[發(fā)明專利]自變頻太赫茲參量振蕩器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410757225.1
• 申請(qǐng)日: 2014-12-10
• 公開（公告）號(hào): CN104503183B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘凱;徐德剛;姚建銓;王與燁;王茂榕;梅嘉林;郭拾貝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G02F1/35
• 分類號(hào): G02F1/35;H01S1/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 劉國(guó)威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體激光器及非線性光學(xué)頻率變換，具體涉及一種利用一塊晶體既產(chǎn)生激光又同時(shí)通過頻率變換產(chǎn)生太赫茲輻射的裝置。

技術(shù)背景

太赫茲(Terahertz或THz)輻射是頻率在0.1-10THz，典型中心頻率為1THz的電磁波，其波段介于微波和紅外線之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的重要電磁波段。太赫茲波在物理、化學(xué)、天文學(xué)、分子光譜、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、材料分析、食品檢測(cè)、射電天文、移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通信和軍用雷達(dá)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均有重大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

太赫茲參量振蕩器(TPO)是一種重要的太赫茲輻射源，具有可調(diào)諧、線寬窄、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了國(guó)內(nèi)外廣泛的重視。目前，太赫茲參量振蕩器通常利用大能量的脈沖Nd:YAG激光器作為泵浦源，利用鈮酸鋰(LiNbO3)或摻氧化鎂鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)作為非線性晶體在諧振腔內(nèi)通過非共線相位匹配產(chǎn)生參量振蕩，并通過硅棱鏡耦合或垂直晶體表面輸出太赫茲波，調(diào)節(jié)入射光角度或諧振腔可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)諧(參考Jun-ichi Shikat等2000年發(fā)表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques的文章Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3and MgO:LiNbO3crystals)。為進(jìn)一步降低太赫茲參量振蕩器的閾值并減小裝置的體積，有人利用PPLN作為非線性晶體，并將其置于激光諧振腔內(nèi)，激光器與參量振蕩器共用諧振腔，即采用內(nèi)腔泵浦方式，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率的太赫茲波輸出(參考T.J.Edwards等2006年發(fā)表在Optics Express的文章Compact source of continuously and widely-tunable terahertz radiation)。國(guó)內(nèi)多家單位在脈沖激光器泵浦的太赫茲參量振蕩器方面也做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作(參考劉磊等2012年發(fā)表在“激光與光電子學(xué)進(jìn)展”的文章“太赫茲波參量振蕩器研究進(jìn)展”)。

現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：由于現(xiàn)有的太赫茲參量振蕩器所需的泵浦激光器與參量振蕩器本身是兩套系統(tǒng)，無法從根本上實(shí)現(xiàn)小型化，即便是對(duì)于較為緊湊的內(nèi)腔泵浦太赫茲參量振蕩器，由于產(chǎn)生激光的晶體和實(shí)現(xiàn)頻率變換的晶體并非一塊晶體，諧振腔也并非共用，在一定程度上無法有效壓縮整個(gè)裝置的體積；現(xiàn)有的傳統(tǒng)太赫茲參量振蕩器相位匹配方式大多采用非共線相位匹配，太赫茲波需要采用硅棱鏡耦合輸出或需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的晶體表面輸出結(jié)構(gòu)；太赫茲參量振蕩器的調(diào)諧需要改變泵浦方向或整個(gè)參量振蕩器諧振腔的角度，機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整不利于整體器件的穩(wěn)定性。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚未有任何報(bào)道將集產(chǎn)生激光和非線性光學(xué)頻率變換功能為一體的自變頻Nd:PPLN晶體用于THz波的產(chǎn)生。本發(fā)明中采用自變頻晶體與太赫茲參量振蕩技術(shù)結(jié)合，將極大地降低太赫茲參量振蕩器的尺寸，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，調(diào)諧方式不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，在便攜式及集成化的太赫茲?rùn)z測(cè)或成像系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決太赫茲參量振蕩器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)難以小型化的問題。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，自變頻太赫茲參量振蕩器，包括：泵浦源(1)、自變頻晶體(2)、諧振腔(3)、太赫茲波輸出鏡(4)；泵浦源(1)發(fā)出的泵浦光注入自變頻晶體(2)，自變頻晶體(2)內(nèi)的激活粒子吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在諧振腔(3)的反饋下產(chǎn)生激光振蕩；同時(shí)，自變頻晶體(2)具有非線性效應(yīng)，對(duì)振蕩激光進(jìn)行頻率變換，在同一諧振腔(3)作用下通過參量振蕩將激光轉(zhuǎn)換到太赫茲波段，產(chǎn)生的太赫茲波傳播方向與激光振蕩相同，由太赫茲波輸出鏡(4)收集并反射輸出腔外。

所述泵浦源(1)具體為：帶有聚焦透鏡的直接輸出半導(dǎo)體激光器或光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)為809nm或813nm。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自變頻太赫茲參量振蕩器，其特征是，所述自變頻晶體(2)具體為Nd:PPLN晶體，Nd3+摻雜濃度為0.1％-3％，晶體的極化周期為20～120μm，通光方向長(zhǎng)度為10～50mm，兩端面鍍有800～820nm及1050～1100nm增透膜。