本發(fā)明屬于太赫茲波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)差頻效應(yīng)的多光束太赫茲波輻射源。

背景技術(shù)：

太赫茲（Terahertz，簡稱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。這個波段不僅僅被認為是傳統(tǒng)微波波段和光學(xué)波段相銜接的區(qū)域，而且也被認為是宏觀和微觀的過渡區(qū)間。與相鄰的兩個波段不同，因為缺乏有效的太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)，太赫茲波段長期以來沒有得到較為系統(tǒng)的研究。因為人們對太赫茲波段各種特性的了解非常的有限，所以太赫茲波段也被稱作電磁波譜的“太赫茲空隙”。

介于微波波段和光波波段之間的太赫茲波具有許多特殊的性質(zhì)。首先，許多有機大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率主要集中在太赫茲波段，因而它們會對相應(yīng)的太赫茲波產(chǎn)生強烈的吸收和共振。這一特性可以被利用于檢驗?zāi)承┨厥獾幕衔铮热缍酒?。其次，太赫茲波可以穿透一些在可見光和紅外波段不透明的物質(zhì)，如：衣物、木材、紙張和塑料等。因此，我們可以利用太赫茲輻射檢測隱藏在這些在太赫茲波段是透明的物質(zhì)中的夾帶物、缺陷、損傷等等。再次，與X射線相比，太赫茲波具有更長的波長。那么，在太赫茲波段單個光子的能量就要比在X射線波段的單光子能量低得多。于是，在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)方面的應(yīng)用中，太赫茲波比X射線顯示出了更高的安全性。最后，與微波相比較而言，太赫茲波的波長更短。因此，在成像的應(yīng)用中，太赫茲波成像具有比微波成像更高的空間分辨率，使得所成的圖像更為清晰。而在通信領(lǐng)域，太赫茲波段比微波波段具有更寬的帶寬。

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轉(zhuǎn)的太赫茲源是目前面臨的主要問題。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從毫米波延伸到太赫茲波段，也就相當(dāng)于一個頻率變大的過程，但是當(dāng)頻率大于1THz時會遇到很大的障礙，以至于效率變的很低，同時電子學(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光或者紅外光向太赫茲波段轉(zhuǎn)換。此方法的優(yōu)勢在于產(chǎn)生的THz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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于光學(xué)差頻效應(yīng)的多光束太赫茲波輻射源，用以解決現(xiàn)有太赫茲波功率低、效率低等問題。

本發(fā)明的目的是以下述方式實現(xiàn)的：

一種基于光學(xué)差頻效應(yīng)的多束太赫茲波輻射源，包括泵浦源、KTP光學(xué)參量振蕩器、濾波鏡、四分之一波片、格蘭棱鏡、光束掃描器和PPLN晶體；

從泵浦源出射的泵浦光入射KTP光學(xué)參量振蕩器，經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生兩束偏振正交差頻光；兩束偏振正交差頻光經(jīng)四分之一波片和格蘭棱鏡后變?yōu)閮墒衿叫胁铑l光；兩束偏振平行差頻光經(jīng)光束掃描器后垂直入射PPLN晶體，并在晶體左半部分和右半部分分別發(fā)生多次全反射后從晶體出射；在每一個全反射點兩束差頻光和太赫茲波滿足準相位匹配，經(jīng)光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波波矢垂直于晶體并從晶體出射；在PPLN晶體內(nèi)可以設(shè)置多個全反射點，從而能夠產(chǎn)生多束太赫茲波。

所述KTP光學(xué)參量振蕩器包括第一平面鏡、第一KTP晶體、第二KTP晶體和第二平面鏡，從泵浦源出射的泵浦光由第一平面鏡輸入，并依次經(jīng)過第一KTP晶體和第二KTP晶體，最終由第二平面鏡輸出。

所述泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一平面鏡入射兩塊完全相同的第一KTP晶體和第二KTP晶體，采用II 類相位匹配（o→e+o）方式，經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生兩束差頻光λ₁和λ₂，第一KTP晶體和第二KTP晶體對稱放置，即第一KTP晶體沿Z軸旋轉(zhuǎn)180°得到第二KTP晶體，這樣放置可以消除差頻光λ₁和λ₂在KTP晶體中的走離；差頻光λ₁和λ₂在由第一平面鏡和第二平面鏡組成的諧振腔中振蕩放大，并經(jīng)第二平面鏡輸出。

所述第一平面鏡對532nm光高透，對900-1200nm光高反，第二平面鏡對900-1200nm光透過率為20%。

所述第一KTP晶體和第二KTP晶體的尺寸為15mm（X軸）×7mm（Y軸）×8mm（Z軸）。

所述PPLN晶體的右側(cè)設(shè)置有第一聚乙烯透鏡，PPLN晶體的左側(cè)設(shè)置有第二聚乙烯透鏡，PPLN晶體右側(cè)出射的多束太赫茲波被第一聚乙烯透鏡聚焦，PPLN晶體左側(cè)出射的多束太赫茲波被第二聚乙烯透鏡聚焦。

所述泵浦源為532nm綠光連續(xù)激光器，線寬在1MHz，功率為20W。

所述濾波鏡對532nm泵浦光45°角高反射，對差頻光λ₁和λ₂高透射。

所述PPLN晶體在X-Y平面為平行四邊形，分為左半部分和右半部分，其光軸平行于兩束差頻光的偏振方向，PPLN晶體左半部分和右半部分的極化周期矢量分別垂直于左上差頻光波矢和右上差頻光波矢。

所述PPLN晶體的太赫茲波出射面上鍍有差頻光全反射膜。

本發(fā)明基于光學(xué)差頻效應(yīng)的多光束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：

（1）兩束差頻光可以產(chǎn)生多束THz波，有效提高差頻光利用效率和THz波量子轉(zhuǎn)換效率。

（2）差頻過程采用準相位匹配方式，兩束差頻光和THz波共線相互作用，有效提高三波相互作用體積。

（3）THz波波矢垂直于晶體，直接從晶體表面出射，不需要其他耦合輸出裝置，降低THz波耦合輸出損耗。

（4）利用KTP晶體光學(xué)參量振蕩器獲得波長調(diào)諧的兩束差頻光，可以實現(xiàn)THz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)明實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是為PPLN晶體中兩束差頻光和太赫茲波相位匹配示意圖，圖中k₁、k₂、k_T、k_Λ分別為差頻光λ₁、差頻光λ₂、太赫茲波、PPLN晶體極化周期的波矢，θ角為差頻光波矢k₁與THz波波矢k_T之間的夾角。

圖3是相位匹配角θ、太赫茲波頻率、PPLN極化周期Λ之間的關(guān)系，圖中假定λ₁為1064nm。

其中，1是泵浦源；2是第一平面鏡；3是第一KTP晶體；4是第二KTP晶體；5是第二平面鏡；6是濾波鏡；7是四分之一波片；8是格蘭棱鏡；9是光束掃描器；10是PPLN晶體；11是第一聚乙烯透鏡；12是第二聚乙烯透鏡。

具體實施方式

如附圖1所示，一種基于光學(xué)差頻效應(yīng)的多束太赫茲波輻射源，其特征在于：包括泵浦源1、KTP光學(xué)參量振蕩器、濾波鏡6、四分之一波片7、格蘭棱鏡8、光束掃描器9和PPLN晶體10；其中，PPLN晶體10為周期極化鈮酸鋰晶體。

從泵浦源1出射的泵浦光入射KTP光學(xué)參量振蕩器，經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生兩束偏振正交差頻光；兩束偏振正交差頻光經(jīng)四分之一波片7和格蘭棱鏡8后變?yōu)閮墒衿叫胁铑l光；兩束偏振平行差頻光經(jīng)光束掃描器9后垂直入射PPLN晶體10，并在晶體左半部分和右半部分分別發(fā)生多次全反射后從晶體出射；在每一個全反射點兩束差頻光和太赫茲波滿足準相位匹配，經(jīng)光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波波矢垂直于晶體并從晶體出射；在PPLN晶體10內(nèi)可以設(shè)置多個全反射點，從而能夠產(chǎn)生多束太赫茲波。

KTP光學(xué)參量振蕩器包括第一平面鏡2、第一KTP晶體3、第二KTP晶體4和第二平面鏡5，從泵浦源1出射的泵浦光由第一平面鏡2輸入，并依次經(jīng)過第一KTP晶體3和第二KTP晶體4，最終由第二平面鏡5輸出。

泵浦源1發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一平面鏡2入射兩塊完全相同的第一KTP晶體3和第二KTP晶體4，采用II 類相位匹配（o→e+o）方式，經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生兩束差頻光λ₁和λ₂，第一KTP晶體3和第二KTP晶體4對稱放置，即第一KTP晶體3沿Z軸旋轉(zhuǎn)180°得到第二KTP晶體4，這樣放置可以消除差頻光λ₁和λ₂在KTP晶體中的走離；差頻光λ₁和λ₂在由第一平面鏡2和第二平面鏡5組成的諧振腔中振蕩放大，并經(jīng)第二平面鏡5輸出。通過同步調(diào)節(jié)第一KTP晶體3和第二KTP晶體4的方位角可以得到波長調(diào)諧的差頻光λ₁和λ₂。

第一平面鏡2對532nm光高透，對900-1200nm光高反，第二平面鏡5對900-1200nm光透過率為20%。

第一KTP晶體3和第二KTP晶體4的尺寸為15mm（X軸）×7mm（Y軸）×8mm（Z軸）。

PPLN晶體10的右側(cè)設(shè)置有第一聚乙烯透鏡11，PPLN晶體10的左側(cè)設(shè)置有第二聚乙烯透鏡12，PPLN晶體10右側(cè)出射的多束太赫茲波被第一聚乙烯透鏡11聚焦，PPLN晶體10左側(cè)出射的多束太赫茲波被第二聚乙烯透鏡12聚焦。

泵浦源1為532nm綠光連續(xù)激光器，線寬在1MHz，功率為20W。

濾波鏡6對532nm泵浦光45°角高反射，對差頻光λ₁和λ₂高透射。

PPLN晶體10在X-Y平面為平行四邊形，分為左半部分和右半部分，其光軸平行于兩束差頻光的偏振方向，PPLN晶體10左半部分和右半部分的極化周期矢量分別垂直于左上差頻光波矢和右上差頻光波矢。

PPLN晶體10的太赫茲波出射面上鍍有差頻光全反射膜，即900-1200nm光全反射膜。

本發(fā)明的工作過程如下：泵浦源1發(fā)出的泵浦光入射兩塊完全相同的第一KTP晶體3和第二KTP晶體4，采用II 類相位匹配（o→e+o）方式，經(jīng)光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生兩束差頻光λ₁和λ₂。第一KTP晶體3和第二KTP晶體4對稱放置，即第一KTP晶體3沿Z軸旋轉(zhuǎn)180°得到第二KTP晶體4，這樣放置可以消除差頻光λ₁和λ₂在第一KTP晶體3和第二KTP晶體4中的走離。差頻光λ₁和λ₂在由第一平面鏡2和第二平面鏡5組成的諧振腔中振蕩放大，經(jīng)第二平面鏡5輸出，泵浦光1經(jīng)由濾波鏡6濾除掉。KTP晶體參量過程產(chǎn)生的差頻光λ₁和λ₂偏振方向互相垂直，經(jīng)過四分之一波片7和格蘭棱鏡8后兩者偏振方向變?yōu)槠叫?，偏振方向平行于PPLN晶體10的光軸。兩束偏振平行差頻光經(jīng)光束掃描器9后垂直入射PPLN晶體10，在PPLN晶體10的太赫茲波出射面上鍍差頻光全反射膜。差頻光在PPLN晶體10左半部分和右半部分分別發(fā)生多次全反射后從PPLN晶體10出射。在每一個全反射點兩束差頻光和太赫茲波滿足準相位匹配，經(jīng)光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波波矢垂直于PPLN晶體10并從PPLN晶體10出射，差頻光和太赫茲波的相位匹配如圖2所示。在PPLN晶體10內(nèi)設(shè)置多個全反射點，能夠產(chǎn)生多束太赫茲波輻射。右邊多束太赫茲波被第一聚乙烯透鏡11聚焦，左邊多束太赫茲波被第二聚乙烯透鏡12聚焦。改變KTP晶體光學(xué)參量振蕩器相位匹配條件，獲得波長調(diào)諧的兩束差頻光，可以得到頻率調(diào)諧的太赫茲波。如圖3所示，當(dāng)差頻光λ₁的波長為1064nm時，通過改變差頻光λ₂的波長可以得到頻率調(diào)諧范圍在0.5-6THz范圍的太赫茲波，對應(yīng)PPLN晶體極化周期Λ的范圍為140.4-7.1μm，相位匹配角θ的范圍為63.6°-72.6°。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，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，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護范圍。