专利名称：基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种宽带调谐太赫兹波发生器，特别涉及一种基于调制器移频、循环移频和拍频原理的宽带调谐太赫兹波光源。
背景技术：
太赫兹(THz，ITHz = IO12Hz)波是指工作频率处于0. 1 IOTHz范围内的电磁波。 太赫兹波之所以能引起科学工作者浓厚的研究兴趣，并不是因为它神秘而鲜为人知的电磁辐射，更主要是因为它具有很多独特的性质，正是这些独特的性质赋予了太赫兹科学广泛的应用前景。太赫兹波的独特的性质主要表现在透视性、安全性、光谱分辨本领。太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，因此可以对非透明物体进行透视成像，另外由于太赫兹的波长大于空气中悬浮烟雾颗粒的尺度，瑞利散射损耗极小，所以能较好地穿透烟尘和浓雾，是火灾救护或风尘环境监测中成像的理想光源。相比X射线具有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏，该能量比各种化学键的键能都低，所以不会发生电离反应，即不会破坏化合物分子结构，因此可以应用到安检和生物检测等场所，这是太赫兹的安全性的体现，大量的分子，尤其是有机分子的振动和转动的跃迁谱，均处于太赫兹频谱范围内，因而可以利用光谱分辨率特性实现物体形貌和组成成分的分析。由于太赫兹波具有上述重要的应用前景，目前国际上已有多个小组开展了相干太赫兹波领域的科学研究工作，尤其是关于可调谐相干太赫兹波的产生方面的研究。在韩国， N. J.Kim小组于2009年实现了基于双波长分布式反馈激光二极管(Distributed Feedback Laser Diodes,DFB LDs)泵浦的可调谐连续波太赫兹辐射，并于2010年将太赫兹波的调谐宽度扩大到0. 5THz。在加拿大，S. L. Pan小组于2009年实现了基于双波长掺饵光纤激光 (Erbium-Doped Fiber Laser,EDFL)的可调谐微波信号输出。在美国，Y. J. Ding小组于2010 年实现了基于双波长差频(Difference Frequency,DF)产生了紧凑、便携式太赫兹辐射源， 其体积可以缩小到30. 48X15. 24X10. 16cm3，唯一不足的是不可调谐。在德国，波恩大学的I. Breunig小组从2007年至2010年期间不断完善基于内腔光学参量振荡器Gnternal Cavity Optical Parametric Oscillator, IC0P0)的可调谐太赫兹波产生方案，最终其调谐宽度达到2THz，但加热炉的温度稳定性成为影响准相位匹配(QPM)的关键问题。在法国，法国科学研究中心(CNRS)的J. Mangeney小组最近几年一直致力于利用某些非线性材料(如Ina53G^47As)的光混合器(PM)产生可调谐连续太赫兹波的研究，最大调谐宽度为 0·9ΤΗζ。在日本，H. Ito 小组利用 UTC-PD (Uni-iTraveling-Carrier Photodioed)光混合器实现了连续太赫兹波的产生，最高频率可以达到1. 5THz。获得太赫兹波的方式很多，原理也各异，目前产生可调谐相干太赫兹波的方式大致可以分为三大类。第一类是基于双波长泵浦源研究和设计的可调谐相干太赫兹辐射；第二类是泵浦源波长固定，基于非线性级联过程的IC0P0产生太赫兹波的研究和设计。第三类是基于PM的可调谐太赫兹辐射源。对于第一类而言，目前主要涉及基于DFB LDs、EDFLs、DF双波长泵浦源的可调谐相干太赫兹辐射源研究和设计。利用DFB LDs产生的太赫兹调谐范围较窄，一般不到0. 5THz ；利用EDFLs方式产生的太赫兹调谐范围虽然可以达到0. 5THz，但其结构相当复杂；而利用DF方式产生的太赫兹调谐范围虽然较宽，可以达到20THz，但这种方式的太赫兹辐射源装置相当庞大，尽管2010年，Y. J. Ding实现了 30. 48X15. 24X10. 16cm3紧凑的太赫兹辐射源，然而却不可调谐。对于第二类而言，虽然目前其调谐宽度可以达到2THz，但由于温度稳定性原因，满足准相位匹配条件并不是件容易的事，从而使得调谐效率较低。对于第三类而言，目前最高调谐宽度为0.9THZ，显然其调谐宽度较窄。总之，上述方法或调谐宽度较窄，或体积庞大，或调谐效率低，或转换效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑、便携，易于集成，宽调谐且调谐效率高的宽带调谐太赫兹发生器。解决本发明技术问题的技术方案是提供一种基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其包括激光器、第一环行器、光分束器、基于调制器移频的循环移频环节、第一光束合成器、光隔离器及带太赫兹辐射天线的光电转换器，所述激光器输出的光经过第一环行器后被光分束器分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节后产生循环移频光，第一光束合成器将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器接收并辐射出相干太赫兹波。进一步地，所述激光器为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。进一步地，所述第一环行器为三端口环行器，其第一端口连接激光器，第二端口连接光分束器，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光分束器的反射光。进一步地，所述带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。进一步地，所述基于调制器移频的循环移频环节的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。进一步地，所述光分束器的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值，再次佳值为1以外的其它正整数值，所述光分束器的分光比为参考光功率除以基于调制器移频的循环移频环节的输入光功率。进一步地，所述基于调制器移频的循环移频环节包括第二光束合成器、调制器、第二环行器、第一反馈式布喇格光栅、可调谐滤波器、光放大器和光幅度衰减器，所述光放大器和光幅度衰减器组成增益可调的光放大器。进一步地，所述调制器为相位调制器、频率调制器或幅度调制器。进一步地，所述第二环行器为三端口环行器，其第一端口连接调制器，第二端口连接第一反馈式布喇格光栅，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收第一反馈式布喇格光栅的反射光。
进一步地，所述基于调制器移频的循环移频环节中各部件、第一光束合成器、光隔离器和带太赫兹辐射天线的光电转换器的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率。进一步地，所述第一环行器、光分束器、基于调制器移频的循环移频环节中各部件、第一光束合成器、光隔离器和带太赫兹辐射天线的光电转换器的工作波段与激光器的工作波段一致。进一步地，所述可调谐滤波器为窄带滤波器，其允许一窄带光输出到光束合成器 (5)的输入端，而将其它频率的光反射到光放大器的输入端，所述可调谐滤波器的窄带输出光的频率与所述激光器的输出光的频率之差等于所需要的太赫兹波的频率，输出的太赫兹波的频率调节范围不大于可调谐滤波器的窄带输出光的频率调谐范围。进一步地，所述可调谐滤波器为带缺陷层的一维光子晶体可调谐滤波器或布喇格光栅-全反射镜组合体。进一步地，所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的太赫兹波的频率调谐范围，所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化，所述一维光子晶体可调谐滤波器的表面与其入射波的方向成45度夹角，所述一维光子晶体可调谐滤波器的窄带透射波进入到光束合成器(5)的输入端，所述一维光子晶体可调谐滤波器的反射光进入到光放大器G6)的输入端。 进一步地，所述布喇格光栅-全反射镜组合体包括一个与入射光方向成45度夹角的第二反馈式布喇格光栅和一个反射面与入射光方向成45度夹角的全反射镜，在所述第二反馈式布喇格光栅和全反射镜之间为一空气或介质层，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光为该可调谐滤波器的窄带输出光，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光进入光束合成器(5)中，所述全反射镜的反射光沿另一光路进入到光放大器G6)的输入端，所述第二反馈式布喇格光栅的晶格参数通过压电效应、磁致伸缩效应、热胀冷缩效应、电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变方式来进行调节，以实现所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光的频率的调节。本发明提供的宽带调谐太赫兹发生器体积小，光学元件少因而易集成，调谐范围大，调谐效率高，太赫兹产生效率高。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1为本发明基于调制器移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的系统结构示意图。图2为本发明基于调制器移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的第一个实施例的示意图。图3为本发明基于调制器移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的另一个实施例的示意图，其中的短虚线框内的斜条纹填充框和黑色填充框分别为反馈式布喇格光栅和全反射镜。
图4为本发明基于调制器移频和循环移频环节的宽带调谐太赫兹波发生器的再一个实施例的示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，如图 1所示，其包括激光器1、环行器2、光分束器3、基于调制器移频的循环移频环节4、光束合成器5、光隔离器6及带太赫兹辐射天线的光电转换器7。激光器1输出的光经过环行器2 后被光分束器3分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节4 后产生循环移频光，光束合成器5将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器6后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器7接收并辐射出相干太赫兹波。激光器1为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。环行器2为三端口环行器，其第一端口连接激光器1，第二端口连接光分束器3，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光分束器3的反射光。带太赫兹辐射天线的光电转换器7为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。基于调制器移频的循环移频环节4包括光束合成器41、调制器42、环行器43、第一反馈式布喇格光栅44、可调谐滤波器45、光放大器46和光幅度衰减器47，光放大器46和光幅度衰减器47组成增益可调的光放大器。环行器2、光分束器3、基于调制器移频的循环移频环节4中各部件、光束合成器5、光隔离器6和带太赫兹辐射天线的光电转换器7的工作波段与激光器1的工作波段一致。基于调制器移频的循环移频环节4的闭环增益系数(或称整体增益系数)的最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。基于调制器移频的循环频移环节4的输出光的幅度最佳值等于参考光的幅度，即光分束器3的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值，再次佳值为1以外的其它正整数值，也即光分束器3的分光比与基于调制器移频的循环移频环节的闭环增益系数的乘积最佳值为1。光分束器3的分光比等于参考光功率除以基于调制器移频的循环移频环节4 的输入功率。调制器42可为相位调制器、频率调制器或幅度调制器，其用高频微波信号驱动。 调制器42为相位调制器时的频移原理是将微波信号作为相位调制器的调制信号，则输入到相位调制器的光经过相位调制器后，从相位调制器出来的光的相位会随所加的微波调制信号变化，而从相位调制器出来的光的频率则随所加的微波调制信号的时间导数变化。不失一般性，设相位调制器的输入信号沿ζ方向传播，该输入信号也称之为载波信号，该载波信号的电矢量为
7Ec = Ec0 exp[/( c0i - kcz + φα0)],(1)其中，Ec0为载波信号的幅度，ω。。为载波信号的圆频率，t为时间，k。为载波信号的波矢，队0为载波信号的初相位；设微波调制信号为= EmtlS in (ω mt)，(2)其中，Emtl为微波调制信号的幅度，ωω为微波调制信号的圆频率。则经过相位调制
器的一次调制后，从相位调制器输出的光的电矢量为
E = Ec0 exp{,[ c(/ - kcz + (pc0 + amEm0 sin( J)]} ,(3)其中为相位调制灵敏度，通常ω。Qt > > afflEffl0.从式⑶可以看到，调相波的频率ω= d[ac0t - kcz + cpc0 + amEm0 sin( J)] / dt ①⑷+ 五· ^0^ /)在("c0-amEm0 m) (《c0+amEm0 m)之间连续变化，变化值有一最大值&11^(1 1，即一次调相后最大可以获得^^-^^频移，N次移相后最大就可以获得 NamEmciComW频移。在这种处理方式下，每次调相产生的最大频移是一个有限值。但是这种分析未给出各频率分量的幅度，只适合作为定性分析，因为最终某一频率的信号必须用滤波器取出来，因此需要采用基于谐波分析的方法来做准确分析。利用贝塞尔函数恒等式
OOexp {iw sin 0} = X 人(w)em0,(4)其中Jn(W)为以w为自变量的第一类η阶贝塞尔函数，将式(3)写成
OO
E= X 尽。人(^^m。)expp[( e。+ ncojt-kcz + φe。]},(5)
η=—co即也可以认为经过一次调相后，输入的载波信号被变成包含有COc^ ωε0+ωπ, ω。。+2ωω，ωε0+3ωπ, ... , ω ^+η ω m，...，共存在无穷多个频率分量的波形信号。在这种处理方式下，一次调相的频移最大值为无穷大，但是考虑到η > 2的频率分量的幅度要比η = 1的频率分量的幅度小很多，则可以忽略η > 2的频率分量部分。这样，信号每经过相位调制器调制一次，只需考虑移动量为频移。因此，在基于相位调制器的循环移频环节中，光波经过N次循环移频后，载波信号经过相位调制器调制N次后，就产生了一个频率为COc^NCOmW波分量，只要该频移量未达到可调谐滤波器的选取频率，则光波会被反馈回循环移频环节中不断循环，直到频移量使光的频率达到滤波器的选取频率为止。调制器42为频率调制器时则直接实现频移。对应式(1)给出的载波信号和式(2)
给出的调制信号，经过频率调制器的一次调制后，从频率调制器输出的光的电矢量为
E = Ec0 exp{,+[( c0 + bmEm0 sin( ~Κζ + φα0]},(6)其中bm为频率调制灵敏度，通常ω。。>> bmEm。-由式(6)可见，载波在通过频率调制器一次后的最大频移为bmEm(l.在基于频率调制器的循环移频环节中，经过N次循环移频后获得NbmEmtl的最大频移量，只要该频移量未使光的频率达到可调谐滤波器的选取频率，则光波会被反馈回循环移频环节中不断循环，直到频移量时光的频率达到可调谐滤波器的选取频率为止。同调相器的分析类似，这里的分析只适合作为定性，因为这里没有给出某个频率的波的幅度。同样利用式(4)，将式(6)变换为
权利要求
1.一种基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于其包括激光器(1)、环行器O)、光分束器(3)、基于调制器移频的循环移频环节G)、光束合成器(5)、光隔离器(6)及带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)，所述激光器(1)输出的光经过环行器( 后被光分束器C3)分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节(4)后产生循环移频光，光束合成器( 将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器(6)后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)接收并辐射出相干太赫兹波。
2.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述激光器(1)为工作波长在600nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、 固体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述环行器( 为三端口环行器，其第一端口连接激光器(1)，第二端口连接光分束器(3)，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收光分束器(3)的反射光。
4.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效应的光电导单元或光电导天线单元。
5.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述基于调制器移频的循环移频环节(4)的闭环增益系数的最佳值为1，次佳值为 1以外的其它正整数值，再次佳值为1以外的其它正整数的倒数值。
6.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述光分束器⑶的分光比最佳值为1，次佳值为1以外的其它正整数的倒数值， 再次佳值为1以外的其它正整数值，所述光分束器(3)的分光比为参考光功率除以基于调制器移频的循环移频环节的输入光功率。
7.根据权利要求1所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述基于调制器移频的循环移频环节(4)包括光束合成器Gl)、调制器0 、环行器(43)、第一反馈式布喇格光栅(44)、可调谐滤波器(45)、光放大器06)和光幅度衰减器 (47)，所述光放大器06)和光幅度衰减器G7)组成增益可调的光放大器。
8.根据权利要求7所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述调制器0 为相位调制器、频率调制器或幅度调制器。
9.根据权利要求7所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述环行器为三端口环行器，其第一端口连接调制器(42)，第二端口连接第一反馈式布喇格光栅G4)，第三端口连接吸收负载，所述吸收负载吸收第一反馈式布喇格光栅G4)的反射光。
10.根据权利要求7所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述基于调制器移频的循环移频环节(4)中各部件、光束合成器(5)、光隔离器(6)和带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)的工作频率带宽不小于输出的太赫兹波的最高频率。
11.根据权利要求7所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述环行器O)、光分束器(3)、基于调制器移频的循环移频环节中各部件、 光束合成器( 、光隔离器(6)和带太赫兹辐射天线的光电转换器(7)的工作波段与激光器 (1)的工作波段一致。
12.根据权利要求7所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述可调谐滤波器0 为窄带滤波器，其允许一频率可调的窄带光输出到光束合成器(5)的输入端，而将其它频率的光反射到光放大器G6)的输入端，所述可调谐滤波器G5)的窄带输出光的频率与所述激光器(1)的输出光的频率之差等于所需要的太赫兹波的频率，输出的太赫兹波的频率调节范围不大于可调谐滤波器0 的窄带输出光的频率可调范围。
13.根据权利要求12所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述可调谐滤波器0 为带缺陷层的一维光子晶体可调谐滤波器或布喇格光栅-全反射镜组合体。
14.根据权利要求13所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述一维光子晶体的光子禁带区不小于系统输出的太赫兹波的频率调谐范围， 所述一维光子晶体包含一层折射率可调缺陷层，所述缺陷层的折射率的调节方式包括电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变，所述一维光子晶体具有一缺陷模，所述缺陷模随所述缺陷层的折射率的变化而变化，所述一维光子晶体可调谐滤波器的表面与其入射波的方向成45度夹角，所述一维光子晶体可调谐滤波器的窄带透射波进入到光束合成器(5)的输入端，所述一维光子晶体可调谐滤波器的反射光进入到光放大器 (46)的输入端。
15.根据权利要求13所述基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其特征在于所述布喇格光栅-全反射镜组合体包括一个与入射光方向成45度夹角的第二反馈式布喇格光栅和一个反射面与入射光方向成45度夹角的全反射镜，在所述第二反馈式布喇格光栅和全反射镜之间为一空气或介质层，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光为该可调谐滤波器的窄带输出光，所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光进入光束合成器(5)中，所述全反射镜的反射光沿另一光路进入到光放大器G6)的输入端，所述第二反馈式布喇格光栅的晶格参数通过压电效应、磁致伸缩效应、热胀冷缩效应、电致折变、磁致折变、声致折变、光致折变、力致折变或热致折变方式来进行调节，以实现所述第二反馈式布喇格光栅的窄带反射光的频率的调节。
全文摘要
本发明提供了一种基于调制器移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器，其包括激光器、环行器、光分束器、基于调制器移频的循环移频环节、光束合成器、光隔离器及带太赫兹辐射天线的光电转换器，所述激光器输出的光经过环行器后被光分束器分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节后产生循环移频光，光束合成器中将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器接收并辐射出相干太赫兹波。本发明提供的发生器体积小，光学元件少因而易集成，调谐范围大，调谐效率高，太赫兹产生效率高。
文档编号H01S1/02GK102255222SQ20111005018
公开日2011年11月23日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者欧阳征标, 祁春超 申请人:欧阳征标, 深圳大学