利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置的制作方法

專利名稱：利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種產生太赫茲波的裝置，尤其是一種利用光學差頻產生可調 諧窄帶太赫茲波的裝置。
技術背景太赫茲波(Tera-HertzWave， THz波)是指頻率在0.1-10THz范圍內的電磁 波。它是光子學技術與電子學技術、宏觀與微觀的過渡區域，是一個具有科學 研究價值但尚未開發的電磁輻射區域。它在長波段與毫米波、亞毫米波相重合， 而在短波段與紅外線相重合，在電磁波譜中占有一個很特殊的位置。太赫茲這 一位置正好處于科學技術發展相對較好的微波毫米波與紅外線光學之間，但由 于THz波源問題一直未能得到很好的解決，因此形成了一個在研究上相對落后 的"空白"。太赫茲在長波方向主要依靠電子學技術，而在短波方向則主要依靠光 子學技術，在電子學與光子學之間的這一"空白"蘊含著深刻的物理含義。由于THz輻射波在電磁波譜中所處的特殊位置，所以它具有以下獨特性質1、 由于THz波的頻率很高(波長比微波小1000陪以上)，所以其空間分辨 率很高；2、 由于脈沖可以很短(飛秒)，THz輻射具有很高的時間分辨率；3、 THz輻射的能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比， 它又有很大的優勢；d)THz的時域頻譜信噪比很高，這使得THz非常適用于成 像應用。THz成像技術及THz波譜技術構成了 THz應用的兩個主要關鍵技術。由于THz波獨特的性質，使它在國家安全、國民經濟和科學研究等領域具 有非常重要的多方面的應用THz系統在國土安全檢測(例如毒品、爆炸物、 化學/生物危險品和武器等的非接觸安全檢測、郵件隱藏物的非接觸監測等)、 國防和THz雷達(如遠程監視、探測武器以及在戰場上用于顯示前方灰塵或煙 霧中的坦克等，遠距離成像、多光譜成像以及三維立體成像等)、半導體材料、 高溫超導材料的性質研究、斷層成像技術、無標記的基因檢查、細胞水平的成像，以及寬帶通信(例如衛星間星際通信、短程大氣通信、短程地面無線局域 網等)等許多領域有廣泛的應用。THz輻射源研究是THz科學技術發展的重要環節，如何有效的產生高功率 (高能量)、高效率且能在室溫下穩定運轉、寬帶可調諧的THz輻射源，己經成 為THz技術與應用領域研究及發展的關鍵。THz輻射產生的方法有兩大類一 類是利用電子學的方法，另一類是利用光學的方法。目前，電子學方法的轉換 效率都很低，輻射功率多在毫瓦量級以下，而且體積龐大，造價和運行成本很 高，對運行環境要求高。而與電子學方法相比，利用光學參量技術的光學方法產生THz輻射在理論 上具有實現高效率、室溫運轉、高功率且穩定的輸出、窄頻帶輸出和寬頻帶范 圍連續可調諧等優點。因此，光學THz輻射源技術是目前THz輻射產生的主要 發展方向，然而目前國內外仍未有具體的利用光學方法產生THz輻射的裝置。 發明內容本發明為解決背景技術中存在的上述技術問題，而提供了一種利用光學差 頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，該裝置結構簡單緊湊容易操作調試、實現 了窄帶THz波輸出的快速連續及可調諧、THz波的輸出穩定性高。本發明的技術解決方案是本發明為一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太 赫茲波的裝置，其特殊之處在于該裝置包括抽運光源，閑頻光源，非線性晶 體和控制器；非線性晶體設置在抽運光源和閑頻光源發射的共線光束的光路上， 控制器分別與閑頻光源和非線性晶體相接。上述抽運光源包括單縱模調激光器、衰減器和縮束鏡，衰減器和縮束鏡依 次設置在單縱模調激光器的出射光路上。上述閑頻光源包括連續可調的單縱模激光二極管、光纖放大器、閑頻光處 理裝置，連續可調的單縱模激光二極管接入光纖放大器，光纖放大器接入閑頻 光處理裝置，閑頻光處理裝置包括光纖準直器、隔離器、光束展寬器和第一半 波片，光纖準直器、隔離器、光束展寬器和第一半波片依次設置在光纖放大器 的出射光路上。上述閑頻光源還包括反射鏡和第二半波片，反射鏡和第二半波片依次設置5在第一半波片和非線性晶體之間。上述第二半波片與非線性晶體之間依次還設置有光柵、第一凹面鏡和第二 凹面鏡。上述非線性晶體是GaSe、 ZGP或GaP晶體。上述非線性晶體后放置有濾波器。上述控制器包括計算機和由計算機控制的旋轉平臺，非線性晶體設置在旋 轉平臺上。上述非線性晶體是由相互錯開的第一 MgO: LiNb03晶體和第二 MgO: LiNb03晶體構成，第二MgO: LiNb03晶體表面上設置有硅棱鏡陣列。上述控制器包括計算機和由計算機控制的旋轉平臺，非線性晶體設置在旋 轉平臺上，旋轉平臺上還設置有由計算機控制反射角度的反射閑頻光的反射鏡。本發明具有以下優點1、 本發明結構簡單緊湊，容易操作調試。2、 本發明利用連續可調的單縱模激光二極管和摻鐿光纖放大器結合建立了 可調諧的窄帶種子源系統，窄帶種子光作為閑頻光注入光參量發生器，通過控 制器對晶體的相位匹配角的控制，實現相位匹配角與注入調諧波長完全一致，從而實現了窄帶THz波輸出的快速連續及可調諧。3、 本發明可以通過優化選擇晶體長度、抽運光強和注入閑頻光強使參量過 程處于深度增益飽和狀態，從而提高THz波的輸出穩定性，同時通過放大閑頻 光功率可實現THz波高功率輸出。


圖1是本發明利用非線性晶體產生THz波的原理示意圖；圖2是本發明的結構框圖； 圖3是本發明實施例一的結構示意圖； 圖4是本發明實施例二的結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1，當頻率為 的強抽運光和頻率為w,的小信號閑頻光同時入射到 二階非線性光學介質上時，在介質中產生三波混頻作用，結果將產生出頻率為^(= )的信號波輸出，同時入射光能量從抽運光轉移到閑頻光和信號波中。 在此過程中必須滿足能量和動量守恒條件
<formula>formula see original document page 7</formula>其中，|、|=2氣/1 (m = P,7V)， " 為非線性晶體的折射率。(2)式又稱相位匹
配條件。對于各向異性介質，可以通過角度調諧或溫度調諧來實現相位匹配。
以GaSe晶體為例按照o-e-e的共線相位匹配類型切割GaSe晶體。
抽運光為尋常光偏振(o光)，閑頻光為非常光偏振(e光)，利用以下公式和晶
體的Sellmeier方程聯合求解，可得到相位匹配角^
<formula>formula see original document page 7</formula>其中、=1.064//附是抽運光波長，義,是閑頻光波長，^是THz波長，^是相位匹配角。
因此，利用波長為、，高功率，單縱模的抽運光源和波長為、在抽運光 波長、附近且寬范圍連續可調諧的閑頻光源共線入射到非線性晶體上，利用非 線性晶體的二階非線性效應實現差頻過程，就可產生窄帶太赫茲波。
參見圖2，本發明包括抽運光源l，閑頻光源3，非線性晶體2和控制器4; 非線性晶體2設置在抽運光源1和閑頻光源3發射的共線光束的光路上，控制 器4分別與閑頻光源3和非線性晶體2相接。利用高功率、單縱模的抽運光源1 和寬范圍連續可調諧的閑頻光源3共線入射到非線性晶體2上，以及非線性晶 體2的二階非線性效應實現差頻過程，就可產生窄帶太赫茲波。
參見圖3，本發明的一個具體實施例中抽運光源1包括單縱模調激光器5、 衰減器6和縮束鏡7，衰減器6和縮束鏡7依次設置在單縱模調激光器5的出射 光路上，其中單縱模調激光器5具體可采用單縱模調Q Nd:YAG激光器，用半 波片和偏振片組成的衰減器6來控制選擇合適的抽運光脈沖能量，用縮束鏡7 將抽運光縮束來控制抽運光的光強；閑頻光源3包括連續可調的單縱模激光二極管11、光纖放大器12、閑頻光處理裝置13，連續可調的單縱模激光二極管 11接入光纖放大器12，光纖放大器12接入閑頻光處理裝置13,其中，連續可 調的單縱模激光二極管11具體可采用可調ECLD，光纖放大器12具體可采用摻 鐿光纖放大器，閑頻光處理裝置13包括光纖準直器FC、隔離器ISO、光束展寬 器BE和第一半波片，光纖準直器FC、隔離器ISO、光束展寬器BE和第一半波 片依次設置在光纖放大器12的出射光路上。采用連續可調的單縱模激光二極管 ll輸出的連續光作為種子光，再通過光纖放大器12將種子光功率放大，再經閑 頻光處理裝置13準直、擴束和轉偏處理后作為閑頻光與抽運光束通過雙色鏡8 共線入射到非線性晶體2中，雙色鏡8可透射抽運光，反射閑頻光，閑頻光源3 還可包括反射鏡14和第二半波片，反射鏡14和第二半波片依次設置在第一半 波片和非線性晶體2之間。非線性晶體2選用在THz波范圍吸收系數比較小的 晶體如GaSe， ZGP和GaP等晶體，以選用GaSe晶體為佳；GaSe晶體9固定于 可編程精密控制的旋轉平臺15上，通過計算機16精密控制連續掃描調諧連續 可調的單縱模激光二極管11的輸出波長和同步調諧GaSe晶體9的角度相位匹 配角來實現快速連續光滑可調諧的窄帶THz波輸出。在GaSe晶體9后放置濾 波器10濾去抽運光和閑頻光。參見圖4，非線性晶體2是由相互錯開的第一 MgO: LiNb03晶體18和第 二MgO: LiNbO3晶體20構成，第二MgO: LiNb03晶體20表面上設置有硅棱 鏡陣列19耦合輸出THz波，旋轉平臺15上還設置有由計算機16控制反射角度 的反射閑頻光的反射鏡。通過計算機16精密控制不同波長的閑頻光的反射角度 使之滿足在非線性晶體2中的相位匹配，可以實現THz的連續可調輸出。本發明還可通過光柵和凹面鏡的組合調節閑頻光使不同波長的閑頻光注入 晶體中滿足相位匹配條件，實現THz波的快速可調諧輸出。在該實施例中由光 柵21、第一凹面鏡(CM1) 22和第二凹面鏡(CM2) 17組合而成，光柵21、 第一凹面鏡22和第二凹面鏡17設置在第二半波片與非線性晶體2之間，閑頻 光光束經過光柵21被散射，能夠對不同波長的閑頻光實現色散補償，使之自動 滿足相位匹配條件；第一凹面鏡22和第二凹面鏡17組成了望遠鏡系統，使被 光柵21散射的光束會聚注入非線性晶體2中。
權利要求
1、一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于該裝置包括抽運光源，閑頻光源，非線性晶體和控制器；所述非線性晶體設置在抽運光源和閑頻光源發射的共線光束的光路上，所述控制器分別與閑頻光源和非線性晶體相接。
2、 根據權利要求1所述的利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置， 其特征在于所述抽運光源包括單縱模調激光器、衰減器和縮束鏡，所述衰減 器和縮束鏡依次設置在單縱模調激光器的出射光路上。
3、 根據權利要求1所述的利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置， 其特征在于所述閑頻光源包括連續可調的單縱模激光二極管、光纖放大器、 閑頻光處理裝置，所述連續可調的單縱模激光二極管接入光纖放大器，所述光 纖放大器接入閑頻光處理裝置，所述閑頻光處理裝置包括光纖準直器、隔離器、 光束展寬器和第一半波片，所述光纖準直器、隔離器、光束展寬器和第一半波 片依次設置在光纖放大器的出射光路上。
4、 根據權利要求3所述的利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置， 其特征在于所述閑頻光源還包括反射鏡和第二半波片，所述反射鏡和第二半 波片依次設置在第一半波片和非線性晶體之間。
5、 根據權利要求4所述的利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置， 其特征在于所述第二半波片與非線性晶體之間依次還設置有光柵、第一凹面 鏡和第二凹面鏡。
6、 根據權利要求1或2或3或4或5所述的一種利用光學差頻產生可調諧 窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于所述非線性晶體可是GaSe、 ZGP或GaP晶體。
7、 根據權利要求6所述的一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于所述非線性晶體后放置有濾波器。
8、 根據權利要求7所述的一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于所述控制器包括計算機和由計算機控制的旋轉平臺，所述非線性晶體設置在旋轉平臺上。
9、根據權利要求1或2或3或4或5所述的一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于所述非線性晶體是由相互錯開的第一MgO:LiNb03晶體和第二MgO: LiNb03晶體構成，所述第二MgO: LiNb03晶體表面上設置有硅棱鏡陣列。
10、根據權利要求9所述的一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，其特征在于所述控制器包括計算機和由計算機控制的旋轉平臺，所述非線性晶體設置在旋轉平臺上，所述旋轉平臺上還設置有由計算機控制反射角度 的反射閑頻光的反射鏡。
全文摘要
本發明涉及一種產生太赫茲波的裝置，尤其是一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置。該裝置包括抽運光源，閑頻光源，非線性晶體和控制器；非線性晶體設置在抽運光源和閑頻光源發射的共線光束的光路上，控制器分別與閑頻光源和非線性晶體相接。本發明為解決背景技術中的利用光學方法產生THz輻射的技術問題，而提供了一種利用光學差頻產生可調諧窄帶太赫茲波的裝置，該裝置結構簡單緊湊容易操作調試、實現了窄帶THz波輸出的快速連續及可調諧、THz波的輸出穩定性高。
文檔編號G02F1/35GK101324734SQ20071001804
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月13日 優先權日2007年6月13日
發明者劉紅軍, 馬云振 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所