專利名稱：基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源及調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性光學頻率變換，特別涉及利用鈮酸鋰晶體中光學Cherenkov效應(yīng)實現(xiàn)太赫茲波調(diào)諧輸出，具體講，涉及基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源及調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz，簡稱THz，ITHz = IO12Hz)輻射源是THz領(lǐng)域科技發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，它是指頻率從IOOGHz到ΙΟΤΗζ，相應(yīng)的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當寬的電磁波譜區(qū)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，具有一系列特殊的性質(zhì)。特別是寬調(diào)諧THz相干輻射源在材料科學、固體物理、分子分析、大氣探索、生命科學、化學氣體追蹤、材料測試、食品檢測等國民和國防安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。通過非線性光學頻率變換技術(shù)是獲得可調(diào)諧單色相干THz輻射的有效方法之一。 目前光學THz輻射源多采用非共線參量振蕩技術(shù)和雙折射相位匹配差頻技術(shù)。THz波參量振蕩技術(shù)，基于鐵電晶體的受激電磁偶子散射機理，只需要一個固定波長的泵浦光。在非線性相位匹配形式下，通過調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)，改變匹配角度，來實現(xiàn)調(diào)諧輸出。THz波差頻產(chǎn)生需要雙波長泵浦光，其中至少一個波長連續(xù)可調(diào)，這種泵浦光可以利用近簡并點的雙波長參量振蕩器實現(xiàn)。THz波差頻產(chǎn)生通常采用雙折射相位匹配形式，這種形式下的調(diào)諧還需要改變差頻晶體的相位匹配角。因此，這兩種角度調(diào)諧方法的調(diào)諧操作都比較復雜，而且調(diào)諧范圍受到相位匹配角的限制。利用鈮酸鋰晶體中差頻Cherenkov效應(yīng)，因為其相位匹配形式的優(yōu)點，可以簡化調(diào)諧的操作，避免了相位匹配角對調(diào)諧范圍的限制，實現(xiàn)寬帶連續(xù)調(diào)諧輸出。優(yōu)化雙波長泵浦系統(tǒng)可以提高泵浦光的利用效率，使光學系統(tǒng)更簡單，從而提高了輻射源的輸出穩(wěn)定性， 易于實現(xiàn)小型化、全固化。目前已報道采用非共線THz波參量振蕩器實現(xiàn)THz波的輸出。但是這種調(diào)諧方式限制了調(diào)諧范圍和輸出穩(wěn)定性，制約了其在科研領(lǐng)域、國防安全的實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源及調(diào)制方法，實現(xiàn)輸出可連續(xù)調(diào)諧的高功率THz波，并能夠在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，包括基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，由激光器，倍頻晶體，雙波長參量振蕩器、諧波鏡、偏振濾波片、合束鏡、柱透鏡和差頻晶體組成，所述激光器為摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG調(diào)Q激光器；倍頻晶體為II類相位匹配的KTP晶體；倍頻晶體與雙波長參量振蕩器之間放置有諧波鏡；雙波長參量振蕩器為II類相位匹配KTP晶體OPO ；在參量振蕩器與差頻晶體之間設(shè)置有偏振濾波片、合束鏡和柱透鏡；差頻晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰晶體，分子式為MgO = LiNbO3或MgO:LN，產(chǎn)生的THz波由差頻晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。所述的摻釹釔鋁石榴石Nd: YAG調(diào)Q激光器的構(gòu)成為，全反鏡、輸出鏡、燈泵Nd: YAG 棒，以及KD*P晶體和偏振片組成的退壓式電光Q開關(guān)。輸出波長為1064nm，偏振態(tài)為45° 線偏振的ns脈沖。所述的諧波鏡為532nm高透、1064nm高反，將倍頻過程剩余的基頻光分離，用于后面的差頻過程。所述的諧波鏡反射出的1064nm光經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換偏振片變?yōu)榇怪逼窈笸渡涞胶鲜R合束。所述的雙波長參量振蕩器是由532nm倍頻光泵浦，工作在簡并點1064nm附近，采用KTP晶體II類相位匹配，晶體角度可旋轉(zhuǎn)。所述的偏振濾波片的輸出光沿垂直方向偏振，柱透鏡焦線方向平行于偏振方向。所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體為長方體，摻雜濃度為5mol%，泵浦光沿水平方向通光，對通光面即垂直-豎立面和側(cè)面即水平-豎立面進行光學拋光，晶軸方向與焦線和差頻光偏振方向平行。所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體側(cè)面與陣列硅棱鏡耦合，采用高電阻率的陣列硅棱鏡耦合輸出太赫茲波，硅棱鏡底角約為50°，硅棱鏡底部和輸出側(cè)面都進行光學拋光，將硅棱鏡底部與摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體的側(cè)面即水平-豎立面相緊密接觸?；诓铑l切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源調(diào)制方法，借助于所述的基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源實現(xiàn)，包括以下過程采用Nd: YAG調(diào)Q激光器倍頻產(chǎn)生的532nm綠光，泵浦工作在近簡并點處的雙波長參量振蕩器，產(chǎn)生1064nm附近的雙波長脈沖λ 1、λ 2，λ 1與λ 2偏振方向垂直，經(jīng)偏振濾波片后，剩余垂直偏振的λ 1 ；同時倍頻過程剩余的1064nm基頻光，經(jīng)過偏振片變?yōu)榇怪逼?；基頻光與λ 1合束后，由柱透鏡聚焦至MgO = LiNbO3晶體中，產(chǎn)生的差頻電極化強度作為的波源，以Cherenkov輻射形式輻射THz 波，由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出；調(diào)節(jié)雙波長參量振蕩器中KTP晶體的角度，可以改變差頻光波長λ 1，從而實現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出。本發(fā)明具有如下特點本發(fā)明由于采用Cherenkov(切倫科夫)型相位匹配形式，克服了角度相位匹配調(diào)諧操作復雜和調(diào)諧范圍有限的缺點；本發(fā)明由于采用了優(yōu)化的泵浦系統(tǒng)，能提高泵浦光的利用效率，并且降低了系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)THz波高效穩(wěn)定輸出；本發(fā)明還具備體積小巧，整個系統(tǒng)能夠在室溫下運轉(zhuǎn)的特點。


圖1為THz波輻射產(chǎn)生的流程圖。圖2為THz波輻射源裝置示意圖。圖3為LiNbO3晶體中差頻Cherenkov輻射Si棱鏡耦合示意圖。圖中1. NdiYAG激光器輸出1064nm基頻光；2.倍頻產(chǎn)生532nm綠光；3.諧波鏡分離基頻光與倍頻光；4.雙波長參量振蕩器產(chǎn)生1064nm附近雙波長λ 1和λ 2 ;5.偏振濾波片濾掉水平偏振光λ2;6.偏振片將倍頻過程中剩余的基頻光變?yōu)榇怪逼瘢?.偏振方向相同的1064nm激光和波長為λ 1的激光合束；8.差頻Cherenkov輻射產(chǎn)生THz波。 9.Nd:YAG調(diào)Q激光器；10. KTP倍頻晶體；11.諧波鏡；12.雙波長參量振蕩器；13.偏振濾波片；14.偏振片；15.合束鏡；16.柱透鏡；17. Si棱鏡耦合的差頻晶體Mg0:LiNb03。
具體實施例方式基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，由激光器，倍頻晶體，雙波長參量振蕩器和差頻晶體組成。所述激光器為摻釹釔鋁石榴石Nd: YAG調(diào)Q激光器；倍頻晶體為 II類相位匹配的KTP晶體；倍頻晶體與參量振蕩器之間放置有諧波鏡；雙波長參量振蕩器為II類相位匹配KTP晶體OPO ；在參量振蕩器與差頻晶體之間設(shè)置有偏振濾波片、合束鏡和柱透鏡；差頻晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰(MgOLiNbO3或MgO:LN)晶體，產(chǎn)生的THz波由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。所述的摻釹釔鋁石榴石Nd: YAG調(diào)Q激光器的構(gòu)成為，全反鏡、輸出鏡、燈泵Nd: YAG 棒，以及KD*P晶體和偏振片組成的退壓式電光Q開關(guān)。輸出波長為1064nm，偏振態(tài)為45° 線偏振的ns脈沖。所述的諧波鏡為532nm高透、1064nm高反，將倍頻過程剩余的基頻光分離，用于后面的差頻過程。所述的雙波長參量振蕩器是由532nm倍頻光泵浦，工作在簡并點1064nm附近，采用KTP晶體II類相位匹配，晶體角度可旋轉(zhuǎn)。所述的偏振濾波片的輸出光沿垂直方向偏振。柱透鏡焦線方向平行于偏振方向。所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO: LiNbO3晶體為長方體，摻雜濃度為5mol %，泵浦光沿水平方向通光，對通光面即垂直-豎立面和側(cè)面即水平-豎立面進行光學拋光。晶軸方向與焦線和差頻光偏振方向平行。所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體側(cè)面與陣列硅棱鏡耦合，采用高電阻率的陣列硅棱鏡耦合輸出太赫茲波，硅棱鏡底角約為50ο，硅棱鏡底部和輸出側(cè)面都進行光學拋光，將硅棱鏡底部與摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體的側(cè)面即水平-豎立面相緊密接觸?；诓铑lCherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源使用方法，借助于權(quán)利要求1所述的基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源實現(xiàn)，包括以下過程采用Nd: YAG調(diào) Q激光器倍頻產(chǎn)生的532nm綠光，泵浦工作在近簡并點處的雙波長參量振蕩器，產(chǎn)生1064nm 附近的雙波長脈沖(λ 1，λ》。λ 1與λ 2偏振方向垂直，經(jīng)偏振濾波片后，剩余垂直偏振的入1。同時倍頻過程剩余的1064nm基頻光，經(jīng)過偏振片變?yōu)榇怪逼??；l光與λ 1合束后，由柱透鏡聚焦至MgO = LiNbO3晶體中，產(chǎn)生的差頻電極化強度作為的波源，以Cherenkov 輻射形式輻射THz波，由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。調(diào)節(jié)雙波長參量振蕩器中KTP晶體的角度，可以改變差頻光波長λ 1，從而實現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出。本發(fā)明的目的在于提供一種基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源及方法，采用該裝置及方法可以簡化THz波的調(diào)諧操作，使太赫茲輸出頻率的調(diào)諧范圍更寬， 增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并能夠在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，一種基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源。其技術(shù)特征在于，該THz輻射源主要包括Nd: YAG調(diào)Q激光器9、倍頻晶體10、 雙波長參量振蕩器12和Si棱鏡耦合的差頻晶體17。參量產(chǎn)生的λ 1與1064nm基頻光經(jīng)柱透鏡聚焦，在鈮酸鋰晶體中通過差頻Cherenkov效應(yīng)輻射THz波，由Si棱鏡耦合輸出。采用上述的Cherenkov輻射實現(xiàn)THz波調(diào)諧輸出的方法，其特征包括以下過程 采用Nd: YAG調(diào)Q激光器倍頻產(chǎn)生的532nm綠光，泵浦工作在近簡并點處的雙波長參量振蕩器，產(chǎn)生1064nm附近的雙波長脈沖(λ 1，λ 2)。其中垂直偏振的λ 1與倍頻過程剩余的 1064nm基頻光，由柱透鏡聚焦至MgO: LiNb03晶體中，通過差頻Cherenkov效應(yīng)輻射THz波， 由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。調(diào)節(jié)雙波長參量振蕩器中KTP晶體的角度，可以改變差頻光波長λ 1，從而實現(xiàn)太赫茲波的調(diào)諧輸出。下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。本發(fā)明的具體實施方案體現(xiàn)在一種如圖2所示的基于差頻Cherenkov效應(yīng)的THz 輻射源中，采用該裝置只需調(diào)整雙波長參量振蕩器的晶體角度，即可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧輸出。這樣不僅簡化了調(diào)諧操作，擴大了調(diào)諧范圍，還增強了輻射源的系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)0. 1 5ΤΗζ波段的高效穩(wěn)定調(diào)諧輸出。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下泵浦源采用Nd:YAG調(diào)Q激光器；倍頻晶體為II類相位匹配KTP晶體；諧波鏡鍍532nm高透、1064nm高反膜；雙波長參量振蕩器采用KTP晶體 II類相位匹配。差頻晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰Mg0:LiNb03晶體，其摻雜濃度為5mol%，長方體，對側(cè)面進行光學拋光。晶軸方向與焦線和差頻光偏振方向平行，產(chǎn)生的THz波由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。硅棱鏡底角近似為50°，棱鏡底部和輸出側(cè)面都進行光學拋光，將棱鏡底部與Mg0:LiNb03晶體的側(cè)面相緊密接觸。由于鈮酸鋰晶體的色散特性，差頻電極化強度(波源)的移動速度，即雙波長近紅外泵浦脈沖的群速度，大于產(chǎn)生THz輻射波的相速度。根據(jù)惠更斯原理，從泵浦光傳播路徑上各點產(chǎn)生的THz波在某一角度的方向上相干相長，從而形成類似帶電粒子Cherenkov輻射的錐形(或楔形)波陣面(如圖幻。這種側(cè)向輻射形式，也可以認為是在這一方向上自動滿足相位匹配。因此，調(diào)諧過程只需改變差頻光波長，而無需旋轉(zhuǎn)差頻晶體，調(diào)諧操作更加簡單。為避免THz波在晶體側(cè)面發(fā)生全反射，采用折射率較高吸收較小的材料高阻硅作為耦合器件，提高耦合效率。本發(fā)明的優(yōu)點在于，整個系統(tǒng)能夠在室溫下運轉(zhuǎn)，體積小，利用差頻Cherenkov效應(yīng)，簡化調(diào)諧操作，實現(xiàn)THz波寬帶調(diào)諧穩(wěn)定輸出，THz波的頻率調(diào)諧范圍達到0. 1 5THz， 可廣泛應(yīng)用于成像、光譜分析、材料科學及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，其特征是，包括基于差頻Cherenkov效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，由激光器，倍頻晶體，雙波長參量振蕩器、諧波鏡、偏振濾波片、合束鏡、柱透鏡和差頻晶體組成，所述激光器為摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG調(diào)Q激光器；倍頻晶體為II類相位匹配的KTP晶體；倍頻晶體與雙波長參量振蕩器之間放置有諧波鏡；雙波長參量振蕩器為II類相位匹配KTP晶體OPO ；在參量振蕩器與差頻晶體之間設(shè)置有偏振濾波片、合束鏡和柱透鏡；差頻晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰晶體，分子式為MgO = LiNbO3或MgO:LN，產(chǎn)生的THz波由差頻晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。
2.如權(quán)利要求1所述輻射源，其特征是，所述的摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG調(diào)Q激光器的構(gòu)成為，全反鏡、輸出鏡、燈泵Nd:YAG棒，以及KD*P晶體和偏振片組成的退壓式電光Q開關(guān)。輸出波長為1064nm，偏振態(tài)為45°線偏振的ns脈沖。
3.如權(quán)利要求1所述輻射源，其特征是，所述的諧波鏡為532nm高透、1064nm高反，將倍頻過程剩余的基頻光分離，用于后面的差頻過程。
4.如權(quán)利要求1所述輻射源，其特征是，所述的諧波鏡反射出的1064nm光經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換偏振片變?yōu)榇怪逼窈笸渡涞胶鲜R合束。
5.如權(quán)利要求1所述輻射源，其特征是，所述的雙波長參量振蕩器是由532nm倍頻光泵浦，工作在簡并點1064nm附近，采用KTP晶體II類相位匹配，晶體角度可旋轉(zhuǎn)；所述的偏振濾波片的輸出光沿垂直方向偏振，柱透鏡焦線方向平行于偏振方向；所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO: LiNbO3晶體為長方體，摻雜濃度為5mol %，泵浦光沿水平方向通光，對通光面即垂直-豎立面和側(cè)面即水平-豎立面進行光學拋光，晶軸方向與焦線和差頻光偏振方向平行。
6.如權(quán)利要求1所述輻射源，其特征是，所述的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO= LiNbO3晶體側(cè)面與陣列硅棱鏡耦合，采用高電阻率的陣列硅棱鏡耦合輸出太赫茲波，硅棱鏡底角約為50°，硅棱鏡底部和輸出側(cè)面都進行光學拋光，將硅棱鏡底部與摻氧化鎂鈮酸鋰MgO = LiNbO3晶體的側(cè)面即水平-豎立面相緊密接觸。
7.一種基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源調(diào)制方法，其特征是，借助于所述的基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源實現(xiàn)，包括以下過程采用Nd:YAG調(diào)Q激光器倍頻產(chǎn)生的532nm綠光，泵浦工作在近簡并點處的雙波長參量振蕩器，產(chǎn)生1064nm附近的雙波長脈沖λ 1、λ 2，λ 1與λ 2偏振方向垂直，經(jīng)偏振濾波片后，剩余垂直偏振的λ 1 ；同時倍頻過程剩余的1064nm基頻光，經(jīng)過偏振片變?yōu)榇怪逼?；基頻光與λ 1合束后，由柱透鏡聚焦至MgO = LiNbO3晶體中，產(chǎn)生的差頻電極化強度作為的波源，以Cherenkov輻射形式輻射THz波，由晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出；調(diào)節(jié)雙波長參量振蕩器中KTP晶體的角度，可以改變差頻光波長λ 1，從而實現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及非線性光學頻率變換。為實現(xiàn)輸出可連續(xù)調(diào)諧的高功率THz波，并能夠在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于差頻切倫科夫效應(yīng)的可調(diào)諧太赫茲輻射源，由激光器，倍頻晶體，雙波長參量振蕩器、諧波鏡、偏振濾波片、合束鏡、柱透鏡和差頻晶體組成，倍頻晶體與雙波長參量振蕩器之間放置有諧波鏡；雙波長參量振蕩器為II類相位匹配KTP晶體OPO；在參量振蕩器與差頻晶體之間設(shè)置有偏振濾波片、合束鏡和柱透鏡；差頻晶體為摻氧化鎂鈮酸鋰晶體，分子式為MgO:LiNbO3或MgO:LN，產(chǎn)生的THz波由差頻晶體側(cè)面的Si棱鏡耦合輸出。本發(fā)明主要應(yīng)用于光學頻率變換。
文檔編號H01S1/02GK102386549SQ20111030228
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月10日
發(fā)明者劉鵬翔, 呂達, 姚建銓, 徐德剛, 王與燁 申請人:天津大學