专利名称：一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法
技术领域：
本发明涉及超快太赫兹波产生技术领域，特别涉及一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法。
背景技术：
非线性介质中超短光脉冲的光学整流技术是光学手段产生超快太赫兹波的一种重要方法。传统的光整流技术是选择合适的飞秒激光和与之匹配的非线性晶体，利用抽运光与太赫兹波传输路径完全一致这一特点进行共线相位匹配，产生并辐射太赫兹波。为了提高产生抽运光到太赫兹波的转化效率，需要选择有效非线性系数更大的非线性介质作为发射器，利用峰值功率更高的抽运光脉冲来激发晶体，但是在传统方法中， 常用的飞秒激光工作波段能够实现共线相位匹配的非线性晶体(碲化锌(aiTe)、磷化镓 (GaP))的有效非线性系数并不够大，且这些常用的发射器在强光作用下呈现低阶非线性吸收，故表面损伤阈值都很低，难以利用更高功率强度的激光抽运系统作为泵源，限制了太赫兹波的输出功率。针对共线相位匹配结构的缺陷，有人提出了倾斜脉冲波前在晶体内实现非共线相位匹配的光整流技术。其基本结构是使用适当参数的光栅等色散器件将入射的飞秒脉冲强度波前倾斜一定的角度，使得在晶体中抽运光速度在波矢方向上的分量与产生的太赫兹波速度实现完全匹配，如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图2所示。最常选用的介质是铌酸锂晶体，有效非线性系数为168pm/V，比GaP高两个数量级，为常见无机非线性晶体中最大的，且抗损伤特性非常好，可以在高功率抽运条件下高效率地辐射太赫兹波，并可以方便地根据使用的泵源波长设计发射器形状实现晶体内的非线性相位匹配。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足现有技术中由于使用了光栅等色散元件，光路较为复杂，结构比较庞大，并且由于使用了单透镜或者望远镜型聚焦系统，抽运光传输到晶体内部时其脉冲强度波前会发生畸变，影响产生太赫兹波的效率；由于铌酸锂晶体折射率较高，晶体内产生的太赫兹波在出射端面的菲涅尔反射损耗较大，输出效率较低。
发明内容
本发明提供了一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，实现了光路结构简单、体积较小以及输出效率较高，详见下文描述一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，所述方法包括以下步骤(1)通过入射抽运光在铌酸锂晶体中的光波长、群折射率和太赫兹波折射率获取倾斜角；(2)根据所述倾斜角和光栅色散方程获取倾斜量的函数表达式；(3)根据里特罗入射条件、光栅方程和所述倾斜量的函数表达式获取铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度；
(4)通过模态法对光栅建模，根据光栅负一级衍射效率与光栅的填充系数、刻槽深度的关系，获取刻槽宽度和刻槽深度；(5)根据所述前表面光栅刻线密度、所述刻线宽度和所述刻槽深度，在加工容差范围内，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构，光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴；(6)通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构；(7)抽运激光器在所述铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射抽运光，偏振片调节抽运光偏振平行于铌酸锂晶体的光轴，在出射界面产生太赫兹波。所述倾斜量的函数表达式具体为
tan γ = Adcpout / λ其中，γ为倾斜角，却-/^L = WAosiiIi为抽运光穿过光栅界面的出射衍射角，d为光栅常数，k为衍射级次，λ为入射抽运光在铌酸锂晶体中的光波长。本发明提供的技术方案的有益效果是本发明提供了一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，本发明用于倾斜抽运脉冲波前的光栅结构和用于增强太赫兹波透射率的微棱锥阵列结构的超快太赫兹波发射器，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构，光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴，不仅能够实现对抽运光脉冲波前的倾斜，满足晶体内相位匹配条件，而且避免了利用光学成像系统聚焦光束所引起的脉冲波前畸变；其次，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构，增强了太赫兹波的透射率；与传统的共线相位匹配光学整流技术相比，选用铌酸锂晶体，产生效率更高，可使用的抽运光强更大，输出功率得到提升；与已有的倾斜脉冲波前结构相比，将脉冲波前倾斜装置与发射介质集成，简化了元件， 缩短了光路。
图1 (a)为本发明提供的共线相位匹配原理示意图；图1 (b)为本发明提供的切伦科夫辐射太赫兹波的原理示意图；图1 (c)为本发明提供的所基于的倾斜脉冲波前非共线相位匹配光整流原理示意图；图2为本发明提供的倾斜波前辐射太赫兹的实验装置示意图；图3为本发明提供的设计的铌酸锂晶体的结构示意图；图4为本发明提供的基于模态法得到的光栅负一级衍射效率与光栅参数关系的等值线的示意图；图5为本发明提供的直角微棱锥结构示意图；图6为本发明提供的出射面的侧视图；图7为本发明提供的系统的结构示意图；图8为本发明提供的一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法的流程图。
具体实施方式
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。为了实现光路结构简单、体积较小以及输出效率较高，本发明实施例提供了一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，详见下文描述参见图1(a)、图1(b)和图1(c)，本发明实施例依据的物理原理为基于切伦科夫辐射原理的非共线相位匹配形式的光学整流过程。在非线性介质中，因折射率的差异，造成抽运光群速度和所产生太赫兹波相速度之间有较大差异时，不满足共线相位匹配条件，但是使用光栅、棱镜等色散器件，对抽运光引入角色散，在介质中，当抽运光脉冲波前与抽运光传输方向之间夹角为切伦科夫辐射角(由公式nph,THz = ng,。pt cosy确定，其中、为倾斜角)时，抽运光脉冲波前法线与产生的太赫兹波波阵面法线同方向，且在这个方向上，抽运光群速度的分cosy与太赫兹波相速度vph,raz实现了速度匹配。然而，由于加入光栅、棱镜等色散元件后，抽运光光束会变宽，因此需要一套光学成像系统缩小光束使得光束汇聚在晶体上。但是随着光学系统的引入，经过光栅倾斜后的脉冲波前会发生畸变，从而降低了太赫兹辐射的产生效率。为了解决这一问题，本发明实施例采用下述方案，参见图8，101 通过入射抽运光在铌酸锂晶体中的光波长、群折射率和太赫兹波折射率获取倾斜角Y ；参见图3和图7，入射抽运光为线偏振光，偏振方向平行于光轴方向，故抽运光在铌酸锂晶体中为e光，对应的入射抽运光波长为1.04 μ m，抽运光的群折射率= 2. 16，产生的太赫兹波折射率nTHz = 5. 16，获取倾斜角γ为65°。102 根据倾斜角Y和光栅色散方程获取倾斜量的函数表达式；其中，本发明实施例中所设计的光栅结构不仅能够使抽运光光束经过后产生所需要的倾斜波前，而且从光栅输出的光束在特定级次能产生高效率(效率大于90%)的衍射。其所依据的物理原理如下根据光栅色散方程却= Wcos^i，其中化,为抽运光穿过光栅界面的出射衍射角，d为光栅常数，k为衍射级次，获取倾斜量的函数表达式 tan γ= Adcpout I λ。103:根据里特罗入射条件、光栅方程和倾斜量的函数表达式获取铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度；其中，为了能够得到最优的衍射效率，本发明实施例采用里特罗入射条件 ηφιη=λ!(2 )，再结合光栅方程sin = Sin^j+AW，并代入倾斜角的表达式得到光栅
常数d = Λ· V(l/tan2r + l/4)。经计算得到在1. 04 μ m飞秒脉冲抽运条件下，满足设计目的的光栅常数711nm，即铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度为14061/mm，此量级的光栅在技术上还是非常容易实现的。其中，得到铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度之后，只需要确定光栅的填充系数 (光栅脊宽度对光栅常数的比值)以及刻槽深度即可确定光栅的结构。104:通过模态法对光栅建模，根据光栅负一级衍射效率与光栅的填充系数、刻槽深度的关系，获取刻槽宽度和刻槽深度；其中，模态法研究的是光束与光栅相互作用的物理机制，其基本思想与马赫-泽德干涉仪相类似，认为光束在光栅内存在着两个传输模式，而光栅输出的某一级衍射效率是由这两个传输模式干涉耦合而成的。因此本发明实施例根据模态法优化光栅参数(刻槽
5深度和刻槽宽度)使得衍射光全部耦合入负一级。其中，参见图4，白色区域表示的是在对应的横纵坐标(光栅深度以及光栅填充系数)下光栅的负一级衍射效率大于90%，因此只需要在此区域确定一点(一般为了降低加工难度，取填充系数在0. 5附近的点)，找到其对应的光栅深度和光栅填充系数。结合公式 光栅填充系数=光栅脊宽度/光栅常数=(光栅常数-刻槽宽度)/光栅常数，在已知的光栅常数d的情况下，刻槽宽度=光栅周期X (1-光栅填充系数)。如此就能够得到光栅加工的重要参数刻槽深度和刻槽宽度，结合之前得到的光栅刻线密度即可以此加工所需要的光栅。105:根据前表面光栅刻线密度、刻槽宽度和刻槽深度，在加工容差范围内在铌酸锂晶体的前表面上，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构，光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴；其中，刻线方向平行于光轴方向，采用微纳加工方法，本发明实施例以光栅刻槽密度为14061/mm，刻槽宽度426nm，加工容差士 35nm，刻槽深度600nm，加工容差士 IOOnm为例进行说明，具体实现时，还可以为其他的尺寸，本发明实施例对此不做限制。106 通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构；其中，由于铌酸锂晶体在太赫兹波段折射率极高，与空气的折射率差较大，在1太赫兹波段，单面垂直入射的菲涅尔反射率达到45. 6%，近一半太赫兹能量被界面约束在铌酸锂晶体内部不能辐射出来。为了解决这一问题，参见图5和图6，在铌酸锂晶体的出射界面设计微直角棱锥结构，利用微纳加工方法，在铌酸锂晶体的出射表面，刻划出适当尺寸的微直角棱锥结构。其增透的原理是将微棱锥分成无数个小薄层，在每一个薄层中，含有不同比例的晶体物质与空气，等效折射率介于块状晶体和空气之间，由于微棱锥这样的金字塔形的结构相邻的薄层的等效折射率是渐变的，这样就避免了太赫兹波输出时因突变的折射率造成的高反射率，从而增大了太赫兹波的透射率，提高了太赫兹波的发射效率。此种增透结构已在太赫兹波段应用于高阻硅等材料，透射谱较平坦，能够提高10%左右的太赫兹辐射的透射率。107:抽运激光器在铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射抽运光，偏振片调节抽运光偏振平行于铌酸锂晶体的光轴，在出射界面产生太赫兹波。其中，参见图7，具体实现时，本发明实施例中的抽运激光器需要在铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射1.04 μ m的抽运光，入射在铌酸锂晶体前表面的光栅结构部分。在出射界面产生的太赫兹波是高效率的太赫兹波。相比传统的倾斜脉冲波前辐射太赫兹的方法(如图2所示)不仅简化了光路，而且刻划在铌酸锂入射面的光栅避免了成像系统带来的畸变，同时太赫兹的出射表面刻划的微棱锥结构提升了所产生的太赫兹辐射透射率，从而提高了太赫兹辐射的整体产生效率。下面以一个具体的试验来验证本发明实施例提供的一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法的可行性，详见下文描述本体为掺氧化镁(MgO)的化学计量比铌酸锂晶体(Mg = LiNbO3)薄片，Mg掺杂量 6%，该种材料抗光折变能力很强，损伤阈值高，适用于高功率抽运条件；但是由于铌酸锂晶体本身对太赫兹波吸收较大，其太赫兹波段的吸收系数为16cm-l，故有效发射长度仅为625微米，很厚的晶体并不能支持太赫兹波的持续增加，但是为了保证其机械强度，选择1. 5mm厚的块状晶体作为本体，切割方向使得晶体光轴在晶体平面内。铌酸锂晶体前表面光栅刻线密度14061/mm，刻线方向平行于光轴方向，采用微纳加工方法，刻槽宽度426nm， 加工容差士35nm;刻槽深度600nm，加工容差士 lOOnm。铌酸锂晶体出射面，刻划底边长度为40 μ m的直角棱锥结构，采用微纳加工方法，加工刀具为直角刀头，通过互成90°的两组走刀方向便可构成微直角棱锥阵列。抽运激光器在铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射 1. 04 μ m抽运光，在出射界面产生了高效率的太赫兹波，且仅在出射界面增加微直角棱锥结构，就能够提高10%左右的太赫兹辐射的透射率，验证了本方法的可行性。综上所述，本发明实施例提供了一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，本发明实施例用于倾斜泵抽运脉冲波前的光栅结构和用于增强太赫兹波透射率的微棱锥阵列结构的超快太赫兹波发射器，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构， 光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴，不仅能够实现对抽运光脉冲波前的倾斜，满足晶体内相位匹配条件，而且避免了利用光学成像系统聚焦光束所引起的脉冲波前畸变；其次，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构，增强了太赫兹波的透射率； 与传统的共线相位匹配光学整流技术相比，选用铌酸锂晶体，产生效率更高，可使用的抽运光强更大，输出功率得到提升；与已有的倾斜脉冲波前结构相比，将脉冲波前倾斜装置与发射介质集成，简化了元件，缩短了光路。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，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
1.一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)通过入射抽运光在铌酸锂晶体中的光波长、群折射率和太赫兹波折射率获取倾斜角；(2)根据所述倾斜角和光栅色散方程获取倾斜量的函数表达式；(3)根据里特罗入射条件、光栅方程和所述倾斜量的函数表达式获取铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度；(4)通过模态法对光栅建模，根据光栅负一级衍射效率与光栅的填充系数、刻槽深度的关系，获取刻槽宽度和刻槽深度；(5)根据所述前表面光栅刻线密度、所述刻槽宽度和所述刻槽深度，在加工容差范围内，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构，光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴；(6)通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构；(7)抽运激光器在所述铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射抽运光，偏振片调节抽运光偏振平行于铌酸锂晶体的光轴，在出射界面产生太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，其特征在于， 所述倾斜量的函数表达式具体为tan γ = Adcpout / λ其中，Y为倾斜角，却_/以=Wcosutwi为抽运光穿过光栅界面的出射衍射角，d 为光栅常数，k为衍射级次，λ为入射抽运光在铌酸锂晶体中的光波长。
全文摘要
本发明公开了一种提高太赫兹波产生效率和透射率的方法，获取倾斜角；根据倾斜角和光栅色散方程获取倾斜量的函数表达式；根据里特罗入射条件、光栅方程和倾斜量的函数表达式获取铌酸锂晶体的前表面光栅刻线密度；通过模态法对光栅建模，根据光栅负一级衍射效率与光栅的填充系数、刻槽深度的关系，获取刻槽宽度和刻槽深度；根据前表面光栅刻线密度、刻槽宽度和刻槽深度，在加工容差范围内，通过微纳加工方法在铌酸锂晶体的入射面刻有光栅结构，光栅刻线平行于铌酸锂晶体的光轴；通过微纳加工在铌酸锂晶体的出射界面增加微直角棱锥结构；抽运激光器在铌酸锂晶体前表面以特定的入射角发射抽运光，在出射界面产生太赫兹波。本发明简化了元件，缩短了光路。
文档编号G02F1/35GK102436115SQ20111043877
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘丰, 李江, 栗岩锋, 胡晓堃, 邢岐荣 申请人:天津大学