本發(fā)明屬于太赫茲波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種雙扇形晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)差頻太赫茲波輻射源。

背景技術(shù)：

太赫茲（Terahertz，簡(jiǎn)稱THz，1THz=10¹²Hz）波是指頻率在0.1-10 THz范圍內(nèi)的電磁波, 其波段介于毫米波和紅外波之間。太赫茲波與其它電磁波段相比，有很多獨(dú)特的性質(zhì)：

1）太赫茲光子能量低，比X射線的光子能量弱10⁷-10⁸倍，因此太赫茲波不會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生有害的光致電離和破壞，特別適合對(duì)生物組織進(jìn)行活體檢查。

2）太赫茲波可以穿透一些在可見(jiàn)光和紅外波段不透明的非金屬的、非極性的物質(zhì)，如布料、木材、紙張和塑料等，可用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行安全檢查。

3）水分子對(duì)太赫茲波有強(qiáng)烈的吸收，在太赫茲成像技術(shù)中可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，比如動(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布以及植物葉片組織的水分含量分布等。

4）許多生物大分子例如氨基酸、毒品和炸藥分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的間距正好處于THz頻率范圍，從而為太赫茲光譜技術(shù)在分析和研究生物大分子的物理化學(xué)性質(zhì)、反恐、緝毒等提供了相關(guān)理論依據(jù)。

5）脈沖太赫茲波的典型脈寬在皮秒數(shù)量級(jí)，不僅可以方便地對(duì)各種材料進(jìn)行時(shí)間分辨光譜的研究，而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。

正是由于太赫茲波具有以上特殊性質(zhì)，使得太赫茲波在寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。缺少的能夠產(chǎn)生高功率、高質(zhì)量、高效率的太赫茲波，且低成本并能在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)的太赫茲源是目前面臨的主要問(wèn)題。目前太赫茲波的產(chǎn)生方法主要有電子學(xué)方法和光子學(xué)方法。電子學(xué)方法是一般將電磁輻射的波長(zhǎng)從毫米波延伸到太赫茲波段，也就相當(dāng)于一個(gè)頻率變大的過(guò)程，但是當(dāng)頻率大于1THz時(shí)會(huì)遇到很大的障礙，以至于效率變的很低，同時(shí)電子學(xué)方法產(chǎn)生的太赫茲波輻射源體積龐大，限制了其在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用。而光子學(xué)方法其主要方向就是把可見(jiàn)光或者紅外光向太赫茲波段轉(zhuǎn)換。此方法的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)生的太赫茲輻射源具有很高的相干性和方向性，但是現(xiàn)階段產(chǎn)生的太赫茲波功率和效率都較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種雙扇形晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)差頻太赫茲波輻射源，用以解決現(xiàn)有太赫茲波功率低、效率低等問(wèn)題。

本發(fā)明的目的是以下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種雙扇形晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)差頻太赫茲波輻射源，包括泵浦源、泵浦光全反射鏡、前端諧振腔鏡、后端諧振腔鏡、第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體、第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體、濾波鏡、第一差頻光全反射鏡、第二差頻光全反射鏡、第三差頻光全反射鏡、第一拋物面鏡、第二拋物面鏡、第三拋物面鏡和第四拋物面鏡；

從泵浦源出射的泵浦光經(jīng)泵浦光全反射鏡全反射后入射PPLN晶體光學(xué)參量振蕩器。光學(xué)參量振蕩器包括前端諧振腔鏡、后端諧振腔鏡、第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體，其中第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體沿X軸對(duì)稱放置。采用0類相位匹配方式，泵浦光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體中經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)在近簡(jiǎn)并點(diǎn)處產(chǎn)生兩束差頻光，兩束差頻光的頻率差在太赫茲波段；泵浦光、兩束差頻光的偏振方向均平行于Z軸；兩束差頻光在光學(xué)參量振蕩器中放大并輸出，經(jīng)濾波鏡反射后，再經(jīng)第一差頻光全反射鏡反射后沿-X軸方向入射第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體；

沿-X軸傳播的兩束差頻光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體中可以滿足前向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體以及沿Y軸方向上下平移第一差頻光全反射鏡和第二差頻光全反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第二拋物面鏡耦合輸出；

沿-X軸傳播的兩束差頻光在第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體中可以滿足后向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體以及沿Y軸方向上下平移第一差頻光全反射鏡和第二差頻光全反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一拋物面鏡耦合輸出；

兩束差頻光從第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體出射后經(jīng)第二差頻光全反射鏡和第三差頻光全反射鏡反射后再次沿+X軸方向入射第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體；沿+X軸傳播的兩束差頻光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體中可以滿足后向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體以及沿Y軸方向上下平移第三差頻光全反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第三拋物面鏡耦合輸出；

沿+X軸傳播的兩束差頻光在第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體中可以滿足前向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體以及沿Y軸方向上下平移第三差頻光全反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第四拋物面鏡耦合輸出。

所述泵浦源為Nd:YAG連續(xù)激光器，波長(zhǎng)為1064nm，線寬在1MHz，功率為25W，泵浦光為線偏振光，偏振方向沿Z軸方向。

所述前端諧振腔鏡對(duì)泵浦光高透射，對(duì)兩束差頻光全反射，后端諧振腔鏡對(duì)泵浦光高透射，對(duì)差頻光部分透射，前端諧振腔鏡和后端諧振腔鏡能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

所述第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體沿X軸對(duì)稱放置，晶體光軸沿Z軸，第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體的尺寸為10mm（X軸）×20mm（Y軸）×5mm（Z軸），極化周期連續(xù)變化，極化周期最大值為110μm，極化周期最小值為5μm，能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

所述濾波鏡對(duì)泵浦光45°角全透射，對(duì)兩束差頻光滿足45°角全反射，濾波鏡能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

所述第一差頻光全反射鏡、第二差頻光全反射鏡和第三差頻光全反射鏡對(duì)兩束差頻光滿足45°角全反射，能沿Y軸方向上下移動(dòng)以改變差頻光經(jīng)過(guò)第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體的位置。

所述第一拋物面鏡、第二拋物面鏡、第三拋物面鏡和第四拋物面鏡中鉆有一個(gè)小孔，滿足兩束差頻光無(wú)損耗通過(guò)，滿足對(duì)太赫茲波反射輸出，能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

還包括泵浦光回收盒和差頻光回收盒，泵浦光回收盒回收剩余的泵浦光，差頻光回收盒回收剩余的差頻光。

本發(fā)明一種雙扇形晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)差頻太赫茲波輻射源與現(xiàn)有的基于差頻效應(yīng)的太赫茲輻射源相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）兩束差頻光可以產(chǎn)生四束太赫茲波，有效提高差頻光利用效率和太赫茲波量子轉(zhuǎn)換效率。

（2）差頻過(guò)程采用準(zhǔn)相位匹配方式，兩束差頻光和太赫茲波共線相互作用，有效提高三波相互作用體積。

（3）在產(chǎn)生四束太赫茲波的同時(shí)，扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體還能產(chǎn)生兩束差頻光，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、且成本較低。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是光學(xué)參量過(guò)程和光學(xué)差頻過(guò)程中能量守恒和相位匹配示意圖。圖中ω_p 、ω₁ 、ω₂ 、ω_T 分別為泵浦光λ_p 、差頻光λ₁ 、差頻光λ₂ 、THz波的角頻率；K_p 、K₁ 、K₂、K_T 、K_Λ 分別為泵浦光λ_p 、差頻光λ₁ 、差頻光λ₂ 、THz波的波矢，K_Λ 為PPLN晶體極化周期的波矢。

圖3是太赫茲波頻率與PPLN晶體極化周期Λ之間的關(guān)系，圖中假定λ₁為2.11μm。

其中，1是泵浦源；2是泵浦光全反射鏡；3是前端諧振腔鏡；4是后端諧振腔鏡；5是第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體；6是第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體；7是濾波鏡；8是第一差頻光全反射鏡；9是第二差頻光全反射鏡；10是第三差頻光全反射鏡；11是第一拋物面鏡；12是第二拋物面鏡；13是第三拋物面鏡；14是第四拋物面鏡；15是泵浦光回收盒；16是差頻光回收盒。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，一種雙扇形晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)差頻太赫茲波輻射源，包括泵浦源1、泵浦光全反射鏡2、前端諧振腔鏡3、后端諧振腔鏡4、第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5、第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6、濾波鏡7、第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9、第三差頻光全反射鏡10、第一拋物面鏡11、第二拋物面鏡12、第三拋物面鏡13和第四拋物面鏡14；

從泵浦源1出射的泵浦光經(jīng)泵浦光全反射鏡2全反射后入射PPLN晶體光學(xué)參量振蕩器。光學(xué)參量振蕩器包括前端諧振腔鏡3、后端諧振腔鏡4、第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6，其中第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6沿X軸對(duì)稱放置。采用0類相位匹配方式，泵浦光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6中經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)在近簡(jiǎn)并點(diǎn)處產(chǎn)生兩束差頻光，兩束差頻光的頻率差在太赫茲波段；泵浦光、兩束差頻光的偏振方向均平行于Z軸；兩束差頻光在光學(xué)參量振蕩器中放大并輸出，經(jīng)濾波鏡7反射后，再經(jīng)第一差頻光全反射鏡8反射后沿-X軸方向入射第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6和第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5；

沿-X軸傳播的兩束差頻光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5中可以滿足前向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5以及沿Y軸方向上下平移第一差頻光全反射鏡8和第二差頻光全反射鏡9來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第二拋物面鏡12耦合輸出；

沿-X軸傳播的兩束差頻光在第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6中可以滿足后向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及沿Y軸方向上下平移第一差頻光全反射鏡8和第二差頻光全反射鏡9來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一拋物面鏡11耦合輸出；

兩束差頻光從第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5出射后經(jīng)第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10反射后再次沿+X軸方向入射第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6；沿+X軸傳播的兩束差頻光在第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5中可以滿足后向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5以及沿Y軸方向上下平移第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第三拋物面鏡13耦合輸出；

沿+X軸傳播的兩束差頻光在第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6中可以滿足前向光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，此過(guò)程中需要的極化周期長(zhǎng)度可以通過(guò)沿Y軸方向上下平移第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及沿Y軸方向上下平移第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第四拋物面鏡14耦合輸出。

泵浦源1為Nd:YAG連續(xù)激光器，波長(zhǎng)為1064nm，線寬在1MHz，功率為25W，泵浦光為線偏振光，偏振方向沿Z軸方向。

前端諧振腔鏡3對(duì)泵浦光高透射，對(duì)兩束差頻光全反射，后端諧振腔鏡4對(duì)泵浦光高透射，對(duì)差頻光部分透射，前端諧振腔鏡3和后端諧振腔鏡4能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6沿X軸對(duì)稱放置，晶體光軸沿Z軸，第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6的尺寸為10mm（X軸）×20mm（Y軸）×5mm（Z軸），極化周期連續(xù)變化，極化周期最大值為110μm，極化周期最小值為5μm，能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

濾波鏡7對(duì)泵浦光45°角全透射，對(duì)兩束差頻光滿足45°角全反射，濾波鏡7能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10對(duì)兩束差頻光滿足45°角全反射，能沿Y軸方向上下移動(dòng)以改變差頻光經(jīng)過(guò)第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6的位置。

第一拋物面鏡11、第二拋物面鏡12、第三拋物面鏡13和第四拋物面鏡14中鉆有一個(gè)小孔，滿足兩束差頻光無(wú)損耗通過(guò)，滿足對(duì)太赫茲波反射輸出，能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

還包括泵浦光回收盒15和差頻光回收盒16，泵浦光回收盒15回收剩余的泵浦光，差頻光回收盒16回收剩余的差頻光。

光學(xué)參量振蕩相位匹配條件為：，見(jiàn)附圖2所示。光學(xué)參量振蕩相位匹配條件要求的極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移泵浦光全反射鏡2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

前向光學(xué)差頻效應(yīng)，其相位匹配條件滿足：，見(jiàn)附圖2所示。前向光學(xué)差頻效應(yīng)相位匹配條件要求的極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及通過(guò)沿Y軸上下平移第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

后向光學(xué)差頻效應(yīng)，其相位匹配條件滿足：，見(jiàn)附圖2所示。后向光學(xué)差頻效應(yīng)相位匹配條件要求的極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及通過(guò)沿Y軸上下平移第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例采用的泵浦光全反射鏡2對(duì)1064nm泵浦光全反射。

本實(shí)施例中光學(xué)參量振蕩相位匹配條件為：，見(jiàn)附圖2所示。泵浦光波長(zhǎng)為1064nm，偏振方向平行于Z軸。泵浦光經(jīng)光學(xué)參量振蕩產(chǎn)生的差頻光λ₁的波長(zhǎng)為2.11μm，產(chǎn)生的差頻光λ₂的波長(zhǎng)為2.146μm，對(duì)應(yīng)太赫茲波的頻率為2.4THz。差頻光λ₁和差頻光λ₂的偏振方向都平行于Z軸。根據(jù)相位匹配條件要求泵浦光經(jīng)過(guò)第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6的極化周期為32.37μm，此極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移泵浦光全反射鏡2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例采用的前端諧振腔鏡3對(duì)1064nm泵浦光高透射，對(duì)波長(zhǎng)為2.11μm差頻光λ₁和波長(zhǎng)為2.146μm的差頻光λ₂全反射。本實(shí)施例采用的后端諧振腔鏡4對(duì)1064nm泵浦光高透射，對(duì)波長(zhǎng)為2.11μm差頻光λ₁和波長(zhǎng)為2.146μm的差頻光λ₂透過(guò)率為30%。

本實(shí)施例中濾波鏡7滿足對(duì)1064nm泵浦光45°角全透射，對(duì)波長(zhǎng)為2.11μm差頻光λ₁和波長(zhǎng)為2.146μm的差頻光λ₂滿足45°角全反射，濾波鏡能沿Y軸方向上下移動(dòng)。

本實(shí)施例中前向光學(xué)差頻效應(yīng)，其相位匹配條件滿足：，見(jiàn)附圖2所示。差頻光λ₁的波長(zhǎng)為2.11μm，差頻光λ₂的波長(zhǎng)為2.146μm，對(duì)應(yīng)太赫茲波的頻率為2.4THz，前向光學(xué)差頻效應(yīng)要求PPLN晶體的極化周期為42.07μm，如附圖3所示。此極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及通過(guò)沿Y軸上下平移第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例中后向光學(xué)差頻效應(yīng)，其相位匹配條件滿足：，見(jiàn)附圖2所示。差頻光λ₁的波長(zhǎng)為2.11μm，差頻光λ₂的波長(zhǎng)為2.146μm，對(duì)應(yīng)太赫茲波的頻率為2.4THz，后向光學(xué)差頻效應(yīng)要求PPLN晶體的極化周期為17.1μm，如附圖3所示。此極化周期數(shù)值可以通過(guò)沿Y軸上下平移第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6以及通過(guò)沿Y軸上下平移第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例中第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10滿足對(duì)波長(zhǎng)為2.11μm差頻光λ₁和波長(zhǎng)為2.146μm的差頻光λ₂滿足45°角全反射，第一差頻光全反射鏡8、第二差頻光全反射鏡9和第三差頻光全反射鏡10能沿Y軸方向上下移動(dòng)以改變第一扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體5和第二扇形結(jié)構(gòu)PPLN晶體6的位置。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。