非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法，属于太赫兹波技术应用领域。本发明通过双KTP晶体组成的光学参量振荡器产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光，通过平移晶体改变差频光穿过晶体的厚度，测量太赫兹波输出能量，太赫兹波能量最大的位置对应于晶体厚度恰好等于差频过程中的相干长度，通过测量相干长度计算出晶体在太赫兹波段的折射率。改变两束差频光的波长可以得到波长调谐的太赫兹波，从而可以得到非线性光学晶体在整个太赫兹波段的折射率；同时还可通过温度调节装置改变非线性光学晶体的温度得到非线性光学晶体在20-200℃范围内的太赫兹波折射率，并且本发明结构简单，成本较低。
【专利说明】非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置及方法，属于太 赫兹波技术应用领域。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（Terahertz，简称THz，ITHz = IO12Hz)波是指频率在0· I-IOTHz范围内的 电磁波，其波段介于毫米波和红外波之间。太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置决定了其具 有很多独特的性质：（1) "指纹"特性，太赫兹波与物质相互作用时包含了丰富的物理化学 信息，大多数分子在太赫兹波段具有特征谱线；（2)低能性，太赫兹光子能量约为X射线的 百万分之一，不会引起生物组织的有害电离；(3)穿透性，太赫兹波对非极性物质（如纸、塑 料等包装物及衣物）具有较高的穿透性。基于这些优点，太赫兹技术在物理、化学、分子光 谱和生命科学等基础研究领域，以及医学成像、食品检验、环境污染监测和安检等应用研究 领域具有重要的研究意义和广阔的应用前景。
[0003] 目前限制太赫兹波技术快速发展的主要技术瓶颈之一就是缺乏高功率、可调谐、 窄线宽、室温运转的相干太赫兹波辐射源。基于二阶非线性光学效应光学差频产生太赫兹 波的方法具有可调谐、窄线宽、结构紧凑、室温运转等特性。由于目前二阶非线性光学晶体， 如铌酸锂、钽酸锂、硒化镓、磷化镓、磷锗锌、DAST等晶体在太赫兹波段的折射率没有准确测 量数值，特别是这些晶体在太赫兹波段的折射率随温度变化没有准确测量数值，使光学差 频产生太赫兹波过程中相位匹配条件不能严格满足，严重限制了太赫兹波的输出功率和转 换效率。因此，准确测量二阶非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率对通过光学差频产生 高功率、高效率太赫兹波具有重要意义。
[0004] 针对这一问题，中国专利申请号201310269905. 4公开了一种利用太赫兹时域光 谱技术测量物理折射率的方法，该系统包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、太赫兹发射 源、样品测试装置、太赫兹探测器、计算机和用于盖住凹陷测试圆斑的顶盖。该系统只能测 量常温下晶体在太赫兹波段的折射率，不能测量晶体的折射率随温度的变化情况，而且飞 秒激光器和太赫兹发射源，价格昂贵，成本较高，整套系统结构也比较复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种测量非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的装置及方 法，以解决现有非线性晶体测量过程由于采用飞秒激光器和太赫兹发射源导致的价格昂 贵、成本较高以及结构复杂等问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题提供了一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的 测量装置，该测量装置包括设置在同一光路上的泵浦光源、KTP光学参量振荡器和太赫兹波 探测系统，
[0007] 所述泵浦光源用于产生激光入射至KTP光学参量振荡器；
[0008] 所述KTP光学参量振荡器用于根据接收到激光产生两束频率差在太赫兹频率段 的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光；
[0009] 所述太赫兹波探测系统用于测量穿过待测非线性光学晶体太赫兹波的能量。
[0010] 所述KTP光学参量振荡器由两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的 KTP晶体对称放置在两个平面镜之间。
[0011] 所述的测量装置还包括设置在KTP光学参量振荡器和待测非线性光学晶体之间 光路上的光学起偏系统，该光学起偏系统由四分之一波片和格兰棱镜构成，用于将KTP光 学参量振荡器产生的两束差频光的偏振方向变为平行。
[0012] 所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔形，楔 形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶体的入 射面为坚直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。
[0013] 所述的测量装置还包括用于改变待测非线性光学晶体温度的温度调节装置。
[0014] 本发明为解决上述技术问题还提供了一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率 的测量方法，该方法包括以下步骤：
[0015] 1)产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射 光；
[0016] 2)平移待测非线性光学晶体，测量平移过程穿过待测非线性光学晶体输出的太赫 兹波能量；
[0017] 3)计算输出的太赫兹波能量最大的位置所对应穿过待测非线性光学晶体的厚度， 该厚度即为差频过程中的相干长度；
[0018] 4)根据得到的相干长度计算待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。
[0019] 所述步骤4)中折射率的计算公式如下：
[0020]
【权利要求】
1. 一种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在于，该测量装置包 括设置在同一光路上的泵浦光源、KTP光学参量振荡器和太赫兹波探测系统， 所述泵浦光源用于产生激光入射至KTP光学参量振荡器； 所述KTP光学参量振荡器用于根据接收到激光产生两束频率差在太赫兹频率段的差 频光作为待测非线性光学晶体的入射光； 所述太赫兹波探测系统用于测量穿过待测非线性光学晶体太赫兹波的能量。
2. 根据权利要求1所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在 于，所述KTP光学参量振荡器由两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶 体对称放置在两个平面镜之间。
3. 根据权利要求2所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在 于，所述的测量装置还包括设置在KTP光学参量振荡器和待测非线性光学晶体之间光路上 的光学起偏系统，该光学起偏系统由四分之一波片和格兰棱镜构成，用于将KTP光学参量 振荡器产生的两束差频光的偏振方向变为平行。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装 置，其特征在于，所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔 形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶 体的入射面为坚直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。
5. 根据权利要求4所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量装置，其特征在 于，所述的测量装置还包括用于改变待测非线性光学晶体温度的温度调节装置。
6. -种非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在于，该方法包括以 下步骤： 1) 产生两束频率差在太赫兹频率段的差频光作为待测非线性光学晶体的入射光； 2) 平移待测非线性光学晶体，测量平移过程穿过待测非线性光学晶体输出的太赫兹波 能量； 3) 计算输出的太赫兹波能量最大的位置所对应穿过待测非线性光学晶体的厚度，该厚 度即为差频过程中的相干长度； 4) 根据得到的相干长度计算待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。
7. 根据权利要求6所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在 于，所述步骤4)中折射率的计算公式如下： L -_1_ 4. f \ 2 m ΙΛ λτ) 其中λ ρ λ 2和λ τ分别为差频光λ ρ λ 2和太赫兹波的波长，ηι、η2和ητ分别为差频 光λ ρ λ 2和太赫兹波的折射率，L。为相干长度。
8. 根据权利要求7所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征在 于，所述步骤1)中的两束差频激光是由泵浦光源通过KTP光学参量振荡器产生，所述KTP 光学参量振荡器有两个平面镜和两块相同的KTP晶体构成，两块相同的KTP晶体对称放置 在两个平面镜之间。
9. 根据权利要求6-8中任一项所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方 法，其特征在于，所述待测非线性光学晶体为具有二阶非线性光学效应的晶体，其外形为楔 形，楔形斜面的倾斜角度小于设定的度数，晶体厚度均匀变化，测量时，待测非线性光学晶 体的入射面为坚直平面，垂直于入射光，待测非线性光学晶体的出射面为楔形的斜面。
10. 根据权利要求9所述的非线性光学晶体在太赫兹波段折射率的测量方法，其特征 在于，所述测量过程中，可通过温度调节装置使待测非线性光学晶体的温度在设定温度范 围内变化，以得到在设定温度范围内待测非线性光学晶体在太赫兹波段的折射率。
【文档编号】G01N21/41GK104237164SQ201410431803
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】李忠洋, 袁胜, 邴丕彬, 徐俊红 申请人:华北水利水电大学