[發明專利]一種提高太赫茲波產生效率和透射率的方法

有效

• 申請號: 201110438772.X
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN102436115A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 栗巖鋒;胡曉堃;劉豐;李江;邢岐榮
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及超快太赫茲波產生技術領域，特別涉及一種提高太赫茲波產生效率和透射率的方法。

背景技術

非線性介質中超短光脈沖的光學整流技術是光學手段產生超快太赫茲波的一種重要方法。傳統的光整流技術是選擇合適的飛秒激光和與之匹配的非線性晶體，利用抽運光與太赫茲波傳輸路徑完全一致這一特點進行共線相位匹配，產生并輻射太赫茲波。

為了提高產生抽運光到太赫茲波的轉化效率，需要選擇有效非線性系數更大的非線性介質作為發射器，利用峰值功率更高的抽運光脈沖來激發晶體，但是在傳統方法中，常用的飛秒激光工作波段能夠實現共線相位匹配的非線性晶體(碲化鋅(ZnTe)、磷化鎵(GaP))的有效非線性系數并不夠大，且這些常用的發射器在強光作用下呈現低階非線性吸收，故表面損傷閾值都很低，難以利用更高功率強度的激光抽運系統作為泵源，限制了太赫茲波的輸出功率。

針對共線相位匹配結構的缺陷，有人提出了傾斜脈沖波前在晶體內實現非共線相位匹配的光整流技術。其基本結構是使用適當參數的光柵等色散器件將入射的飛秒脈沖強度波前傾斜一定的角度，使得在晶體中抽運光速度在波矢方向上的分量與產生的太赫茲波速度實現完全匹配，如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)和圖2所示。最常選用的介質是鈮酸鋰晶體，有效非線性系數為168pm/V，比GaP高兩個數量級，為常見無機非線性晶體中最大的，且抗損傷特性非常好，可以在高功率抽運條件下高效率地輻射太赫茲波，并可以方便地根據使用的泵源波長設計發射器形狀實現晶體內的非線性相位匹配。

發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術中至少存在以下缺點和不足：

現有技術中由于使用了光柵等色散元件，光路較為復雜，結構比較龐大，并且由于使用了單透鏡或者望遠鏡型聚焦系統，抽運光傳輸到晶體內部時其脈沖強度波前會發生畸變，影響產生太赫茲波的效率；由于鈮酸鋰晶體折射率較高，晶體內產生的太赫茲波在出射端面的菲涅爾反射損耗較大，輸出效率較低。

發明內容

本發明提供了一種提高太赫茲波產生效率和透射率的方法，實現了光路結構簡單、體積較小以及輸出效率較高，詳見下文描述：

一種提高太赫茲波產生效率和透射率的方法，所述方法包括以下步驟：

(1)通過入射抽運光在鈮酸鋰晶體中的光波長、群折射率和太赫茲波折射率獲取傾斜角；

(2)根據所述傾斜角和光柵色散方程獲取傾斜量的函數表達式；

(3)根據里特羅入射條件、光柵方程和所述傾斜量的函數表達式獲取鈮酸鋰晶體的前表面光柵刻線密度；

(4)通過模態法對光柵建模，根據光柵負一級衍射效率與光柵的填充系數、刻槽深度的關系，獲取刻槽寬度和刻槽深度；

(5)根據所述前表面光柵刻線密度、所述刻線寬度和所述刻槽深度，在加工容差范圍內，通過微納加工方法在鈮酸鋰晶體的入射面刻有光柵結構，光柵刻線平行于鈮酸鋰晶體的光軸；

(6)通過微納加工方法在鈮酸鋰晶體的出射界面增加微直角棱錐結構；

(7)抽運激光器在所述鈮酸鋰晶體前表面以特定的入射角發射抽運光，偏振片調節抽運光偏振平行于鈮酸鋰晶體的光軸，在出射界面產生太赫茲波。

所述傾斜量的函數表達式具體為：

其中，γ為傾斜角，為抽運光穿過光柵界面的出射衍射角，d為光柵常數，k為衍射級次，λ為入射抽運光在鈮酸鋰晶體中的光波長。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

本發明提供了一種提高太赫茲波產生效率和透射率的方法，本發明用于傾斜抽運脈沖波前的光柵結構和用于增強太赫茲波透射率的微棱錐陣列結構的超快太赫茲波發射器，通過微納加工方法在鈮酸鋰晶體的入射面刻有光柵結構，光柵刻線平行于鈮酸鋰晶體的光軸，不僅能夠實現對抽運光脈沖波前的傾斜，滿足晶體內相位匹配條件，而且避免了利用光學成像系統聚焦光束所引起的脈沖波前畸變；其次，通過微納加工方法在鈮酸鋰晶體的出射界面增加微直角棱錐結構，增強了太赫茲波的透射率；與傳統的共線相位匹配光學整流技術相比，選用鈮酸鋰晶體，產生效率更高，可使用的抽運光強更大，輸出功率得到提升；與已有的傾斜脈沖波前結構相比，將脈沖波前傾斜裝置與發射介質集成，簡化了元件，縮短了光路。

附圖說明

圖1(a)為本發明提供的共線相位匹配原理示意圖；

圖1(b)為本發明提供的切倫科夫輻射太赫茲波的原理示意圖；

圖1(c)為本發明提供的所基于的傾斜脈沖波前非共線相位匹配光整流原理示意圖；