专利名称：利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种产生太赫兹波的装置，尤其是一种利用光学差频产生可调 谐窄带太赫兹波的装置。
技术背景太赫兹波(Tera-HertzWave， THz波)是指频率在0.1-10THz范围内的电磁 波。它是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域，是一个具有科学 研究价值但尚未开发的电磁辐射区域。它在长波段与毫米波、亚毫米波相重合， 而在短波段与红外线相重合，在电磁波谱中占有一个很特殊的位置。太赫兹这 一位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，但由 于THz波源问题一直未能得到很好的解决，因此形成了一个在研究上相对落后 的"空白"。太赫兹在长波方向主要依靠电子学技术，而在短波方向则主要依靠光 子学技术，在电子学与光子学之间的这一"空白"蕴含着深刻的物理含义。由于THz辐射波在电磁波谱中所处的特殊位置，所以它具有以下独特性质1、 由于THz波的频率很高(波长比微波小1000陪以上)，所以其空间分辨 率很高；2、 由于脉冲可以很短(飞秒)，THz辐射具有很高的时间分辨率；3、 THz辐射的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比， 它又有很大的优势；d)THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成 像应用。THz成像技术及THz波谱技术构成了 THz应用的两个主要关键技术。由于THz波独特的性质，使它在国家安全、国民经济和科学研究等领域具 有非常重要的多方面的应用THz系统在国土安全检测(例如毒品、爆炸物、 化学/生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触监测等)、 国防和THz雷达(如远程监视、探测武器以及在战场上用于显示前方灰尘或烟 雾中的坦克等，远距离成像、多光谱成像以及三维立体成像等)、半导体材料、 高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像，以及宽带通信(例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域 网等)等许多领域有广泛的应用。THz辐射源研究是THz科学技术发展的重要环节，如何有效的产生高功率 (高能量)、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调谐的THz辐射源，己经成 为THz技术与应用领域研究及发展的关键。THz辐射产生的方法有两大类一 类是利用电子学的方法，另一类是利用光学的方法。目前，电子学方法的转换 效率都很低，辐射功率多在毫瓦量级以下，而且体积庞大，造价和运行成本很 高，对运行环境要求高。而与电子学方法相比，利用光学参量技术的光学方法产生THz辐射在理论 上具有实现高效率、室温运转、高功率且稳定的输出、窄频带输出和宽频带范 围连续可调谐等优点。因此，光学THz辐射源技术是目前THz辐射产生的主要 发展方向，然而目前国内外仍未有具体的利用光学方法产生THz辐射的装置。 发明内容本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供了一种利用光学差 频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，该装置结构简单紧凑容易操作调试、实现 了窄带THz波输出的快速连续及可调谐、THz波的输出稳定性高。本发明的技术解决方案是本发明为一种利用光学差频产生可调谐窄带太 赫兹波的装置，其特殊之处在于该装置包括抽运光源，闲频光源，非线性晶 体和控制器；非线性晶体设置在抽运光源和闲频光源发射的共线光束的光路上， 控制器分别与闲频光源和非线性晶体相接。上述抽运光源包括单纵模调激光器、衰减器和縮束镜，衰减器和縮束镜依 次设置在单纵模调激光器的出射光路上。上述闲频光源包括连续可调的单纵模激光二极管、光纤放大器、闲频光处 理装置，连续可调的单纵模激光二极管接入光纤放大器，光纤放大器接入闲频 光处理装置，闲频光处理装置包括光纤准直器、隔离器、光束展宽器和第一半 波片，光纤准直器、隔离器、光束展宽器和第一半波片依次设置在光纤放大器 的出射光路上。上述闲频光源还包括反射镜和第二半波片，反射镜和第二半波片依次设置5在第一半波片和非线性晶体之间。上述第二半波片与非线性晶体之间依次还设置有光栅、第一凹面镜和第二 凹面镜。上述非线性晶体是GaSe、 ZGP或GaP晶体。上述非线性晶体后放置有滤波器。上述控制器包括计算机和由计算机控制的旋转平台，非线性晶体设置在旋 转平台上。上述非线性晶体是由相互错开的第一 MgO: LiNb03晶体和第二 MgO: LiNb03晶体构成，第二MgO: LiNb03晶体表面上设置有硅棱镜阵列。上述控制器包括计算机和由计算机控制的旋转平台，非线性晶体设置在旋 转平台上，旋转平台上还设置有由计算机控制反射角度的反射闲频光的反射镜。本发明具有以下优点1、 本发明结构简单紧凑，容易操作调试。2、 本发明利用连续可调的单纵模激光二极管和掺镱光纤放大器结合建立了 可调谐的窄带种子源系统，窄带种子光作为闲频光注入光参量发生器，通过控 制器对晶体的相位匹配角的控制，实现相位匹配角与注入调谐波长完全一致，从而实现了窄带THz波输出的快速连续及可调谐。3、 本发明可以通过优化选择晶体长度、抽运光强和注入闲频光强使参量过 程处于深度增益饱和状态，从而提高THz波的输出稳定性，同时通过放大闲频 光功率可实现THz波高功率输出。
图1是本发明利用非线性晶体产生THz波的原理示意图；图2是本发明的结构框图； 图3是本发明实施例一的结构示意图； 图4是本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，当频率为 的强抽运光和频率为w,的小信号闲频光同时入射到 二阶非线性光学介质上时，在介质中产生三波混频作用，结果将产生出频率为^(= )的信号波输出，同时入射光能量从抽运光转移到闲频光和信号波中。 在此过程中必须满足能量和动量守恒条件
<formula>formula see original document page 7</formula>其中，|、|=2气/1 (m = P,7V)， " 为非线性晶体的折射率。(2)式又称相位匹
配条件。对于各向异性介质，可以通过角度调谐或温度调谐来实现相位匹配。
以GaSe晶体为例按照o-e-e的共线相位匹配类型切割GaSe晶体。
抽运光为寻常光偏振(o光)，闲频光为非常光偏振(e光)，利用以下公式和晶
体的Sellmeier方程联合求解，可得到相位匹配角^
<formula>formula see original document page 7</formula>其中、=1.064//附是抽运光波长，义,是闲频光波长，^是THz波长，^是相位匹配角。
因此，利用波长为、，高功率，单纵模的抽运光源和波长为、在抽运光 波长、附近且宽范围连续可调谐的闲频光源共线入射到非线性晶体上，利用非 线性晶体的二阶非线性效应实现差频过程，就可产生窄带太赫兹波。
参见图2，本发明包括抽运光源l，闲频光源3，非线性晶体2和控制器4; 非线性晶体2设置在抽运光源1和闲频光源3发射的共线光束的光路上，控制 器4分别与闲频光源3和非线性晶体2相接。利用高功率、单纵模的抽运光源1 和宽范围连续可调谐的闲频光源3共线入射到非线性晶体2上，以及非线性晶 体2的二阶非线性效应实现差频过程，就可产生窄带太赫兹波。
参见图3，本发明的一个具体实施例中抽运光源1包括单纵模调激光器5、 衰减器6和縮束镜7，衰减器6和縮束镜7依次设置在单纵模调激光器5的出射 光路上，其中单纵模调激光器5具体可采用单纵模调Q Nd:YAG激光器，用半 波片和偏振片组成的衰减器6来控制选择合适的抽运光脉冲能量，用縮束镜7 将抽运光縮束来控制抽运光的光强；闲频光源3包括连续可调的单纵模激光二极管11、光纤放大器12、闲频光处理装置13，连续可调的单纵模激光二极管 11接入光纤放大器12，光纤放大器12接入闲频光处理装置13,其中，连续可 调的单纵模激光二极管11具体可采用可调ECLD，光纤放大器12具体可采用掺 镱光纤放大器，闲频光处理装置13包括光纤准直器FC、隔离器ISO、光束展宽 器BE和第一半波片，光纤准直器FC、隔离器ISO、光束展宽器BE和第一半波 片依次设置在光纤放大器12的出射光路上。采用连续可调的单纵模激光二极管 ll输出的连续光作为种子光，再通过光纤放大器12将种子光功率放大，再经闲 频光处理装置13准直、扩束和转偏处理后作为闲频光与抽运光束通过双色镜8 共线入射到非线性晶体2中，双色镜8可透射抽运光，反射闲频光，闲频光源3 还可包括反射镜14和第二半波片，反射镜14和第二半波片依次设置在第一半 波片和非线性晶体2之间。非线性晶体2选用在THz波范围吸收系数比较小的 晶体如GaSe， ZGP和GaP等晶体，以选用GaSe晶体为佳；GaSe晶体9固定于 可编程精密控制的旋转平台15上，通过计算机16精密控制连续扫描调谐连续 可调的单纵模激光二极管11的输出波长和同步调谐GaSe晶体9的角度相位匹 配角来实现快速连续光滑可调谐的窄带THz波输出。在GaSe晶体9后放置滤 波器10滤去抽运光和闲频光。参见图4，非线性晶体2是由相互错开的第一 MgO: LiNb03晶体18和第 二MgO: LiNbO3晶体20构成，第二MgO: LiNb03晶体20表面上设置有硅棱 镜阵列19耦合输出THz波，旋转平台15上还设置有由计算机16控制反射角度 的反射闲频光的反射镜。通过计算机16精密控制不同波长的闲频光的反射角度 使之满足在非线性晶体2中的相位匹配，可以实现THz的连续可调输出。本发明还可通过光栅和凹面镜的组合调节闲频光使不同波长的闲频光注入 晶体中满足相位匹配条件，实现THz波的快速可调谐输出。在该实施例中由光 栅21、第一凹面镜(CM1) 22和第二凹面镜(CM2) 17组合而成，光栅21、 第一凹面镜22和第二凹面镜17设置在第二半波片与非线性晶体2之间，闲频 光光束经过光栅21被散射，能够对不同波长的闲频光实现色散补偿，使之自动 满足相位匹配条件；第一凹面镜22和第二凹面镜17组成了望远镜系统，使被 光栅21散射的光束会聚注入非线性晶体2中。
权利要求
1、一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，其特征在于该装置包括抽运光源，闲频光源，非线性晶体和控制器；所述非线性晶体设置在抽运光源和闲频光源发射的共线光束的光路上，所述控制器分别与闲频光源和非线性晶体相接。
2、 根据权利要求1所述的利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置， 其特征在于所述抽运光源包括单纵模调激光器、衰减器和縮束镜，所述衰减 器和縮束镜依次设置在单纵模调激光器的出射光路上。
3、 根据权利要求1所述的利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置， 其特征在于所述闲频光源包括连续可调的单纵模激光二极管、光纤放大器、 闲频光处理装置，所述连续可调的单纵模激光二极管接入光纤放大器，所述光 纤放大器接入闲频光处理装置，所述闲频光处理装置包括光纤准直器、隔离器、 光束展宽器和第一半波片，所述光纤准直器、隔离器、光束展宽器和第一半波 片依次设置在光纤放大器的出射光路上。
4、 根据权利要求3所述的利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置， 其特征在于所述闲频光源还包括反射镜和第二半波片，所述反射镜和第二半 波片依次设置在第一半波片和非线性晶体之间。
5、 根据权利要求4所述的利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置， 其特征在于所述第二半波片与非线性晶体之间依次还设置有光栅、第一凹面 镜和第二凹面镜。
6、 根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种利用光学差频产生可调谐 窄带太赫兹波的装置，其特征在于所述非线性晶体可是GaSe、 ZGP或GaP晶体。
7、 根据权利要求6所述的一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，其特征在于所述非线性晶体后放置有滤波器。
8、 根据权利要求7所述的一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，其特征在于所述控制器包括计算机和由计算机控制的旋转平台，所述非线性晶体设置在旋转平台上。
9、根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，其特征在于所述非线性晶体是由相互错开的第一MgO:LiNb03晶体和第二MgO: LiNb03晶体构成，所述第二MgO: LiNb03晶体表面上设置有硅棱镜阵列。
10、根据权利要求9所述的一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，其特征在于所述控制器包括计算机和由计算机控制的旋转平台，所述非线性晶体设置在旋转平台上，所述旋转平台上还设置有由计算机控制反射角度 的反射闲频光的反射镜。
全文摘要
本发明涉及一种产生太赫兹波的装置，尤其是一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置。该装置包括抽运光源，闲频光源，非线性晶体和控制器；非线性晶体设置在抽运光源和闲频光源发射的共线光束的光路上，控制器分别与闲频光源和非线性晶体相接。本发明为解决背景技术中的利用光学方法产生THz辐射的技术问题，而提供了一种利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置，该装置结构简单紧凑容易操作调试、实现了窄带THz波输出的快速连续及可调谐、THz波的输出稳定性高。
文档编号G02F1/35GK101324734SQ20071001804
公开日2008年12月17日 申请日期2007年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者刘红军, 马云振 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所