一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源

摘要

本发明公开了一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源，包括泵浦源、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、……、第N+3反射镜、……、第2N+2反射镜、第一MgO:LiNbO3晶体、第二MgO:LiNbO3晶体、……、第N MgO:LiNbO3晶体、硅棱镜、第一泵浦光回收盒和第二泵浦光回收盒。在光学参量效应中，每一块MgO:LiNbO3晶体都可以产生Stokes光，且各块晶体产生的Stokes光频率和传播方向相同，可以极大增强Stokes光功率，有效增强THz波输出功率；在光学参量过程中，泵浦光可以循环使用；通过改变泵浦光和Stokes光之间的夹角，得到频率调谐的太赫兹波，调谐方式简单，操作灵活。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源。

背景技术

太赫兹波（Terahertz，简称THz），是指频率在0.1-10THz（1THz＝10¹²THz）范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和红外线之间，是光子学与电子学、宏观理论向微观理论的过渡区域。太赫兹波所处的特殊位置使其在物理、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。太赫兹波主要应用在以下领域：

（1）成像领域

利用太赫兹波时域光谱技术可以直接测量THz电磁脉冲所产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。

（2）生物化学技术领域

由于许多生物大分子的转动吸收谱处于太赫兹波频段，利用对生化反应太赫兹波吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。

（3）天文学领域

在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波，碳（C）、水（H₂O）、一氧化碳（CO）、氮（N₂）、氧（O₂）等大量的分子可以在太赫兹波频段进行探测。

（4）通信领域

太赫兹波是很好的宽带信息载体，可以携带声频或者视频信号进行传输，太赫兹波用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。

（5）国土安全领域

在国土安全领域，由于太赫兹波的非电离性，及强穿透性，所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离、大范围的预警。

缺少能够产生高功率、高质量、高效率的太赫兹波，且低成本并能在室温下运转的太赫兹源是目前面临的主要问题。目前太赫兹波的产生方法主要有电子学方法和光子学方法，电子学方法一般是将电磁辐射的波长从毫米波延伸到THz波段，也就相当于一个频率变大的过程，但是当频率大于1THz时会遇到很大的障碍，以至于效率变的很低，同时电子学方法产生的太赫兹波辐射源体积庞大，限制了其在很多领域中的应用；而光子学方法其主要方向就是把可见光或者红外光向THz波段转换，此方法的优势在于产生的太赫兹波辐射源具有很高的相干性和方向性，但是现阶段产生的太赫兹波功率和效率都较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源，用以解决现有太赫兹波功率低、效率低等问题。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源，包括泵浦源、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、……、第N+3反射镜、第N+4反射镜、第N+5反射镜、第N+6反射镜、……、第2N+2反射镜、第一MgO:LiNbO₃晶体、第二MgO:LiNbO₃晶体、第三MgO:LiNbO₃晶体、……、第N>3晶体、硅棱镜、第一泵浦光回收盒和第二泵浦光回收盒；

从泵浦源出射的泵浦光经分光镜后变为第一束泵浦光和第二束泵浦光，第一束泵浦光经第一反射镜反射后入射第一MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大；从第一MgO:LiNbO₃晶体出射的第一束泵浦光经第N+4反射镜反射后入射第二MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大；从第二MgO:LiNbO₃晶体出射的第一束泵浦光经第六反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大；如此继续下去，第一束泵浦光入射第N>3晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大。若第一束泵浦光被第一泵浦光回收盒回收，则由第一束泵浦光在第NMgO:LiNbO₃晶体中产生的太赫兹波由硅棱镜耦合输出；若第一束泵浦光被第二泵浦光回收盒回收，则第一束泵浦光在第N>3晶体中产生的太赫兹波不输出；

第二束泵浦光经第二反射镜反射后入射第一MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大；从第一MgO:LiNbO₃晶体出射的第二束泵浦光经第五反射镜反射后入射第二MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大；从第二MgO:LiNbO₃晶体出射的第二束泵浦光经第N+5反射镜反射后入射第三MgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大，如此继续下去，第二束泵浦光入射第NMgO:LiNbO₃晶体，经光学参量效应产生Stokes光和太赫兹波，Stokes光在由第三反射镜和第四反射镜组成的谐振腔中振荡放大。若第二束泵浦光被第一泵浦光回收盒回收，则由第二束泵浦光在第N>3晶体中产生的太赫兹波由硅棱镜耦合输出；若第二束泵浦光被第二泵浦光回收盒回收，则第二束泵浦光在第N>3晶体中产生的太赫兹波不输出。

所述泵浦源为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为10Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为Z轴。

所述分光镜对波长为1064nm的泵浦光45°角半反射半透射。

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、……、第N+3反射镜、第N+4反射镜、第N+5反射镜、第N+6反射镜、……和第2N+2反射镜为平面镜，第一反射镜、第二反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、……、第N+3反射镜、第N+4反射镜、第N+5反射镜、第N+6反射镜、……和第2N+2反射镜对第一束泵浦光和第二束泵浦光全反射，且第一反射镜、第二反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、……、第N+3反射镜、第N+4反射镜、第N+5反射镜、第N+6反射镜、……和第2N+2反射镜角度可调，第三反射镜和第四反射镜对Stokes光全反射。

所述第一MgO:LiNbO₃晶体、第二MgO:LiNbO₃晶体、第三MgO:LiNbO₃晶体、……和第NMgO:LiNbO₃晶体是完全相同的，第一MgO:LiNbO₃晶体在X-Y平面为矩形，MgO掺杂浓度为5mol%。

所述第N>3晶体中，第一束泵浦光和Stokes光之间的交点与第二束泵浦光和Stokes光之间的交点重合，且上述交点紧贴在硅棱镜的下方。

所述硅棱镜由高阻硅材料制备，在X-Y平面为直角三角形，两个底角分别为40°和50°，硅棱镜紧贴在第N>3晶体的X-Z侧面上。

所述第C-N太赫兹波垂直于硅棱镜的斜边出射。

所述第一MgO:LiNbO₃晶体、第二MgO:LiNbO₃晶体、第三MgO:LiNbO₃晶体、……、第（N-1）MgO:LiNbO₃晶体中产生的太赫兹波均不输出。

本发明提供的一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源与现有的基于差频或参量效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：

（1）在光学参量效应中，每一块MgO:LiNbO₃晶体都可以产生Stokes光，且各块晶体产生的Stokes光频率相同，传播方向相同，这样可以极大增强Stokes光功率，从而可以有效增强THz波输出功率。

（2）在光学参量过程中，泵浦光可以循环使用，有效提高泵浦光利用效率。

（3）通过改变泵浦光和Stokes光之间的夹角，可以得到频率调谐的太赫兹波，调谐方式简单，操作灵活。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是MgO:LiNbO₃晶体中泵浦光、Stokes光和太赫兹波相位匹配示意图，图中k_p、k_s、k_T分别为泵浦光、Stokes光、太赫兹波的波矢，θ角为泵浦光波矢k_p与Stokes光波矢k_s之间的夹角。

图3是硅棱镜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1-3所示，一种斯托克斯光增强的太赫兹波辐射源，包括泵浦源1、分光镜3、第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜9、第四反射镜10、第五反射镜L-1a、第六反射镜L-2a、第七反射镜L-3a、……、第N+3反射镜L-（N-1）a、第N+4反射镜L-1b、第N+5反射镜L-2b、第N+6反射镜L-3b、……、第2N+2反射镜L-（N-1）b、第一MgO:LiNbO₃晶体C-1、第二MgO:LiNbO₃晶体C-2、第三MgO:LiNbO₃晶体C-3、……、第N>3晶体C-N、硅棱镜11、第一泵浦光回收盒13和第二泵浦光回收盒14；

从泵浦源1出射的泵浦光2经分光镜3后变为第一束泵浦光4和第二束泵浦光5，第一束泵浦光4经第一反射镜6反射后入射第一MgO:LiNbO₃晶体C-1，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；从第一MgO:LiNbO₃晶体C-1出射的第一束泵浦光4经第N+4反射镜L-1b反射后入射第二MgO:LiNbO₃晶体C-2，经光学参量效应产生Stokes光（8）和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；从第二MgO:LiNbO₃晶体C-2出射的第一束泵浦光4经第六反射镜L-2a反射后入射第三MgO:LiNbO₃晶体C-3，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；如此继续下去，第一束泵浦光4入射第N>3晶体C-N，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大。若第一束泵浦光4被第一泵浦光回收盒13回收，则由第一束泵浦光4在第N>3晶体C-N中产生的太赫兹波为太赫兹波12，太赫兹波12由硅棱镜11耦合输出；若第一束泵浦光4被第二泵浦光回收盒14回收，则第一束泵浦光4在第N>3晶体C-N中产生的太赫兹波不输出；

第二束泵浦光5经第二反射镜7反射后入射第一MgO:LiNbO₃晶体C-1，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；从第一MgO:LiNbO₃晶体C-1出射的第二束泵浦光5经第五反射镜L-1a反射后入射第二MgO:LiNbO₃晶体C-2，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；从第二MgO:LiNbO₃晶体C-2出射的第二束泵浦光5经第N+5反射镜L-2b反射后入射第三MgO:LiNbO₃晶体C-3，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大；如此继续下去，第二束泵浦光5入射第N>3晶体C-N，经光学参量效应产生Stokes光8和太赫兹波，Stokes光8在由第三反射镜9和第四反射镜10组成的谐振腔中振荡放大。若第二束泵浦光5被第一泵浦光回收盒13回收，则由第二束泵浦光5在第N>3晶体C-N中产生的太赫兹波为太赫兹波12，太赫兹波12由硅棱镜11耦合输出；若第二束泵浦光5被第二泵浦光回收盒14回收，则第二束泵浦光5在第N>3晶体C-N中产生的太赫兹波不输出。

泵浦源1为脉冲激光器，波长为1064nm，重复频率为10Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为Z轴。

如图2所示，改变第一束泵浦光4和Stokes光8、第二束泵浦光5和Stokes光8之间的夹角θ，可以得到频率调谐的第C-N太赫兹波12。当θ角的范围在0.3356°-1.4686°变化时，可以得到频率范围在0.8-3.2THz的太赫兹波，同时可以得到波长范围在1067-1076.2nm的Stokes光8。

分光镜3对波长为1064nm的泵浦光45°角半反射半透射。

第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜9、第四反射镜10、第五反射镜L-1a、第六反射镜L-2a、第七反射镜L-3a、……、第N+3反射镜L-（N-1）a、第N+4反射镜L-1b、第N+5反射镜L-2b、第N+6反射镜L-3b、……和第2N+2反射镜L-（N-1）b为平面镜，第一反射镜6、第二反射镜7、第五反射镜L-1a、第六反射镜L-2a、第七反射镜L-3a、……、第N+3反射镜L-（N-1）a、第N+4反射镜L-1b、第N+5反射镜L-2b、第N+6反射镜L-3b、……和第2N+2反射镜L-（N-1）b对第一束泵浦光4和第二束泵浦光5全反射，且第一反射镜6、第二反射镜7、第五反射镜L-1a、第六反射镜L-2a、第七反射镜L-3a、……、第N+3反射镜L-（N-1）a、第N+4反射镜L-1b、第N+5反射镜L-2b、第N+6反射镜L-3b、……和第2N+2反射镜L-（N-1）b角度可调，第三反射镜9和第四反射镜10对Stokes光8全反射。

第一MgO:LiNbO₃晶体C-1、第二MgO:LiNbO₃晶体C-2、第三MgO:LiNbO₃晶体C-3、……和第N>3晶体C-N是完全相同的，第一MgO:LiNbO₃晶体C-1在X-Y平面为矩形，MgO掺杂浓度为5mol%，晶体尺寸为40mm（X）×20mm（Y）×5mm（Z）。

第N>3晶体C-N中，第一束泵浦光4和Stokes光8之间的交点与第二束泵浦光5和Stokes光8之间的交点重合，且上述交点紧贴在硅棱镜11的下方，这样可以尽量减小太赫兹波在晶体中的传播距离，从而减小晶体对太赫兹波的吸收损耗。

硅棱镜11由高阻硅材料制备，在X-Y平面为直角三角形，两个底角分别为40°和50°，硅棱镜11紧贴在第N>3晶体C-N的X-Z侧面上，尺寸为40mm（X）×33.6mm（Y）×5mm（Z），可以保证THz波垂直于硅棱镜（11）出射。

改变第一束泵浦光4和Stokes光8之间的夹角，可以得到频率调谐的第C-N太赫兹波12；改变第二束泵浦光5和Stokes光8之间的夹角，可以得到频率调谐的第C-N太赫兹波12。在频率调谐过程中，第一束泵浦光4与Stokes光8之间的夹角始终等于第二束泵浦光5与Stokes光8之间的夹角。

第C-N太赫兹波12垂直于硅棱镜11的斜边出射。

第一MgO:LiNbO₃晶体C-1、第二MgO:LiNbO₃晶体C-2、第三MgO:LiNbO₃晶体（C-3）、……、第（N-1）MgO:LiNbO₃晶体C-（N-1）中产生的太赫兹波均不输出。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。