自变频太赫兹参量振荡器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及固体激光器及相关技术，为解决太赫兹参量振荡器结构复杂，系统难以小型化的问题，本发明采取的技术方案是，自变频太赫兹参量振荡器，包括泵浦源(1)、自变频晶体(2)、谐振腔(3)、太赫兹波输出镜(4)；泵浦源(1)发出的泵浦光注入自变频晶体(2)，自变频晶体(2)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在谐振腔(3)的反馈下产生激光振荡；同时，自变频晶体(2)具有非线性效应，对振荡激光进行频率变换，在同一谐振腔(3)作用下通过参量振荡将激光转换到太赫兹波段，产生的太赫兹波传播方向与激光振荡相同，由太赫兹波输出镜(4)收集并反射输出腔外。本发明主要应用于固体激光器及非线性光学频率变换场合。
【专利说明】自变频太赫兹参量振荡器
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体激光器及非线性光学频率变换，具体涉及一种利用一块晶体既产生激光又同时通过频率变换产生太赫兹辐射的装置。
技术背景
[0002]太赫兹(Terahertz或THz)辐射是频率在0.l-ΙΟΤΗζ，典型中心频率为ITHz的电磁波，其波段介于微波和红外线之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要电磁波段。太赫兹波在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研宄领域，以及医学成像、安全检查、环境监测、材料分析、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研宄领域均有重大的科学研宄价值和广阔的应用前景。
[0003]太赫兹参量振荡器(TPO)是一种重要的太赫兹辐射源，具有可调谐、线宽窄、室温运转等优点，近年来得到了国内外广泛的重视。目前，太赫兹参量振荡器通常利用大能量的脉冲Nd = YAG激光器作为泵浦源，利用铌酸锂(LiNb03)或掺氧化镁铌酸锂(Mg0:LiNb03)作为非线性晶体在谐振腔内通过非共线相位匹配产生参量振荡，并通过硅棱镜耦合或垂直晶体表面输出太赫兹波，调节入射光角度或谐振腔可以实现太赫兹波的调谐(参考 Jun-1chi Shikat 等 2000 年发表在 IEEE Transact1ns on Microwave Theory andTechniques 的文章Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNb03andMg0:LiNb03crystals)。为进一步降低太赫兹参量振荡器的阈值并减小装置的体积，有人利用PPLN作为非线性晶体，并将其置于激光谐振腔内，激光器与参量振荡器共用谐振腔，即采用内腔泵浦方式，实现了高重复频率的太赫兹波输出(参考T.J.Edwards等2006年发表在 Optics Express 的文章 Compact source of continuously and widely-tunableterahertz radiat1n)。国内多家单位在脉冲激光器泵浦的太赫兹参量振荡器方面也做了大量的理论和实验研宄工作(参考刘磊等2012年发表在“激光与光电子学进展”的文章“太赫兹波参量振荡器研宄进展”)。
[0004]现有技术中至少存在以下缺点和不足:由于现有的太赫兹参量振荡器所需的泵浦激光器与参量振荡器本身是两套系统，无法从根本上实现小型化，即便是对于较为紧凑的内腔泵浦太赫兹参量振荡器，由于产生激光的晶体和实现频率变换的晶体并非一块晶体，谐振腔也并非共用，在一定程度上无法有效压缩整个装置的体积；现有的传统太赫兹参量振荡器相位匹配方式大多采用非共线相位匹配，太赫兹波需要采用硅棱镜耦合输出或需要设计复杂的晶体表面输出结构；太赫兹参量振荡器的调谐需要改变泵浦方向或整个参量振荡器谐振腔的角度，机械结构的调整不利于整体器件的稳定性。
[0005]迄今为止，国内外尚未有任何报道将集产生激光和非线性光学频率变换功能为一体的自变频Nd = PPLN晶体用于THz波的产生。本发明中采用自变频晶体与太赫兹参量振荡技术结合，将极大地降低太赫兹参量振荡器的尺寸，而且其结构简单，设计容易，调谐方式不改变机械结构，稳定性好，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的不足，解决太赫兹参量振荡器结构复杂，系统难以小型化的问题。为此，本发明采取的技术方案是，自变频太赫兹参量振荡器，包括:泵浦源(1)、自变频晶体(2)、谐振腔(3)、太赫兹波输出镜(4);泵浦源(I)发出的泵浦光注入自变频晶体
(2)，自变频晶体(2)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在谐振腔(3)的反馈下产生激光振荡；同时，自变频晶体(2)具有非线性效应，对振荡激光进行频率变换，在同一谐振腔(3)作用下通过参量振荡将激光转换到太赫兹波段，产生的太赫兹波传播方向与激光振荡相同，由太赫兹波输出镜(4)收集并反射输出腔外。
[0007]所述泵浦源(I)具体为:带有聚焦透镜的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出半导体激光器，半导体激光器的输出波长为809nm或813nm。
[0008]根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述自变频晶体⑵具体为Nd:PPLN晶体，Nd3+掺杂浓度为0.1 % _3%，晶体的极化周期为20?120 μ m，通光方向长度为10?50mm，两端面锻有800?820nm及1050?IlOOnm增透膜。
[0009]所述谐振腔(3)由两个腔镜构成，两腔镜腔内表面均镀有1084nm高反膜，靠近泵浦源(I)的腔镜两面还需镀有809?813nm增透膜；所述谐振腔(3)的两个镜片形式可以为平面镜、平凹镜或双凹镜，基质材料可以为K9玻璃、石英、蓝宝石、YAG、CaF2等。
[0010]所述谐振腔(3)内插入偏振器，使激光线偏振运转。
[0011]所述谐振腔(3)内部插入主动或被动调Q器件，使激光以脉冲形式运转并产生脉冲太赫兹波。
[0012]所述太赫兹波输出镜(4)为离轴抛物面镜，其中心轴与光路一致且具有直径I?3mm通光孔，反射面镀有铝或金反射膜，离轴角度为45度，反射的太赫兹波垂直光路输出腔外。
[0013]太赫兹参量振荡器的自变频晶体(2)内满足共线相位匹配条件，且输出太赫兹波长可调，通过控制自倍频晶体的温度、角度或极化周期改变输出太赫兹波的波长可实现的调谐范围为0.1?3THZO
[0014]与已有技术相比，本发明的技术特点与效果:
[0015]本发明自变频太赫兹参量振荡器通过一块自变频晶体及共用的谐振腔将激光的产生与参量振荡的频率变换过程结合在一起，解决了现有太赫兹参量振荡器的泵浦激光器与参量振荡器是分立系统，系统复杂且无法小型化的问题。本发明自变频太赫兹参量振荡器，仅采用一块晶体，集产生激光及频率变换为一体，极大地减小装置尺寸，而且其结构简单，设计方便，可通过改变晶体工作温度调节输出波长而不改变机械结构，稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够连续波或脉冲形式运转，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1 一种自变频太赫兹参量振荡器输出的结构不意图。
[0017]图2谐振腔内带有偏振器和声光Q开关的一种自变频太赫兹参量振荡器输出脉冲太赫兹波实施例。
【具体实施方式】
[0018]本发明所采用的技术方案为:一种紧凑型自变频太赫兹参量振荡器，包括泵浦源
(I)、自变频晶体(2)、谐振腔(3)、太赫兹波输出镜(4)。泵浦源(I)发出的泵浦光注入自变频晶体(2)，自变频晶体(2)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在谐振腔(3)的反馈下产生激光振荡。同时，自变频晶体(2)具有非线性效应，对振荡激光进行频率变换，在同一谐振腔(3)作用下通过参量振荡将激光转换到太赫兹波段，产生的太赫兹波传播方向与激光振荡相同，由太赫兹波输出镜(4)收集并反射输出腔外。
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0020]如图2所示，所述泵浦源(I)为光纤耦合输出且带有聚焦透镜的半导体激光器，输出激光的中心波长为809nm，也可以是813nm，传能光纤的芯径为400 μ m，数值孔径为
0.22，泵浦源(I)所附带的聚焦透镜将光纤传输的激光会聚为直径320 μ m的光斑入射到自变频晶体(2)中，聚焦点位于自变频晶体⑵表面内Imm处。所述自变频晶体⑵为NdiPPLN晶体，Nd3+掺杂浓度为0.2%，极化周期为71 μ m，极化方向沿晶体z轴，晶体尺寸为ImmX 5mmX 20mm，两端面镀有813nm及1050?IlOOnm增透膜。所述谐振腔(3)由两个腔镜构成，两腔镜均为平凹镜，凹面曲率半径为100mm，镜片基底为K9玻璃材质，两镜片凹面均镀有1084nm高反膜，泵浦源一侧的腔镜两面还同时镀有809?813nm增透膜，谐振腔腔长为120_。谐振腔内插入偏振器￠)，具体形式为布儒斯特片，可使腔内的激光线偏振运转，布儒斯特片为K9玻璃材质，直径20mm，与光轴成56.6°放置，入射面与Nd = PPLN晶体的z轴和通光方向构成的平面一致，消光比大于95%。腔内还插入声光Q开关(5)，声光介质为熔石英，介质长度为30mm，超声波工作频率为27.14MHz，驱动功率为20W，有效工作孔径
1.8mm，调Q频率为20kHz。所述自变频晶体⑵Nd:PPLN吸收泵浦光，激活粒子的能态由基态跃迀到激发态，使泵浦光能量储存在激光上能级中，当声光Q开关处于关闭状态时，上能级粒子数不断积累并产生大量反转粒子数，当声光Q打开时，满足激光振荡条件，通过谐振腔的反馈迅速实现剧烈的受激辐射放大，在谐振腔内建立线偏振巨脉冲激光振荡，偏振方向与NchPPLN晶体的极化方向一致。激光的波长为1084nm，脉冲重复频率与调Q频率一致为20kHz。同时，在自变频晶体⑵Nd:PPLN的非线性作用下，1084nm激光在同一所述谐振腔
(3)的作用下产生参量振荡效应，将激光频率变换到太赫兹波段，常温下产生的太赫兹波频率为1.5THZ。在谐振腔光轴方向布置抛物面镜，离轴角度为45°，焦距100mm，反射面镀防氧化金反射膜，中心有直径为1.5mm的通孔以保证1084nm激光振荡。
[0021]在采用部件的极限尺寸条件下，例如晶体的极化周期为20或120 μm，通光方向长度为10或50mm，两端面镀有800或820nm及1050或I 10nm增透膜本发明也能够取得良好效果。
[0022]综上所述，本发明实施例提供了一种自变频太赫兹参量振荡器光器，通过自变频NchPPLN晶体及共用的谐振腔将泵浦激光的产生与由泵浦激光向太赫兹波的参量振荡频率变换过程结合在一起，极大地减小传统太赫兹参量振荡器的尺寸，而且其结构简单，设计方便，可通过改变晶体工作温度调节输出波长而不改变机械结构，稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够连续波或脉冲形式运转
[0023]以上所述仅为本发明的一特定实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，包括:泵浦源(I)、自变频晶体(2)、谐振腔(3)、太赫兹波输出镜(4);泵浦源(I)发出的泵浦光注入自变频晶体(2)，自变频晶体(2)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在谐振腔(3)的反馈下产生激光振荡；同时，自变频晶体(2)具有非线性效应，对振荡激光进行频率变换，在同一谐振腔(3)作用下通过参量振荡将激光转换到太赫兹波段，产生的太赫兹波传播方向与激光振荡相同，由太赫兹波输出镜(4)收集并反射输出腔外。
2.根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述泵浦源(I)具体为:带有聚焦透镜的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出半导体激光器，半导体激光器的输出波长为809nm或813nm。
3.如权利要求1所述的自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述自变频晶体⑵具体为NchPPLN晶体，Nd3+掺杂浓度为0.1% _3%，晶体的极化周期为20?120 μm，通光方向长度为10?50mm，两端面镀有800?820nm及1050?IlOOnm增透膜。
4.如权利要求1所述的自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述谐振腔(3)由两个腔镜构成，两腔镜腔内表面均镀有1084nm高反膜，靠近泵浦源(I)的腔镜两面还需镀有809?813nm增透膜；所述谐振腔(3)的两个镜片形式可以为平面镜、平凹镜或双凹镜，基质材料可以为K9玻璃、石英、蓝宝石、YAG、CaF2等。
5.如权利要求1所述的自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述谐振腔(3)内插入偏振器，使激光线偏振运转。
6.如权利要求1所述的自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述谐振腔(3)内部插入主动或被动调Q器件，使激光以脉冲形式运转并产生脉冲太赫兹波。
7.根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征在于，所述太赫兹波输出镜(4)为离轴抛物面镜，其中心轴与光路一致且具有直径I?3mm通光孔，反射面镀有铝或金反射膜，离轴角度为45度，反射的太赫兹波垂直光路输出腔外。
8.根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征在于，太赫兹参量振荡器的自变频晶体(2)内满足共线相位匹配条件，且输出太赫兹波长可调，通过控制自倍频晶体的温度、角度或极化周期改变输出太赫兹波的波长可实现的调谐范围为0.1?3THzo
【文档编号】G02F1/35GK104503183SQ201410757225
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】钟凯, 徐德刚, 姚建铨, 王与烨, 王茂榕, 梅嘉林, 郭拾贝 申请人:天津大学