本發(fā)明屬于太赫茲波光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于級聯(lián)參量效應(yīng)的太赫茲波參量振蕩器。

背景技術(shù)：

太赫茲（Terahertz，簡稱THz，1THz=10¹²Hz）波是指頻率在0.1-10THz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 波在電磁波譜中的特殊位置決定了其具有很多獨(dú)特的性質(zhì)：①“指紋”特性，太赫茲 波與物質(zhì)相互作用時(shí)包含了豐富的物理化學(xué)信息，大多數(shù)分子在太赫茲波段具有特征譜線（如生物大分子的振動轉(zhuǎn)動能級躍遷譜線）；②低能性，太赫茲光子能量約為X 射線的百萬分之一，不會引起生物組織的有害電離；③穿透性，太赫茲波對非極性物質(zhì)（如紙、塑料等包裝物及衣物）具有較高的穿透性。基于這些優(yōu)點(diǎn)，太赫茲技術(shù)在物理、化學(xué)、分子光譜和生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及醫(yī)學(xué)成像、食品檢驗(yàn)、環(huán)境污染監(jiān)測和安檢等應(yīng)用研究領(lǐng)域具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

基于光學(xué)參量效應(yīng)的產(chǎn)生太赫茲波輻射源具有小型化、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)、相干性好、可調(diào)諧、窄線寬等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波輻射的原理是：功率足夠強(qiáng)的泵浦光與MgO:LiNbO₃晶體中同時(shí)具有紅外活性和拉曼活性的晶格振動模耦合，激發(fā)出Stokes光子和電磁耦子，在電磁耦子色散曲線上小波矢處的受激電磁耦子散射就是太赫茲波輻射。對于光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波輻射，主要有非共線相位匹配和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)。非共線相位匹配方式具有調(diào)諧方式簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是泵浦光、Stokes光和太赫茲波三者在空間上是分離的，限制了三波相互作用體積，所以其光學(xué)轉(zhuǎn)換效率較低。準(zhǔn)共線相位匹配方式可以滿足泵浦光、Stokes光和太赫茲波三者中的兩者或者三者共線相互作用，所以其光學(xué)轉(zhuǎn)換效率較高，但是太赫茲波的頻率調(diào)諧較困難。目前，上述兩種相位匹配方式產(chǎn)生的太赫茲波功率都較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于級聯(lián)參量效應(yīng)的太赫茲波參量振蕩器，以解決現(xiàn)有太赫茲產(chǎn)生裝置功率低、效率低、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。

本發(fā)明的目的是以下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種基于級聯(lián)參量效應(yīng)的太赫茲波參量振蕩器，包括泵浦源、望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)、反射鏡、光束掃描器和MgO:LiNbO₃晶體；

從泵浦源出射的泵浦光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)縮束后，再經(jīng)反射鏡和光束掃描器后進(jìn)入MgO:LiNbO₃晶體，并在MgO:LiNbO₃晶體內(nèi)發(fā)生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO₃晶體中通過光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生一階Stokes光和太赫茲波，太赫茲波的波矢垂直于MgO:LiNbO₃晶體的出射面，直接從MgO:LiNbO₃晶體出射；一階Stokes光垂直入射到MgO:LiNbO₃晶體的出射面，在MgO:LiNbO₃晶體的兩個一階Stokes光的出射面上鍍一階Stokes光的全反射膜，形成一階Stokes光的諧振腔；在諧振腔中振蕩的一階Stokes光與太赫茲波在滿足相位匹配的條件下通過二階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生二階Stokes光，同時(shí)太赫茲波被放大；二階Stokes光垂直入射到MgO:LiNbO₃晶體的出射面，在MgO:LiNbO₃晶體的兩個二階Stokes光的出射面上鍍二階Stokes光的全反射膜，形成二階Stokes光的諧振腔；在諧振腔中振蕩的二階Stokes光與太赫茲波在滿足相位匹配的條件下通過三階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生三階Stokes光，同時(shí)太赫茲波被放大；同理，三階Stokes光可以與太赫茲波通過四階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生四階Stokes光；這樣級聯(lián)參量過程可以一直發(fā)生，各階Stokes光都有各自的諧振腔，MgO:LiNbO₃晶體側(cè)面特定區(qū)域鍍各階Stokes光全反射膜，在級聯(lián)參量過程中太赫茲波被連續(xù)放大。

還包括泵浦光回收盒，從MgO:LiNbO₃晶體出射的剩余泵浦光被泵浦光回收盒回收。

所述泵浦源為電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器，單脈沖能量為100mJ，波長為1064nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率為10Hz，偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶體的光軸。

所述反射鏡為泵浦光全反射鏡，用于對泵浦光全反射以改變泵浦光的入射方向。

所述光束掃描器采用全反射鏡，對泵浦光是全反射的，其角度可調(diào)，改變光束掃描器的角度可以改變泵浦光的入射方向，從而改變泵浦光與一階Stokes光諧振腔軸線的夾角θ₁，以改變光學(xué)參量過程中的相位匹配條件來達(dá)到太赫茲波的頻率調(diào)諧輸出。

所述MgO:LiNbO₃晶體的摻雜濃度為5mol%，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶體的光軸即Z軸，且在泵浦光入射的區(qū)域鍍波長范圍在1000-1200nm的增透膜；MgO:LiNbO₃晶體為多邊形，MgO:LiNbO₃晶體各表面滿足對泵浦光和各階Stokes光垂直。

本發(fā)明提供的基于級聯(lián)參量效應(yīng)的太赫茲輻射源與現(xiàn)有的基于光學(xué)參量效應(yīng)的太赫茲輻射源相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）級聯(lián)參量效應(yīng)中一個泵浦光子可以產(chǎn)生多個太赫茲光子，有效提高太赫茲波輸出功率和光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。

（2）泵浦光和各階Stokes光的波矢都垂直于MgO:LiNbO₃晶體的出射面，有效降低泵浦光和各階Stokes光的損耗。

（3）太赫茲波產(chǎn)生的區(qū)域處在泵浦光和各階Stokes光交疊的區(qū)域，此區(qū)域正好處在MgO:LiNbO₃晶體的淺表面上，太赫茲波波矢垂直于晶體的出射面，太赫茲波直接從晶體出射而不需要任何光學(xué)耦合器件，這樣可以大大降低太赫茲波在晶體中的傳播距離，有效降低晶體對太赫茲波的吸收，從而提高太赫茲波的輸出功率。

（4）通過改變光束掃描器的方向改變泵浦光入射角度，從而改變泵浦光與一階Stokes光諧振腔軸線的夾角，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率調(diào)諧輸出，調(diào)諧方式簡單，操作靈活。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是圖1的局部放大圖。

圖3是級聯(lián)參量效應(yīng)相位匹配圖。

圖4是各階相位匹配角與太赫茲波頻率變化示意圖。

其中，1是泵浦源；2是望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)；3是反射鏡；4是光束掃描器；5是MgO:LiNbO₃晶體；6是一階Stokes光；7是二階Stokes光；8是三階Stokes光；9是四階Stokes光；10是太赫茲波。

具體實(shí)施方式

如附圖1-2所示，一種基于級聯(lián)參量效應(yīng)的太赫茲波參量振蕩器，包括泵浦源1、望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)2、反射鏡3、光束掃描器4和MgO:LiNbO₃晶體5；

通過鍍在MgO:LiNbO₃晶體5側(cè)面的各階Stokes光全反射膜構(gòu)成各階Stokes光諧振腔。

從泵浦源1出射的泵浦光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)2縮束后，再經(jīng)反射鏡3和光束掃描器4后進(jìn)入MgO:LiNbO₃晶體5，并在MgO:LiNbO₃晶體5內(nèi)發(fā)生全反射；泵浦光在MgO:LiNbO₃晶體5中通過光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生一階Stokes光6和太赫茲波10（三波相位匹配如圖3所示），太赫茲波10的波矢垂直于MgO:LiNbO₃晶體5的出射面，直接從MgO:LiNbO₃晶體5出射；一階Stokes光6垂直入射到MgO:LiNbO₃晶體5的出射面，在MgO:LiNbO₃晶體5的兩個一階Stokes光6的出射面上鍍一階Stokes光6的全反射膜，形成一階Stokes光6的諧振腔，如圖2所示；在諧振腔中振蕩的一階Stokes光6與太赫茲波10在滿足相位匹配的條件下通過二階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生二階Stokes光7，同時(shí)太赫茲波10被放大；二階Stokes光7垂直入射到MgO:LiNbO₃晶體5的出射面，在MgO:LiNbO₃晶體5的兩個二階Stokes光7的出射面上鍍二階Stokes光7的全反射膜，形成二階Stokes光7的諧振腔；在諧振腔中振蕩的二階Stokes光7與太赫茲波10在滿足相位匹配的條件下通過三階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生三階Stokes光8，同時(shí)太赫茲波10被放大；同理，三階Stokes光8可以與太赫茲波10通過四階光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生四階Stokes光9；這樣級聯(lián)參量過程可以一直發(fā)生，各階Stokes光都有各自的諧振腔，MgO:LiNbO₃晶體5側(cè)面特定區(qū)域鍍各階Stokes光全反射膜，在級聯(lián)參量過程中太赫茲波10被連續(xù)放大。

通過改變光束掃描器4的角度改變泵浦光1和一階Stokes光6的諧振腔軸線之間的夾角θ₁，從而改變相位匹配條件得到頻率調(diào)諧的THz波輸出，調(diào)諧曲線如圖4所示。在改變相位匹配角θ₁的同時(shí)，相位匹配角θ₂、θ₃和θ₄同時(shí)改變，所以要改變MgO:LiNbO₃晶體5的切割角度以保證各階Stokes光都垂直入射到MgO:LiNbO₃晶體5的出射面上。

還包括泵浦光回收盒11，從MgO:LiNbO₃晶體5出射的剩余泵浦光被泵浦光回收盒11回收。

泵浦源1為電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器，單脈沖能量為100mJ，波長為1064nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率為10Hz，偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶體5的光軸。

反射鏡3為泵浦光全反射鏡，用于對泵浦光全反射以改變泵浦光的入射方向。

光束掃描器4采用全反射鏡，對泵浦光是全反射的，其角度可調(diào)，改變光束掃描器4的角度可以改變泵浦光的入射方向，從而改變泵浦光與一階Stokes光諧振腔軸線的夾角θ₁，以改變光學(xué)參量過程中的相位匹配條件來達(dá)到太赫茲波的頻率調(diào)諧輸出。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，調(diào)節(jié)相位匹配角θ₁，使θ₁從0.21°變化到1.96°，可以得到調(diào)諧范圍在0.5-4THz的THz波輻射，同時(shí)θ₂的變化范圍為0.2104°-1.992°，θ₃的變化范圍為0.2108°-2.0223°，θ₄的變化范圍為0.2112°-2.0535°，如圖4所示。

MgO:LiNbO₃晶體5的摻雜濃度為5mol%，泵浦光的偏振方向平行于MgO:LiNbO₃晶體5的光軸即Z軸，且在泵浦光入射的區(qū)域鍍波長范圍在1000-1200nm的增透膜；MgO:LiNbO₃晶體5為多邊形，MgO:LiNbO₃晶體5各表面滿足對泵浦光和各階Stokes光垂直。

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，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，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。