一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源及其应用的制作方法
【专利摘要】一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，包括激光泵浦系统、太赫兹参量器件和冷却系统；所述太赫兹参量器件包括磷酸钛氧钾晶体，所述激光泵浦系统发出泵浦激光沿太赫兹参量器件照射，所述磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。所述太赫兹波输出频率范围为3.17-6.13THz。所述太赫兹参量器件还包括太赫兹参量器件的后腔镜、太赫兹参量器件的输出镜，所述激光泵浦系统发出的激光沿太赫兹参量器件的后腔镜、磷酸钛氧钾晶体和太赫兹参量器件的输出镜依次射出。本发明使用了非线性晶体磷酸钛氧钾，该晶体非线性增益较高，同时具有高的损伤阈值，通过角度调谐的方式可以获得3.17THz到6.13THz频率范围内的可调谐的太赫兹辐射波。
【专利说明】一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源及其应用，属于太赫兹参量源的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]受激激子散射是一种产生太赫兹辐射的重要技术，通过某些晶体的受激激子散射可以获得可见、近红外，以及太赫兹波段的可调谐激光。与其他技术的太赫兹源，如光整流、量子级联激光器、以及电学的太赫兹源相比，这种基于受激激子散射的太赫兹参量源具有可封装集成、室温工作、使用方便、便于调谐、线宽窄等优点。太赫兹参量源一直是太赫兹产生领域的研究热点之一。现国内外已经有大量关于太赫兹参量源的报道，他们均利用的晶体LiNbO3或者MgO = LiNbO3作为非线性转换的工作介质，可获得在0.6-3THz频率范围内可调谐的太赫兹辐射源。磷酸钛氧钾晶体的最低Al对称振动模为268.5cm—1，该振动模同时具有红外和拉曼活性，通过角度调谐可以获得在3.17THz到6.13THz频率范围内的可调谐的太赫兹福射源，扩展了基于LiNbO3晶体的太赫兹参量源的太赫兹频率范围，至今还没有发现用该晶体来实现的太赫兹参量源。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源。本发明利用磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。
[0004]本发明还提供上述基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的应用。该太赫兹参量源实现了 3.17-6.13THz频率范围内可调谐的太赫兹波输出。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，包括激光泵浦系统、太赫兹参量器件和冷却系统；所述太赫兹参量器件包括磷酸钛氧钾晶体，所述激光泵浦系统发出泵浦激光沿太赫兹参量器件照射，所述磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。
[0007]根据本发明优选的，所述的太赫兹参量源的太赫兹波输出频率范围为3.17-6.13THz。
[0008]根据本发明优选的,所述太赫兹参量器件还包括太赫兹参量器件的后腔镜、太赫兹参量器件的输出镜，所述激光泵浦系统发出的激光沿太赫兹参量器件的后腔镜、磷酸钛氧钾晶体和太赫兹参量器件的输出镜依次射出。
[0009]根据本发明优选的，所述磷酸钛氧钾晶体为非线性晶体磷酸钛氧钾。由激光泵浦系统产生的激光束经过太赫兹参量器件内的非线性晶体磷酸钛氧钾，所述非线性晶体磷酸钛氧钾具有拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程，通过所述的太赫兹参量器件中的角度旋转台改变泵浦光入射到磷酸钛氧钾中的角度，可获得3.17THz到6.13THz频率范围内的可调谐的太赫兹参量源。
[0010]根据本发明优选的，所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ为任意角度，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为1，非线性晶体的宽度为d。
[0011]根据本发明优选的，所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向如图1所示，X，y，ζ分别表示磷酸钛氧钾晶体的X轴，y轴和ζ轴方向,太赫兹出射面与非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体X轴的切割角度的范围为-45°到-15°。入射泵浦激光和受激激子散射过程中产生的Stokes光在太赫兹出射面上发生全反射，而太赫兹波可以垂直或者近于垂直于该表面输出，晶体长度为1，宽度为山厚度为h，I与d的大小满足Ι+d/tan Φ ^-d/tan Φ !<1,晶体的宽度d和厚度h可根据泵浦光斑大小来选择。
[0012]根据本发明优选的，所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面均镀有增透膜。增透膜的波长范围可根据选用的泵浦源的波长来决定；在太赫兹波出射面做抛光处理。
[0013]根据本发明优选的，所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。使所述的太赫兹参量器件的输出镜的镀膜在Stokes波段具有一定的透过率。
[0014]根据本发明优选的，所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ的取值范围为-10°到+10°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为1，非线性晶体的宽度为d;厚度为h，晶体长度1，宽度d，厚度h可根据实际需求和泵浦激光光斑的面积来选择。
[0015]所述的太赫兹参量器件还包括太赫兹波耦合部件，所述的太赫兹波耦合部件是硅材料棱镜，所述硅材料棱镜与非线性晶体的的XZ面无缝隙接触。棱镜的数量和尺寸大小可根据非线性晶体的尺寸大小决定。
[0016]根据本发明优选的，所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面，即yz面均镀有增透膜；在太赫兹波出射面(xz面)做抛光处理。所述增透膜的波长范围可根据选用的泵浦源的波长来决定。
[0017]根据本发明优选的，所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。所述的太赫兹参量器件的输出镜的镀膜在Stokes波段具有一定的透过率。
[0018]根据本发明优选的，所述激光泵浦系统为LD泵浦的连续激光系统、准连续的重复频率为IOOHz-1OOkHz的脉冲激光系统、闪光灯泵浦或者LD泵浦的低重频的1-1OOHz的激光系统；所述激光泵浦系统在磷酸钛氧钾非线性晶体中提供的功率密度不低于lOMW/cm2 ；所述的冷却系统为循环水冷却系统或半导体制冷系统。所述循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度；所述半导体制冷——晶体侧面被半导体制冷块包围。
[0019]一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下:
[0020]激光泵浦源系统发出的泵浦光进入到所述太赫兹参量器件的磷酸钛氧钾非线性晶体中，与磷酸钛氧钾晶体中同时具有拉曼与红外活性的晶体振动模相互作用，产生受激激子散射，在太赫兹参量器件内形成Stokes激光，同时产生太赫兹辐射波，并利用硅棱镜耦合阵列耦合方式或者通过垂直表面发射的方式获得太赫兹辐射输出。
[0021]本发明的优势在于:
[0022]本发明所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，使用了一种新的非线性晶体磷酸钛氧钾，该晶体非线性增益较高，同时具有高的损伤阈值，通过角度调谐的方式可以获得3.17THz到6.13THz频率范围内的可调谐的太赫兹辐射波。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明中所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向示意图；
[0024]图2为本发明中基于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-l产生的激子色散曲线以及非共线相位匹配关系图；
[0025]图3为是本发明的外腔泵浦、垂直表面发射的磷酸钛氧钾太赫兹参量源的光路结构示意图；
[0026]图4本发明的外腔泵浦、垂直表面发射的磷酸钛氧钾太赫兹参量源中非线性晶体磷酸钛氧钾的外形尺寸；
[0027]图5为本发明的外腔泵浦、硅棱镜阵列耦合输出的磷酸钛氧钾太赫兹参量源的光路结构不意图；
[0028]图6为本发明的LD端面泵浦的调Q运转、内腔泵浦的、硅棱镜阵列耦合输出的、基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的光路结构示意图；
[0029]图7为本发明的LD侧面泵浦的调Q运转、内腔泵浦的、垂直表面发射的磷酸钛氧钾太赫兹参量源的光路结构示意图；
[0030]图8为本发明外腔泵浦、硅棱镜阵列耦合输出的磷酸钛氧钾太赫兹参量源的光路结构示意图；
[0031]图9为本发明的外腔泵浦、垂直表面发射的磷酸钛氧钾太赫兹参量源的角度调谐范围。
[0032]其中:1.脉冲激光泵浦源，2.扩束器或者缩束器，3.半波片，4.太赫兹参量器件的后腔镜，5.太赫兹参量器件的非线性晶体磷酸钛氧钾，6.太赫兹参量器件的输出镜，7,角度旋转台，8.太赫兹硅棱镜耦合部件，9.激光二极管LD，10.光纤，11.耦合透镜组，12.泵浦激光系统谐振腔后腔镜，13.冷却恒温系统，14.激光增益介质，15.调Q开关，16.起偏器，17.泵浦激光系统谐振腔输出镜，18.LD侧面泵浦模块。
【具体实施方式】
[0033]现针对说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0034]根据本发明，如图2所示，受激激子散射过程是基于晶体的横向Al振动模(T0)，当激光入射到KTP晶体中，与晶体的Al振动模发生耦合，产生电磁耦子。电磁耦子既具有电磁特性又具有机械振动特性，在外界光激发时，变现出电磁特性，向外辐射电磁波，频率位于太赫兹波段，即产生太赫兹辐射。因为横向Al振动模同时具有红外和拉曼活性，所以受激激子散射过程包含了二阶和三阶非线性过程。该过程中需要满足相位匹配条件，图2为KTP晶体中电磁耦子的色散曲线，根据泵浦光和Stokes光在晶体中的相位匹配角度Θ的不同，可以获得不同频率的太赫兹辐射。
[0035]实施例1、
[0036]一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，包括激光泵浦系统、太赫兹参量器件和冷却系统；所述太赫兹参量器件包括磷酸钛氧钾晶体，所述激光泵浦系统发出泵浦激光沿太赫兹参量器件照射，所述磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。
[0037]所述的太赫兹参量源的太赫兹波输出频率范围为3.17-6.13THz。[0038]所述太赫兹参量器件还包括太赫兹参量器件的后腔镜、太赫兹参量器件的输出镜，所述激光泵浦系统发出的激光沿太赫兹参量器件的后腔镜、磷酸钛氧钾晶体和太赫兹参量器件的输出镜依次射出。
[0039]所述磷酸钛氧钾晶体为非线性晶体磷酸钛氧钾。由激光泵浦系统产生的激光束经过太赫兹参量器件内的非线性晶体磷酸钛氧钾，所述非线性晶体磷酸钛氧钾具有拉曼与红外活性振动模，产生受激激子散射，产生非线性参量过程，通过所述的太赫兹参量器件中的角度旋转台改变泵浦光入射到磷酸钛氧钾中的角度，可获得3.17THz到6.13THz频率范围内的可调谐的太赫兹参量源。
[0040]所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ为任意角度，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为1，非线性晶体的宽度为d。
[0041]所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向如图1所示，X，y, ζ分别表示磷酸钛氧钾晶体的X轴，y轴和Z轴方向，太赫兹出射面与非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体X轴的切割角度^的范围为-45°到-15°。入射泵浦激光和受激激子散射过程中产生的Stokes光在太赫兹出射面上发生全反射，而太赫兹波可以垂直或者近于垂直于该表面输出，晶体长度为1，宽度为d，厚度为h，l与d的大小满足1+(1八&11(351〈-(1八&11(351〈1，晶体的宽度(1和厚度h可根据泵浦光斑大小来选择。
[0042]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面均镀有增透膜。增透膜的波长范围可根据选用的泵浦源的波长来决定；在太赫兹波出射面做抛光处理。
[0043]所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。使所述的太赫兹参量器件的输出镜 的镀膜在Stokes波段具有一定的透过率。
[0044]下面结合附图3对本实施例做详细的说明:如图3所示，一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源包括脉冲激光泵浦源1，扩束器或者缩束器2，半波片3调整泵浦激光的偏振态与非线性晶体磷酸钛氧钾5的ζ轴平行，太赫兹参量器件后腔镜4与太赫兹参量器件输出镜6构成太赫兹参量振荡器的谐振腔，并与非线性晶体磷酸钛氧钾5共同固定在角度旋转台7上，构成太赫兹参量器件；脉冲激光泵浦源1、扩束器或者缩束器2以及半波片3共同组成太赫兹参量源的泵浦源系统。
[0045]一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下:脉冲激光泵浦源I发出的激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑大小，然后通过半波片8调整偏振态后进入太赫兹参量器件中，由于其中的磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-1同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生Stokes光，同时在Stokes发生全反射的部位产生太赫兹输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ ext，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0046]所述的脉冲激光泵浦源I为闪光灯泵浦或者LD泵浦的Nd:YAG调Q脉冲激光，波长为1064.2nm，重复频率为1-1OOHz可调的ns级脉冲激光器，最大泵浦能量为1J，脉冲宽度为8ns。
[0047]所述非线性晶体磷酸钛氧钾5，所述非线性晶体的切割方法如图4所示，x，y，z为晶体的X轴，y轴，Z轴方向，切割方向θ=90°，Φ=-28°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体沿着X轴长度为l=30mm,沿着y轴的长度为d=17mm,沿着ζ轴的厚度为8mm,所述的非线性晶体的尺寸切割方向不限于此，Φ可以为任意角度，晶体的尺寸可以根据需要来确定。
[0048]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾5的两端面均镀有IOOOnm — IlOOnm波长的增透膜，侧面抛光。
[0049]所述的太赫兹参量源输出的太赫兹辐射波的频率是可调谐的，通过调整泵浦光与Stokes激光在非线性晶体外的出射角度范围为1.5-6.0°，以获得调谐范围为3.17-6.13THz。所述Stokes激光为受激激子散射过程中产生的与泵浦光频率相近的光束。
[0050]所述的太赫兹参量器件的后腔镜4镀有泵浦光波段的增透膜和IOOOnm — IlOOnm波段的高反膜；输出镜5在1000-1 IOOnm波段镀有部分透过率。此处所述高反膜，其反射率大于95%，此处所述部分透过率范围为0.01%?99.99%。
[0051]所述的冷却系统为循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度。
[0052]工作流程:Nd: YAG调Q脉冲激光泵浦源I发出的1064.2nm激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑直径为2.5mm,然后通过半波片8调整激光偏振态平行于磷酸钛氧钾晶体的ζ轴,进入太赫兹参量器件中，由于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-1同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生1080nm附近的Stokes光，同时在Stokes发生全反射的部位产生太赫兹输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ ext，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。当泵浦能量为80mJ时，获得的最大太赫兹输出约为350nJ。
[0053]实施例2、
[0054]如图5所示。
[0055]一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，包括激光泵浦系统、太赫兹参量器件和冷却系统；所述太赫兹参量器件包括磷酸钛氧钾晶体，所述激光泵浦系统发出泵浦激光沿太赫兹参量器件照射，所述磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。
[0056]所述的太赫兹参量源的太赫兹波输出频率范围为3.17-6.13THz。
[0057]所述太赫兹参量器件还包括太赫兹参量器件的后腔镜、太赫兹参量器件的输出镜，所述激光泵浦系统发出的激光沿太赫兹参量器件的后腔镜、磷酸钛氧钾晶体和太赫兹参量器件的输出镜依次射出。所述磷酸钛氧钾晶体为非线性晶体磷酸钛氧钾。
[0058]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ的取值范围为-10°到+10°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为1，非线性晶体的宽度为d ;厚度为h，晶体长度1，宽度d，厚度h可根据实际需求和泵浦激光光斑的面积来选择。
[0059]所述的太赫兹参量器件还包括太赫兹波耦合部件，所述的太赫兹波耦合部件是硅材料棱镜，所述硅材料棱镜与非线性晶体的的XZ面无缝隙接触。棱镜的数量和尺寸大小可根据非线性晶体的尺寸大小决定。
[0060]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面，即yz面均镀有增透膜；在太赫兹波出射面(XZ面)做抛光处理。所述增透膜的波长范围可根据选用的泵浦源的波长来决定。[0061]所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。所述的太赫兹参量器件的输出镜的镀膜在Stokes波段具有一定的透过率。
[0062]下面结合附图5对本实施例做详细的说明:
[0063]如图5所示，一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源包括脉冲激光泵浦源I (闪光灯泵浦或者LD泵浦的低重频的1-1OOHz的ns级脉冲激光器)，扩束器或者缩束器2，半波片3调整泵浦激光的偏振态与非线性晶体磷酸钛氧钾5的ζ轴平行，太赫兹参量器件的后腔镜4与输出镜6构成太赫兹参量器件的谐振腔，并与非线性晶体磷酸钛氧钾5以及太赫兹硅棱镜耦合部件8共同固定在角度旋转台7上，构成太赫兹参量器件，非线性晶体磷酸钛氧钾5与太赫兹硅棱镜耦合部件8的Z0x面无间隙接触；冲激光泵浦源1、扩束器或者缩束器2以及半波片3共同组成太赫兹参量源的泵浦源系统。一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下:脉冲激光泵浦源I发出的激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑大小，然后通过半波片8调整偏振态后进入太赫兹参量器件，由于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-l同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生Stokes光，同时产生太赫兹辐射波，并通过硅棱镜耦合部件8输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ ext，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0064]所述的脉冲激光泵浦源I为闪光灯泵浦或者LD泵浦的Nd:YAG调Q脉冲激光，波长为1064.2nm，重复频率为1-1OOHz可调的ns级脉冲激光器，最大泵浦能量为1J，脉冲宽度为8ns。
[0065]所述非线性晶体磷酸钛氧钾，所述非线性晶体的切割方向θ=90°，Φ=0°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体沿着X轴长度为l=50mm,沿着y轴的长度为d=6mm,沿着ζ轴的厚度为6mm,所述的非线性晶体的尺寸切割方向不限于此，晶体的尺寸可以根据需要来确定。
[0066]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面均镀有IOOOnm — IlOOnm波长的增透膜，侧面抛光。
[0067]所述的太赫兹参量振荡器输出的太赫兹辐射波的频率是可调谐的，通过调整泵浦光与Stokes激光在非线性晶体外的出射角度范围为1.5-6.0°，以获得调谐范围为3.17-6.13THz。所述Stokes激光为受激激子散射过程中产生的与泵浦光频率相近的光束。
[0068]所述的后腔镜4镀有泵浦光波段的增透膜和IOOOnm — IlOOnm波段的高反膜；输出镜6在1000-1 IOOnm波段镀有部分透过率。此处所述高反膜，其反射率大于95%，此处所述部分透过率范围为0.01%?99.99%ο
[0069]所述的太赫兹波耦合部件8是太赫兹硅棱镜阵列的耦合方式。
[0070]所述的冷却系统为循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度。
[0071]工作流程:Nd: YAG调Q脉冲激光泵浦源I发出的1064.2nm激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑直径为2.5mm,然后通过半波片8调整激光偏振态平行于磷酸钛氧钾晶体的ζ轴，进入太赫兹参量器件中，由于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-l同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生1080nm附近的Stokes光，同时产生太赫兹辐射波，并通过太赫兹硅棱镜阵列8获得输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ ext，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0072]实施例3、
[0073]如图6所示，如实施例1所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其中太赫兹参量器件由太赫兹参量器件的后腔镜4、太赫兹参量器件的输出镜6、角度旋转台7、太赫兹耦合部件8硅棱镜阵列和非线性晶体磷酸钛氧钾5组成，非线性晶体磷酸钛氧钾5与太赫兹硅棱镜耦合部件8的Z0x面无间隙接触，太赫兹参量器件的后腔镜4、非线性晶体磷酸钛氧钾5、太赫兹参量器件的输出镜6和太赫兹硅棱镜耦合部件8—起固定在角度旋转台7上；泵浦激光系统谐振腔后腔镜12、泵浦激光系统谐振腔输出镜17组成泵浦激光谐振腔，泵浦激光谐振腔中的放置依次为激光增益介质14Nd: YAG激光晶体、声光调Q开关15、起偏器16、半波片3和太赫兹参量器件，共同组成基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源。太赫兹参量源的泵浦激光系统包括激光二极管LD9，光纤10，耦合透镜组11，泵浦激光系统谐振腔后腔镜12和泵浦激光系统谐振腔输出镜17组成的泵浦激光谐振腔以及泵浦激光谐振腔内依次放置的激光增益介质14为掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光晶体、调Q开关15、起偏器16、半波片3共同组成。一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源由上述的泵浦激光系统以及泵浦激光谐振腔内放置的太赫兹参量器件组成。基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方式如下:由LD端面泵浦系统产生的泵浦光耦合进入激光增益介质14，所产生的基频光进入到太赫兹参量器件，由于其中的磷酸钛氧钾晶体的Al振荡模同时具有红外和拉曼效应，因而会产生受激激子散射，产生Stokes光与太赫兹辐射波,太赫兹波通过太赫兹硅棱镜耦合部件8获得输出。上述调Q开关15、激光增益介质14和非线性晶体磷酸钛氧钾5均通过冷却恒温系统13进行温度控制，保持温度为20°C。
[0074]所述的激光二极管LD9端面泵系统是由波长为808nm附近的LD端面泵浦源(最高功率75W)及相应的光纤14 (纤芯直径400微米，数值孔径0.22)和耦合透镜组15 (1:1成像,工作距离50mm)组成。
[0075]所述的激光晶体Nd = YAG晶体14的尺寸为Φ 4mmX 5mm，其掺杂浓度为Ι-at.%两个端面均镀有808nm及IOOOnm — IlOOnm波长的增透膜(透过率大于99.8%)。
[0076]所述的调Q装置15由射频输入装置和声光调Q晶体组成，调Q晶体的长度为38_，两端面均镀有对IOOOnm — IIOOnm波长的增透膜(透过率大于99.8%);调制频率为l_60kHz可调，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用。
[0077]所述的磷酸钛氧钾晶体5的尺寸为50(X)X6(y)X6(z)mm3，两端面均镀有对IOOOnm 一 IlOOnm波段的增透膜(透过率大于99.8%), ζοχ平面抛光处理
[0078]所述的谐振腔腔镜:太赫兹参量器件的后腔镜4、太赫兹参量器件的输出镜6、泵浦激光系统谐振腔后腔镜12、泵浦激光系统谐振腔输出镜17均是平镜，镀有IOOOnm —I IOOnm波长的高反膜(反射率大于99.8 % )。
[0079]工作流程:LD发出808nm的泵浦光经光纤10和耦合透镜组11进入掺钕钇铝石榴石Nd = YAG晶体14，当声光调Q开关15关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关15打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过太赫兹参量器件中的磷酸钛氧钾晶体时，由于受激激子散射的作用产生Stokes光与太赫兹辐射波，太赫兹波通过太赫兹硅棱镜耦合部件8获得输出，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ ext，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0080]实施例4、
[0081]如图7所示。其中太赫兹参量器件由太赫兹参量器件的后腔镜4、太赫兹参量器件的输出镜6、非线性晶体磷酸钛氧钾5、角度旋转台7以及冷却恒温系统13组成，太赫兹参量器件的后腔镜4、非线性晶体磷酸钛氧钾5、太赫兹参量器件的输出镜6和冷却恒温系统13 —起固定在角度旋转台7上；泵浦激光系统谐振腔后腔镜12和泵浦激光系统谐振腔输出镜17组成泵浦激光谐振腔，泵浦激光谐振腔中的放置依次为声光调Q开关15、起偏器16、激光二极管LD侧面泵浦模块18、激光增益介质14Nd:YAG激光晶体、半波片3和上述的太赫兹参量器件，共同组成基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源。太赫兹参量源的泵浦激光系统包括腔镜12、17、声光调Q开关15、起偏器16、激光二极管LD侧面泵浦模块18、激光增益介质14Nd:YAG激光晶体和半波片3共同组成；一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源由上述的泵浦激光系统以及泵浦激光谐振腔内放置的太赫兹参量器件组成。一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下:由LD侧面泵浦系统产生的808nm泵浦光耦合进入激光增益介质14，所产生的基频光进入到太赫兹参量器件，由于其中的磷酸钛氧钾晶体的Al振荡模同时具有红外和拉曼效应，因而会产生受激激子散射，产生Stokes光，同时在Stokes发生全反射的部位产生太赫兹输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ &，可以获得0.6-3.0THz范围内的可调谐太赫兹输出。上述调Q开关15、磷酸钛氧钾晶体5均通过冷却恒温系统13进行温度控制，保持温度为20°C。
[0082]所述的激光二极管LD侧面泵浦模块18是由波长为808nm附近的LD侧泵激光头(最高功率180W)、驱动电源和水冷箱组成的。
[0083]所述的掺钕钇铝石榴石Nd = YAG晶体5的尺寸为Φ3mmX68mm，其掺杂浓度为1-at.%两个端面均镀有IOOOnm — IlOOnm波段的增透膜(透过率大于99.8%)0
[0084]所述的调Q装置15由射频输入装置和声光调Q晶体组成，调Q晶体的长度为46mm，两端面均镀有对IOOOnm — IIOOnm波段的增透膜(透过率大于99.8%);调制频率为l_50kHz可调，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用。
[0085]所述的磷酸钛氧钾晶体5与实施例1中的非线性晶体磷酸钛氧钾5相同。
[0086]所述的太赫兹参量器件的后腔镜4、太赫兹参量器件的输出镜6、泵浦激光系统谐振腔后腔镜12、泵浦激光系统谐振腔输出镜17均是平镜，镀有IOOOnm — IlOOnm波长的高反膜(反射率大于99.8 %)。
[0087]工作流程:LD侧面泵浦源发出808nm的泵浦光入射到掺钕钇铝石榴石Nd = YAG晶体14，当声光调Q开关15在关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关15打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过太赫兹参量器件中的磷酸钛氧钾晶体时，由于受激激子散射的作用产生Stokes光，同时在Stokes发生全反射的部位产生太赫兹输出，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Qrart，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0088]实施例5、
[0089]如实施例3所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其区别在于，只是去掉调Q开关15，获得连续的太赫兹辐射波运转。
[0090]工作流程:LD发出808nm的泵浦光经光纤10和耦合透镜组11进入掺钕钇铝石榴石Nd = YAG晶体14，通过受激辐射转为1064.2nm基频光；基频光经过太赫兹参量器件中的磷酸钛氧钾晶体时，由于受激激子散射的作用产生连续运转的Stokes光与太赫兹辐射波，太赫兹波通过太赫兹硅棱镜耦合部件8获得输出，通过旋转角度旋转台来改变入射光的入射角度，即泵浦光与Stokes光在磷酸钛氧钾晶体外的角度Θ &，可以获得3.17-6.13THz范围内的可调谐太赫兹输出。
[0091]实施例6、
[0092]如实施例4所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其区别在于，非线性晶体磷酸钛氧钾5同实施例2中的非线性晶体磷酸钛氧钾5。
[0093]实施例8、
[0094]如图8所示,如实施例2所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源,包括脉冲激光泵浦源I (闪光灯泵浦或者LD泵浦的低重频的1-1OOHz的ns级脉冲激光器)，扩束器或者缩束器2，半波片3调整泵浦激光的偏振态与非线性晶体磷酸钛氧钾5的ζ轴平行，非线性晶体磷酸钛氧钾5和太赫兹硅棱镜耦合部件8构成太赫兹参量器件，太赫兹参量器件的非线性晶体磷酸钛氧钾5与太赫兹硅棱镜耦合部件8的ζοχ面无间隙接触；脉冲激光泵浦源1，扩束器或者缩束器2以及半波片3共同组成太赫兹参量源的泵浦源系统。一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下:脉冲激光泵浦源I发出的激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑大小，然后通过半波片3调整偏振态后进入太赫兹参量器件，由于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-l同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生Stokes光，同时产生太赫兹福射波,并通过太赫兹娃棱镜稱合部件8输出。磷酸钛氧钾晶体5作为非线性介质，可以有效的产生Stokes和太赫兹转换，可以获得3.17-6.13THz范围内的太赫兹输出。
[0095]所述的脉冲激光泵浦源I为闪光灯泵浦或者LD泵浦的Nd:YAG调Q脉冲激光，波长为1064.2nm，重复频率为1-1OOHz可调的ns级脉冲激光器，最大泵浦能量为1J，脉冲宽度为8ns。
[0096]所述非线性晶体磷酸钛氧钾，所述非线性晶体的切割方向θ=90°，Φ=0°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体Z轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体沿着X轴长度为l=50mm,沿着y轴的长度为d=6mm,沿着ζ轴的厚度为6mm,所述的非线性晶体的尺寸切割方向不限于此，晶体的尺寸可以根据需要来确定。
[0097]所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面均镀有IOOOnm — IlOOnm波长的增透膜，侧面抛光。
[0098]所述的太赫兹波耦合部件8是太赫兹硅棱镜阵列的耦合方式。[0099]所述的冷却系统为循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度。
[0100]工作流程:Nd: YAG调Q脉冲激光泵浦源I发出的1064.2nm激光通过扩束器或者缩束器2调整激光光斑直径为2.5_，然后通过半波片8调整激光偏振态平行于磷酸钛氧钾晶体的ζ轴,进入太赫兹参量器件中，由于磷酸钛氧钾晶体的Al振动模268.5cm-1同时具有拉曼和红外活性，因而会产生受激激子散射，产生1080nm附近的Stokes光，同时产生
3.17-6.13THz范围内的太赫兹辐射波，并通过太赫兹硅棱镜耦合部件8获得输出。
[0101]实施例9、
[0102]如实施例8所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其区别在于，非线性晶体磷酸钛氧钾5同实施例1中的非线性晶体磷酸钛氧钾5。
【权利要求】
1.一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，该太赫兹参量源包括激光泵浦系统、太赫兹参量器件和冷却系统；所述太赫兹参量器件包括磷酸钛氧钾晶体，所述激光泵浦系统发出泵浦激光沿太赫兹参量器件照射，所述磷酸钛氧钾晶体的受激激子散射过程构成的太赫兹参量源。
2.根据权利要求1所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述的太赫兹参量源的太赫兹波输出频率范围为3.17-6.13THz。
3.根据权利要求1所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述太赫兹参量器件还包括太赫兹参量器件的后腔镜、太赫兹参量器件的输出镜，所述激光泵浦系统发出的激光沿太赫兹参量器件的后腔镜、磷酸钛氧钾晶体和太赫兹参量器件的输出镜依次射出。
4.根据权利要求1所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述磷酸钛氧钾晶体为非线性晶体磷酸钛氧钾。
5.根据权利要求4所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ为任意角度，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体ζ轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为I，非线性晶体的宽度为d。
6.根据权利要求5所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，X,y，ζ分别表示磷酸钛氧钾晶体的X轴，y轴和ζ轴方向,太赫兹出射面与非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体X轴的切割角度叭的范围为-45°到-15°。
7.根据权利要求5所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面均镀有增透膜；所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。
8.根据权利要求4所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于， 所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的晶体的切割方向θ=90°，Φ的取值范围为-10°到+10°，所述Θ是泵浦激光与非线性晶体ζ轴的夹角，Φ为非线性晶体X轴与非线性晶体侧面的夹角，非线性晶体的长度为1，非线性晶体的宽度为d ;所述的太赫兹参量器件还包括太赫兹波耦合部件，所述的太赫兹波耦合部件是硅材料棱镜，所述硅材料棱镜与非线性晶体的的Xz面无缝隙接触。
9.根据权利要求8所述的一种基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源，其特征在于，所述的非线性晶体磷酸钛氧钾的两端面，即yz面均镀有增透膜；在太赫兹波出射面(χζ面)做抛光处理；所述的太赫兹参量器件的后腔镜镀有在Stokes波段的高反膜。
10.一种如权利要求1所述基于磷酸钛氧钾晶体的太赫兹参量源的工作方法如下: 激光泵浦源系统发出的泵浦光进入到所述太赫兹参量器件的磷酸钛氧钾非线性晶体中，与磷酸钛氧钾晶体中同时具有拉曼与红外活性的晶体振动模相互作用，产生受激激子散射，在太赫兹参量器件内形成Stokes激光，同时产生太赫兹福射波，并利用娃棱镜I禹合阵列耦合方式或者通过垂直表面发射的方式获得太赫兹辐射输出。
【文档编号】H01B9/02GK103794293SQ201410064229
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】张行愚, 王伟涛, 丛振华, 王青圃, 秦增光, 刘兆军, 陈晓寒, 唐关琦 申请人:山东大学