一種環形腔太赫茲波參量振蕩器的制作方法

本發明屬于太赫茲波技術領域，具體涉及一種環形腔太赫茲波參量振蕩器。

背景技術：

太赫茲波（THz），是指頻率處于0.1-10THz （1THz=10¹²Hz）范圍內的電磁波，位于微波與紅外輻射之間，在長波長處與毫米波重合，在短波長處與紅外波重合，是電子學與光子學、宏觀理論向微觀理論的過渡區域。介于微波波段和紅外波段之間的太赫茲波具有許多特殊的性質：

（1）大量有機分子、半導體的子帶和微帶、轉動和振動躍遷能量都在太赫茲波范圍，太赫茲波的光譜分辨特性使得太赫茲波探測技術，尤其是太赫茲波光譜成像技術，除了能辨別物質的形貌外，還能鑒別物質的組成成分。

（2）從其透過不同材料的光譜及成像來看，太赫茲波輻射能穿透非金屬和非極性材料，如紡織品、紙板、塑料、木料等包裝物。

（3）太赫茲波的另一顯著特點是它的安全性，能量僅有毫電子伏特，與X射線相比具有低能性，不會引起生物組織的光離化，從而可應用于人體安全檢查或生物醫學成像等方面。

（4）太赫茲波輻射具有很好的空間、時間相干性。

（5）太赫茲波帶寬很寬，能夠在目前隱身技術所能對抗的波段之外工作，所以可用它來探測隱身目標，以其作為輻射源的超寬帶雷達能夠獲得隱形飛機的圖像。

缺少的能夠產生高功率、高質量、高效率的太赫茲波，且低成本并能在室溫下運轉的太赫茲源是目前面臨的主要問題。目前太赫茲波的產生方法主要有電子學方法和光子學方法。電子學方法是一般將電磁輻射的波長從毫米波延伸到太赫茲波波段，也就相當于一個頻率變大的過程，但是當頻率大于1THz時會遇到很大的障礙，以至于效率變的很低，同時電子學方法產生的太赫茲波輻射源體積龐大，限制了其在很多領域中的應用。而光子學方法其主要方向就是把可見光或者紅外光向太赫茲波波段轉換。此方法的優勢在于產生的太赫茲波輻射源具有很高的相干性和方向性，但是現階段產生的太赫茲波功率和效率都較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種環形腔太赫茲波參量振蕩器，用以解決現有太赫茲波功率低、效率低等問題。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種環形腔太赫茲波參量振蕩器，包括泵浦源、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一MgO:LiNbO₃晶體、第二MgO:LiNbO₃晶體、第三MgO:LiNbO₃晶體、第四MgO:LiNbO₃晶體、第五MgO:LiNbO₃晶體和第六MgO:LiNbO₃晶體；

泵浦源發出的泵浦光經第一反射鏡反射后依次入射第一MgO:LiNbO₃晶體、第三MgO:LiNbO₃晶體和第二MgO:LiNbO₃晶體，經光學參量效應產生Stokes光、第一太赫茲波和第二太赫茲波；Stokes光在由第二反射鏡、第三反射鏡和第三MgO:LiNbO₃晶體、第六MgO:LiNbO₃晶體的全反射面組成的環形腔中振蕩，第一太赫茲波垂直于第三MgO:LiNbO₃晶體的出射面沿Y軸正向出射，第二太赫茲波垂直于第三MgO:LiNbO₃晶體的出射面沿Y軸負向出射；

泵浦光從第二MgO:LiNbO₃晶體出射后經第四反射鏡反射后依次入射第五MgO:LiNbO₃晶體、第六MgO:LiNbO₃晶體和第四MgO:LiNbO₃晶體，經光學參量效應產生Stokes光、第三太赫茲波和第四太赫茲波；Stokes光在由第二反射鏡、第三反射鏡和第三MgO:LiNbO₃晶體、第六MgO:LiNbO₃晶體的全反射面組成的環形腔中振蕩，第三太赫茲波垂直于第六MgO:LiNbO₃晶體的出射面沿Y軸負向出射，第四太赫茲波垂直于第六MgO:LiNbO₃晶體的出射面沿Y軸正向出射；

沿Y軸負向傳播的第二太赫茲波入射到第四太赫茲波的出射點，作為種子光增強第六MgO:LiNbO₃晶體中的光學參量效應，有效放大Stokes光和第三太赫茲波；沿Y軸正向傳播的第四太赫茲波入射到第二太赫茲波的出射點，作為種子光增強第三MgO:LiNbO₃晶體中的光學參量效應，有效放大Stokes光和第一太赫茲波。

還包括泵浦光回收盒，泵浦光從第四MgO:LiNbO₃晶體出射后被泵浦光回收盒回收。

所述泵浦源采用Nd:YAG脈沖激光器，波長為1064nm，重復頻率為20Hz，單脈沖能量為160mJ，偏振方向為Z軸。

所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡均為平面鏡，且角度均可調節，第一反射鏡和第四反射鏡對泵浦光全反射，第二反射鏡和第三反射鏡對Stokes光全反射。

所述第一MgO:LiNbO₃晶體、第二MgO:LiNbO₃晶體和第三MgO:LiNbO₃晶體的光軸沿Z軸，MgO摻雜濃度為5mol%，三塊晶體緊貼在一起，沿Y軸對稱放置；第四MgO:LiNbO₃晶體、第五MgO:LiNbO₃晶體和第六MgO:LiNbO₃晶體的光軸沿Z軸，MgO摻雜濃度為5mol%，三塊晶體緊貼在一起，沿Y軸對稱放置；第一MgO:LiNbO₃晶體、第二MgO:LiNbO₃晶體、第四MgO:LiNbO₃晶體和第五MgO:LiNbO₃晶體是完全相同的，晶體在X-Y平面為直角梯形；第三MgO:LiNbO₃晶體和第六MgO:LiNbO₃晶體是完全相同的，在X-Y平面為矩形。

所述第一MgO:LiNbO₃晶體、第二MgO:LiNbO₃晶體、第四MgO:LiNbO₃晶體和第五MgO:LiNbO₃晶體的直角梯形的銳角為64.2°，直角梯形沿X軸的兩個直角邊長度分別為40mm和57.4mm，直角梯形沿Y軸的直角邊長度為36mm，直角梯形的斜邊長度為40mm。

所述第三MgO:LiNbO₃晶體和第六MgO:LiNbO₃晶體在X軸和Y軸方向的尺寸分別為8mm和3mm。

本發明提供的一種環形腔太赫茲波參量振蕩器與現有的基于光學參量效應的太赫茲輻射源相比，具有以下優點：

（1）經光學參量效應產生的四束太赫茲波，其中兩束太赫茲波作為種子光可以增強光學參量效應，繼而可以有效放大另外兩束太赫茲波。

（2）Stokes光在環形腔中諧振放大，且可以重復使用，有效提高光學轉換效率。

（3）太赫茲波垂直于MgO:LiNbO₃晶體出射，不需要任何耦合輸出裝置，有效減小太赫茲波輸出損耗。

（4）通過改變泵浦光和Stokes光之間的夾角，可以得到頻率調諧的太赫茲波，調諧方式簡單，操作靈活。

附圖說明

圖1是本發明實施例的結構原理圖。

圖2是MgO:LiNbO₃晶體中泵浦光、Stokes光和太赫茲波相位匹配示意圖，圖中k_p、k_s、k_T分別為泵浦光、Stokes光、太赫茲波的波矢，θ角為泵浦光波矢k_p與Stokes光波矢k_s之間的夾角。

其中，1是泵浦源；2是泵浦光；3是第一反射鏡；4是Stokes光；5是第二反射鏡；6是第三反射鏡；7是第四反射鏡；8是第一MgO:LiNbO₃晶體；9是第二MgO:LiNbO₃晶體；10是第三MgO:LiNbO₃晶體；11是第一太赫茲波；12是第二太赫茲波；13是第四MgO:LiNbO₃晶體；14是第五MgO:LiNbO₃晶體；15是第六MgO:LiNbO₃晶體；16是第三太赫茲波；17是第四太赫茲波；18是泵浦光回收盒。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。

如附圖1所示，一種環形腔太赫茲波參量振蕩器，包括泵浦源1、第一反射鏡3、第二反射鏡5、第三反射鏡6、第四反射鏡7、第一MgO:LiNbO₃晶體8、第二MgO:LiNbO₃晶體9、第三MgO:LiNbO₃晶體10、第四MgO:LiNbO₃晶體13、第五MgO:LiNbO₃晶體14和第六MgO:LiNbO₃晶體15；

泵浦源1發出的泵浦光2經第一反射鏡3反射后依次入射第一MgO:LiNbO₃晶體8、第三MgO:LiNbO₃晶體10和第二MgO:LiNbO₃晶體9，經光學參量效應產生Stokes光4、第一太赫茲波11和第二太赫茲波12；Stokes光4在由第二反射鏡5、第三反射鏡6和第三MgO:LiNbO₃晶體10、第六MgO:LiNbO₃晶體15的全反射面組成的環形腔中振蕩，第一太赫茲波11垂直于第三MgO:LiNbO₃晶體10的出射面沿Y軸正向出射，第二太赫茲波12垂直于第三MgO:LiNbO₃晶體10的出射面沿Y軸負向出射；

泵浦光2從第二MgO:LiNbO₃晶體9出射后經第四反射鏡7反射后依次入射第五MgO:LiNbO₃晶體14、第六MgO:LiNbO₃晶體15和第四MgO:LiNbO₃晶體13，經光學參量效應產生Stokes光4、第三太赫茲波16和第四太赫茲波17；Stokes光4在由第二反射鏡5、第三反射鏡6和第三MgO:LiNbO₃晶體10、第六MgO:LiNbO₃晶體15的全反射面組成的環形腔中振蕩，第三太赫茲波16垂直于第六MgO:LiNbO₃晶體15的出射面沿Y軸負向出射，第四太赫茲波17垂直于第六MgO:LiNbO₃晶體15的出射面沿Y軸正向出射；

沿Y軸負向傳播的第二太赫茲波12入射到第四太赫茲波17的出射點，作為種子光增強第六MgO:LiNbO₃晶體15中的光學參量效應，有效放大Stokes光4和第三太赫茲波16；沿Y軸正向傳播的第四太赫茲波17入射到第二太赫茲波12的出射點，作為種子光增強第三MgO:LiNbO₃晶體10中的光學參量效應，有效放大Stokes光4和第一太赫茲波11。

還包括泵浦光回收盒18，泵浦光2從第四MgO:LiNbO₃晶體13出射后被泵浦光回收盒18回收。

泵浦源1采用Nd:YAG脈沖激光器，波長為1064nm，重復頻率為20Hz，單脈沖能量為160mJ，偏振方向為Z軸。

第一反射鏡3、第二反射鏡5、第三反射鏡6和第四反射鏡7均為平面鏡，且角度均可調節，第一反射鏡3和第四反射鏡7對泵浦光2全反射，第二反射鏡5和第三反射鏡6對Stokes光4全反射。

第一MgO:LiNbO₃晶體8、第二MgO:LiNbO₃晶體9和第三MgO:LiNbO₃晶體10的光軸沿Z軸，MgO摻雜濃度為5mol%，三塊晶體緊貼在一起，沿Y軸對稱放置；第四MgO:LiNbO₃晶體13、第五MgO:LiNbO₃晶體14和第六MgO:LiNbO₃晶體15的光軸沿Z軸，MgO摻雜濃度為5mol%，三塊晶體緊貼在一起，沿Y軸對稱放置；第一MgO:LiNbO₃晶體8、第二MgO:LiNbO₃晶體9、第四MgO:LiNbO₃晶體13和第五MgO:LiNbO₃晶體14是完全相同的，晶體在X-Y平面為直角梯形；第三MgO:LiNbO₃晶體10和第六MgO:LiNbO₃晶體15是完全相同的，在X-Y平面為矩形。

第一MgO:LiNbO₃晶體8、第二MgO:LiNbO₃晶體9、第四MgO:LiNbO₃晶體13和第五MgO:LiNbO₃晶體14的直角梯形的銳角為64.2°，直角梯形沿X軸的兩個直角邊長度分別為40mm和57.4mm，直角梯形沿Y軸的直角邊長度為36mm，直角梯形的斜邊長度為40mm。

第三MgO:LiNbO₃晶體10和第六MgO:LiNbO₃晶體15在X軸和Y軸方向的尺寸分別為8mm和3mm。

如圖2所示，改變泵浦光2和Stokes光4之間的夾角θ，可以得到頻率調諧的第一太赫茲波11、第二太赫茲波12、第三太赫茲波16和第四太赫茲波17，當θ角的范圍在0.3356°-1.4686°變化時，可以得到頻率范圍在0.8-3.2THz的THz波，同時可以得到波長范圍在1067-1076.2nm的Stokes光。在頻率調諧過程中，第一太赫茲波11、第二太赫茲波12、第三太赫茲波16和第四太赫茲波17的頻率始終相等，且第一太赫茲波11、第二太赫茲波12、第三太赫茲波16和第四太赫茲波17滿足共線傳播，第一太赫茲波11和第四太赫茲波17沿Y軸正向傳播，第二太赫茲波12和第三太赫茲波16沿Y軸負向傳播。

以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限于所描述的實施方式。本發明的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變形的模型、公式、參數并不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護范圍內。