[發(fā)明專利]一種基于非線性光學(xué)差頻技術(shù)的太赫茲波輻射源

無效

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• 申請日: 2011-10-22
• 公開（公告）號: CN102412496A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫博;白晉濤;任兆玉;劉勁松
• 申請（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02;G02F1/35
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 李鄭建

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太赫茲波光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性光學(xué)差頻技術(shù)的太赫茲波輻射源。

背景技術(shù)

太赫茲波是指頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波(1THz＝10¹²Hz)，其波段位于電磁波譜中毫米波和遠紅外光之間。由于物質(zhì)在太赫茲波頻段的發(fā)射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學(xué)信息，并且太赫茲波輻射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及安全檢查、醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗、射電天文、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有巨大的科學(xué)研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。然而，太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)與十分成熟的微波、光學(xué)技術(shù)相比仍然十分落后，這就成為限制現(xiàn)代太赫茲技術(shù)發(fā)展的最主要因素之一。因此，研制出性能優(yōu)良的太赫茲波輻射源，已經(jīng)成為科研工作者追求的目標(biāo)和迫切需要解決的實際問題。

產(chǎn)生太赫茲波輻射的方法有很多種，而利用非線性光學(xué)差頻技術(shù)產(chǎn)生的太赫茲波輻射，具有高相干性、單色性好、連續(xù)可調(diào)諧范圍寬等諸多優(yōu)點，而且實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、可室溫運轉(zhuǎn)，因此近十幾年來倍受人們所矚目，逐漸成為國際上研究的熱點。目前，國內(nèi)外許多科研工作者對差頻產(chǎn)生太赫茲波技術(shù)進行了大量創(chuàng)新、探索性研究工作，實現(xiàn)了較寬的調(diào)諧范圍，峰值功率甚至達到了千瓦量級，并利用它們作為輻射源成功進行了很多的應(yīng)用性研究，充分證明了利用差頻方法產(chǎn)生太赫茲波是一種行之有效、實用性很強的太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)。

利用非線性光學(xué)差頻方法產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧太赫茲波的技術(shù)關(guān)鍵之一，就是必須首先獲得峰值功率高、窄線寬、波長間隔合適、在一定范圍可連續(xù)調(diào)諧雙波長差頻泵浦光。目前常見的產(chǎn)生雙波長的方法主要有兩大類：

(1)利用激光技術(shù)產(chǎn)生雙波長差頻泵浦光。例如，使用兩臺單模連續(xù)輸出的CO₂激光器作為差頻泵浦源；利用一臺可調(diào)諧染料激光器獲得雙波長輸出；利用Nd:YAG激光器基頻輸出和該激光器三倍頻輸出泵浦的基于BBO晶體的光學(xué)參量振蕩器(OPO)所產(chǎn)生的可調(diào)諧輸出，組成雙波長差頻泵浦光。這些獲得雙波長的方法存在著諸如差頻泵浦裝置體積大，主要實驗設(shè)備昂貴，波長調(diào)諧方式復(fù)雜，不易操作等缺點。

(2)利用非線性光學(xué)參量振蕩技術(shù)產(chǎn)生雙波長差頻泵浦光。例如，利用雙周期級聯(lián)的PPLN晶體組成OPO，通過改變晶體溫度或者選擇合適的極化周期，獲得雙波長調(diào)諧輸出；利用兩塊非線性晶體串聯(lián)組成的光學(xué)參量振蕩器，通過角度調(diào)諧技術(shù)來獲得雙波長輸出等。這類產(chǎn)生雙波長差頻泵浦光的方法，要么雙波長調(diào)諧方式復(fù)雜、調(diào)諧速度慢，要么需要多塊非線性晶體實現(xiàn)雙波長參量振蕩，增加了調(diào)諧難度，而且泵浦光的選擇受到了非線性晶體相位匹配條件的限制。

一般來說，對于普通拉曼散射現(xiàn)象，對入射泵浦光的波長選擇沒有嚴(yán)格的限制，只要不被晶體吸收即可。以斯托克斯光散射為例，當(dāng)泵浦光入射到非線性晶體中時，產(chǎn)生的斯托克斯光的頻移為一固定值，即為兩能級之間的能級差。在該受激散射過程中，只包含三階非線性效應(yīng)。然而，當(dāng)極性晶體(如LiNbO₃晶體)按照一定的方式切割，且按照前向拉曼散射配置時，此時晶體的晶格振動模將變成電磁耦子，晶格振動模所對應(yīng)的振動頻率也將具有一定的角度色散特性，也就是說，此時產(chǎn)生的斯托克斯光將具有一定的空間角度色散特性，這時的電磁耦子將具有部分電磁特性，而不完全是聲子的特性。在該受激散射過程中，同時包含二階和三階非線性光學(xué)效應(yīng)。基于此原理，如果對斯托克斯光加一諧振腔使其受激振蕩，那么通過在一個很小角度范圍內(nèi)連續(xù)改變諧振腔與泵浦光的夾角，就會產(chǎn)生線寬窄、連續(xù)可調(diào)諧的相干斯托克斯光輸出。在此調(diào)諧過程中，泵浦光、振蕩的斯托克斯光以及電磁耦子的波矢滿足非共線相位匹配條件。如果將產(chǎn)生的連續(xù)可調(diào)諧斯托克斯光與泵浦光作為雙波長差頻泵浦源，那么通過選取合適的差頻晶體，就可以差頻產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧、相干窄帶的太赫茲波輻射。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、產(chǎn)生差頻雙波長方法簡便、可靠，室溫運轉(zhuǎn)，可產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧、相干窄帶太赫茲波輻射的太赫茲波輻射源。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案：

一種基于非線性光學(xué)差頻技術(shù)的太赫茲波輻射源，其特征在于，包括泵浦源、望遠鏡系統(tǒng)、全反射鏡、MgO:LiNbO₃晶體、旋轉(zhuǎn)平臺、輸出鏡、三個反射鏡、半波片、偏振分光鏡、衰減片、差頻晶體和濾波片；其中：