一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于2μm单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，通过利用2μm可调谐单频光纤激光器作为泵浦源，利用准相位匹配的周期反转GaAs晶体作为差频晶体，由四镜环形谐振腔构成外腔增强结构，实现单频太赫兹辐射输出，本发明通过泵浦耦合系统将单频光纤激光输出耦合进入准相位匹配GaAs晶体中，采用四镜环形腔结构，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜输出太赫兹波，具有结构紧凑、高效率、可靠性高等优点。
【专利说明】一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹【技术领域】，特别是一种基于2μαι单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源。
【背景技术】
[0002]太赫兹波段处于微波和光波之间，与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，因此太赫兹波被广泛应用于分子光谱、生物波谱成像分析等基础研究领域。当前太赫兹波谱成像技术主要采用超短脉冲激发光电导和非线性材料获得宽带太赫兹辐射源，但是超短脉冲激光激发的太赫兹波输出是宽带光谱等原因，其光谱分辨率存在很大的局限性，目前时域光谱分析系统一TDS仅能达到大于10GHz的光谱分辨率，难以满足高分辨率的低摩尔浓度分子、生物光谱分析需求。因此，窄光谱线宽的可调谐单频太赫兹辐射源是高分辨率太赫兹波谱分析及高精度成像应用领域的关键核心技术。
[0003]太赫兹波可以通过以下几种方式产生:电子返波管(BW0)、自由电子激光器、量子级联激光器、光泵气体激光器、相干光混频以及非线性光学频率下转换等方法。
[0004]然而自由电子激光器体积庞大，实际应用困难，光泵气体激光器与返波管虽然输出功率高，但是调谐范围窄，相干光混频存在输出功率低调谐范围窄，量子级联激光器需要在低温下运转，而且调谐范围窄等缺陷。近年来，基于光学非线性频率下转换技术的光学太赫兹辐射源取得了很大进展，但由于缺少高非线性系数太赫兹差频晶体以及高效泵浦方式，其输出功率水平和调谐范围依然存在很大局限，无法充分满足太赫兹的相关应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种结构紧凑、高效率、可靠性高的一种基于2μπι单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源。
[0006]本发明可以通过如下措施达到。
[0007]—种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于采用两个2 μιι单频连续/脉冲光纤激光器作为泵浦源，利用差频晶体，通过外腔增强结构实现单频太赫兹辐射输出。
[0008]本发明所述的外腔增强结构为主振荡放大系统结构(Μ0ΡΑ)，主振荡放大系统结构(μ?ρα)对2μηι单频种子源进行放大、输出；主振荡放大系统结构(μορα)由光纤隔离器、预放大级、功率放大级组成，实现2 μπι高功率/高能量单频单模光纤激光输出，所述光纤隔离器用于保证信号单向传输；所述预放大级用于将种子源信号通过单模有源Tm光纤实现预放大；所述功率放大级用于使预放大信号通过大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤(LC-Tm:GF )进行功率放大，最终获得高功率/高能量单频激光输出。
[0009]本发明所述的外腔增强结构为线性腔结构，利用两个光纤布拉格光栅构成谐振腔，同时兼具选模作用以获得窄线宽的单模输出，通过调整光纤布拉格光栅可以实现固定波长输出和波长可变的单频光纤种子源输出，线性腔结构可为光纤Bragg光栅，利用光纤Bragg光栅选出窄线宽的单模输出，通过调整光纤Bragg光栅可以实现固定波长(1.9 μ Π'Ο输出和波长可变(1.9-2 μ ηι调谐)的单频单模光纤激光输出。
[0010]本发明所述的外腔增强结构为四镜环形谐振腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜构成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度，泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强。
[0011]本发明所述的差频晶体为周期反转GaAs晶体。
[0012]本发明包括两个工作于不同波长的2 μ m高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源、泵浦耦合系统、准相位匹配晶体、四镜环形谐振腔、太赫兹辐射输出镜，两个
2μ Q1高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源通过泵浦耦合系统使泵浦光进入准相位匹配晶体，准相位匹配晶体放置于四镜环形谐振腔内，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜反射输出太赫兹波。
[0013]所述泵浦耦合系统包括激光合束器和准直光路，对于2 μ 01脉冲单频光纤泵浦光，还需要添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加。两束激光经泵浦耦合系统后形成双波长激光，作为差频过程的泵浦光进入准相位匹配晶体。
[0014]所述准相位匹配晶体为周期反转GaAs晶体，因为与双折射II类相位匹配(GaSe和ZnGeP)相比，GaAs晶体中不存在泵浦光两个波长的走离，不需要对两个波长的泵浦光路单独调整，因而减小了腔的损耗和调整难度，提高了腔的稳定性。
[0015]所述四镜环形谐振腔包括两个平面镜和两个凹镜组成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度。泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强。
[0016]所述太赫兹辐射输出镜为抛物球面镜，用于收集太赫兹波并转化为平行波输出。
[0017]太赫兹波的产生原理:
根据能量守恒条件，我们可以得到差频过程中，THz辐射波长可以采用下式计算:
【权利要求】
1.一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于采用两个2μ οι单频连续/脉冲光纤激光器作为泵浦源，利用差频晶体，通过外腔增强结构，实现单频太赫兹辐射输出。
2.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为主振荡放大系统结构，主振荡放大系统结构由光纤隔离器、预放大级、功率放大级组成，实现2 μ m高功率/高能量单频单模光纤激光输出。
3.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为线性腔结构，利用两个光纤布拉格光栅构成谐振腔，同时兼具选模作用以获得窄线宽的单模输出，通过调整光纤布拉格光栅可以实现固定波长输出和波长可变的单频光纤种子源输出。
4.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为四镜环形谐振腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜构成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度，泵浦光往复通过晶体，实现外腔增强。
5.根据权利要求2所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于光纤隔离器用于保证信号单向传输；预放大级用于将种子源信号通过单模有源Tm光纤实现预放大；功率放大级用于使预放大信号通过大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤(LC-Tm:GF)进行功率放大，最终获得高功率/高能量单频激光输出。
6.根据权利要求3所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于线性腔结构为光纤Bragg光栅，利用光纤Bragg光栅选出窄线宽的单模输出，通过调整光纤Bragg光栅可以实现固定波长(1.9 μ m)输出和波长可变(l.9-2 μ m调谐)的单频单模光纤激光输出。
7.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于差频晶体为周期反转GaAs晶体,周期反转GaAs晶体的THz福射波长为:11 J_^Bb \ 為式中，λ THz为太赫兹福射波长，入i和、2为入射光波长，其中一个波长λ 1不变的情况下，可以计算出输出THz频率在一定范围内调谐时，另一束抽运光波长λ 2的变化曲线。
8.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于对于周期反转GaAs晶体，要求通光方向为[110]晶向；泵浦光偏振方向为[ι-ll]晶向，通过对(110)晶片间隔倒置，使泵浦光偏振方向分别平行[1-11]和[-11-1]晶轴形成准相位匹配周期结构，根据准相位匹配条件，晶体的反转周期:址=2* 卜+ = !Λ J A式中Λ为准相位匹配晶体的反转周期，λΤΗζ为太赫兹辐射波长，λ 1和λ 2为入射光波长，、**11&分别为入射光和太赫兹波在晶体中的折射率。
9.一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于包括两个工作于不同波长的2μ οι高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源、泵浦耦合系统、准相位匹配晶体、四镜环形谐振腔、太赫兹辐射输出镜，两个2 μ 11高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源通过泵浦耦合系统使泵浦光进入准相位匹配晶体，准相位匹配晶体放置于四镜环形谐振腔内，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜反射输出太赫兹波，所述泵浦耦合系统包括激光合束器和准直光路，对于2 μ m脉冲单频光纤泵浦光，还需要添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加，两束激光经泵浦耦合系统后形成双波长激光，作为差频过程的泵浦光进入准相位匹配晶体，四镜环形谐振腔包括两个平面镜和两个凹镜组成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，泵浦光往复通过晶体，实现外腔增强。
10. 根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于太赫兹辐射输出镜为用于收集太赫兹波并转化为平行波输出的抛物球面镜。
【文档编号】H01S3/16GK103647209SQ201310720265
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】史伟, 张卓 申请人:山东海富光子科技股份有限公司