构的台阶面与阶梯形铌酸锂晶体底面夹角为90-γ。

相位匹配结构，用于消除阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲的相对时间延 迟，将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲；相位匹配结构 是阶梯结构，所述阶梯结构底面作为相位匹配结构底面；相位匹配结构有i-1个台阶；相位 匹配结构第1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第2个阶梯台阶底面重合,直到相位匹配结构第i-1 台阶与阶梯形铌酸锂晶体第i个阶梯台阶底面重合；

当经过飞秒激光波前整形模块的泵浦飞秒激光，垂直入射于阶梯形铌酸锂晶体端 面时，泵浦飞秒激光覆盖整个阶梯形铌酸锂晶体端面，在阶梯形铌酸锂晶体底面等间距形 成i个太赫兹脉冲；然后所述i个太赫兹脉冲中从第2个太赫兹脉冲到第i个太赫兹脉冲经过 相位匹配结构中i-1个台阶耦合成一个强太赫兹脉冲；所述阶梯形铌酸锂晶体端面指的是 垂直于阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形机构台阶面的端面；太赫兹脉冲与相位匹配结构的底面 垂直。

其中所述相位匹配结构中每个阶梯结构的台阶高度d_p＝tan(γ)*(n_l-1)*d_l/(n_p- 1)；其中γ＝α，γ为阶梯形铌酸锂晶体底面与阶梯形铌酸锂晶体端面夹角；相位匹配结构 中第1个到第i-1个阶梯结构的台阶长度对应等于阶梯形铌酸锂晶体第2个到第i个楔形侧 面长度；n_l指的是铌酸锂晶体在泵浦飞秒激光波段的折射率。n_p指的是相位匹配材料在太赫 兹波段的折射率。所述阶所述α的范围是63°±1°。所述阶梯形铌酸锂晶体阶梯高度分别为 d₁，d₂、d₃......d_i，其中i>＝2；其中d₂＝d₃＝……＝d_i＝d₁-0.5～1.5mm；d_i范围2～5mm。所述 飞秒激光波前整形模块包括反射光栅、成像透镜对；其中泵浦飞秒激光的光栅入射角在光 栅的闪耀角θ附近，光栅入射角范围为θ±10°；；相位匹配结构材质为聚四氟乙烯或聚乙烯。 相位匹配结构的台阶面与阶梯形铌酸锂晶体底面平行。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。