双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法

专利名称：双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法
技术领域：
本发明涉及激光器，特别涉及利用太赫兹参量振荡器实现双波长太赫兹调谐输出，即双 波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法。
背景技术：
太赫兹(Terahertz,简称THz， lTHz=1012Hz)辐射源是THz领域科技发展的关键核心 技术，它是指频率从100 GHz到10 THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红 外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，具有一系 列特殊的性质。特别是宽调谐THz相干辐射源在材料科学、固体物理、分子分析、大气探索、 生命科学、化学气体追踪、材料测试、食品检测等国民和国防安全等领域具有广泛的应用价 值。
通过铁电晶体太赫兹参量振荡(Terahertz Parametric Generation/ Terahertz Parametric Oscillator,简称TPG/ TPO)技术是获得相干可调谐THz光子辐射的主要方法之一。太赫兹 参量振荡的原理是基于铁电晶体的受激拉曼极化声子散射机理，当泵浦足够强时，入射的近 红外的泵浦光子与晶体中同时具有红外和拉曼活性的A!对称最低光学软模发生作用，激发出 一个频率相近的近红外斯托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，导致THz波的产生。这个散 射过程包括二阶和三阶非线性过程，同时兼有参量和拉曼散射效应。目前多采用外腔泵浦太 赫兹参量振荡和种子注入技术，但存在着耦合泵浦难度大，系统效率低以及设备操作复杂等 缺点。
内腔泵浦太赫兹参量振荡技术可以有效利用腔内的高功率密度，提高光学参量振荡转换 效率，实现低阈值输出。并且可以避免外腔泵浦太赫兹参量振荡由于泵浦光功率密度低，需 要用长焦距透镜聚焦或进行縮束，从而使光学系统复杂，且对光学镀膜和非线性晶体损伤危 险性较大的缺点，易于实现小型化、全固化。目前已报道采用端面泵浦激光器作为泵浦源内 腔泵浦太赫兹参量振荡实现THz波的输出。但是端面泵浦结构限制了泵浦功率的增加，输出 的THz波功率较低，且只能实现单一波长的调谐输出，调谐范围较窄。

发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双波长可调谐太赫兹内腔光学参 量振荡器及其使用方法，实现输出可连续调谐的双波长高功率THz波，并能够在室温下稳定运转。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器， 由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列 侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾 KD'P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线， TPO谐振腔两个腔镜中靠近激光器一侧的腔镜为斯托克斯光全反镜，两个腔镜中靠近输出镜 一侧的腔镜为斯托克斯光输出镜，掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体侧面即水平-竖立面与阵列硅 棱镜耦合输出太赫兹波。
所述的准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器的构成为，泵 浦源采用多个准连续二极管泵浦，多个准连续二极管按照三角形等间距侧面泵浦掺钕钇铝石 榴石Nd:YAG棒，掺钕钇铝石榴石Nd:YAG为圆柱体，侧面打毛，端面即轴向两端磨成平面， 镀1064nm的增透膜。
所述的掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体侧面与阵列硅棱镜耦合是，采用高电阻率的阵列硅 棱镜耦合输出太赫兹波，硅棱镜底角为40°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱 镜底部与掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
所述的泵浦光谐振腔是直通式平平腔，输出镜为平面镜，镀1064nm的增透膜。
所述的掺镁铌酸锂MgO:LiNb03晶体为长方体，掺杂浓度为5mol。/c，泵浦光沿水平方向 通光，对通光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光。
双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器使用方法，借助于权利要求1所述的双波长可调谐 内腔太赫兹参量振荡器实现，包括以下过程采用准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇 铝石榴石Nd:YAG作为泵浦源，采用电光调Q技术，将THz参量振荡器置于泵浦光腔内， 当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子，同时产生受激电 磁耦子，实现THz波的输出；继续增大泵浦能量，入射激光与一阶斯托克斯光通过三阶非线 性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射激光与二阶斯 托克斯光相互作用可以产生另一个波长的太赫兹波输出；调节一阶斯托克斯光和泵浦光在掺 镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体中的角度，实现双波长太赫兹波的连续调谐输出。
本发明具备下列技术效果
本发明由于采用侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器作为泵浦源，克服了端面泵浦 技术输入功率低的缺点；
本发明由于采用了侧面泵浦，相对于端面泵浦而言，能提高泵浦功率，实现高功率、高 转换效率的THz波输出，并且当泵浦能量使太赫兹参量振荡器在阈值以上运转时，可实现双 波长THz波的同时连续调谐输出；
本发明采用内腔泵浦技术，有效的利用腔内的高功率密度，提高光学参量振荡转换效率， 实现低阈值输出，并且易于实现小型化、全固化；
本发明还具备体积小巧，整个系统能够在室温下运转的特点。


图1为双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡激光器结构示意图。 图2为MgO: LiNb03晶体的光轴方向示意图。 图3为阵列硅棱镜形状示意图。
图4为泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波动量守恒示意图。图5为双波长THz波产生的动量守恒示意图。
图中1.平面全反镜；2.KD'P晶体；3.偏振片；4.高功率半导体激光器泵浦组件；5. Nd:YAG棒(05x115mm); 6.斯托克斯光全反镜；7. MgO: LiNb03晶体；8.阵列硅棱镜。9. 斯托克斯光输出镜；10. 1064nm输出镜；11.泵浦光波矢^; 12.斯托克斯光波矢&; 13.太赫
兹波波矢^; 14.泵浦光和斯托克斯光在MgO:LiNb03晶体中的夹角e; 15. 二阶斯托克斯光 波矢《2; 16. —阶斯托克斯光波矢&1; 17.THz波波矢^。 18.THz波波矢^2。
具体实施例方式
本发明的目的在于提供一种双波长可调谐太赫兹内腔光学参量振荡器及方法，采用该装 置及方法可使太赫兹激光器输出频率分别为0.26~4.07THz和0.51 ~8.15THz的可连续调谐的双 波长THz波，并能够在室温下稳定运转。
本发明通过下述技术方案加以实现的， 一种双波长可调谐内腔泵浦太赫兹参量振荡器。 其技术特征在于，该THz参量振荡器包括一个准连续半导体激光器阵列4侧面泵浦Nd:YAG5 激光器，配置KD*P晶体2和偏振片3组成的退压式电光Q开关，MgO: LiNb03晶体7和腔 镜6、 9组成的TPO谐振腔置于泵浦光腔内，与泵浦光谐振腔非共线，阵列硅(Si)棱镜8 耦合输出THz波。
采用上述的内腔THz参量振荡器实现双波长THz调谐输出的方法，其特征在于包括以下 过程采用准连续二极管4侧面泵浦Nd:YAG5激光器作为泵浦源，电光调Q技术，将THz 参量振荡器置于泵浦光腔内，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯 托克斯光子，同时产生受激电磁耦子，实现THz波的输出。继续增大泵浦能量，入射激光与 一阶斯托克斯光通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒 的条件下，入射激光与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的THz波输出。调节一 阶斯托克斯光和泵浦光在MgO: LiNb03晶体7中的角度，实现双波长THz波的连续调谐输出。
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡激光 器中，采用该装置可使激光器同时输出双波长、可连续调谐的THz波，两个THz波的频率调 谐范围分别为0.26~4.07THz和0.51~8.15THz。
本发明的具体技术方案如下泵浦源采用150个100W准连续二极管激光器泵浦，按照 三角形等间距侧面泵浦Nd:YAG棒的泵浦耦合技术，其总泵浦功率为15000W,泵浦脉宽设 为200^s，调Q延时为I75ps;激光介质为单晶Nd:YAG棒，尺寸为05xll5mm，侧面打毛， 两端磨成平面，镀1064nm的增透膜；采用KD*P退压式电光调Q，重复频率l-50Hz可调； 泵浦光谐振腔采用直通式平平腔，腔长为500mm。参量振荡晶体采用MgO:LiNb03晶体，其 掺杂浓度为5mo1。/。，尺寸为60xl0x5mm、X， Y， Z)，晶体的光轴方向如图2所示，泵浦光沿 X方向通光，对通光面Y-Z面和侧面X-Z面进行光学抛光。采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合 输出THz波，硅棱镜底角近似为40° (如图3所示)，棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光， 将棱镜底部与MgO丄iNb03晶体的X-Z面相紧密接触。斯托克斯光全反镜和斯托克斯光输出 镜镀1064nm高反膜，与参量振荡晶体MgO丄iNbCb组成THz光学参量振荡的谐振腔，腔长215cm。
根据非线性光学能量守恒和动量守恒原理，泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波满足条件 6>p=ws+a ， & ，其中，叫、叫、wr分别表示泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的
角频率，^ 、 &和^分别表示泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的波矢；因此，基于MgO:LiNb03
晶体的太赫兹参量振荡器只能实现非共线相位匹配，通过改变泵浦光和斯托克斯光在
MgO:LiNb03晶体中的夹角6 (如图4所示)实现THz波的调谐输出，夹角6也是THz光学 参量振荡谐振腔与泵浦光谐振腔的夹角。当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激 发出一阶斯托克斯光子&,同时产生受激电磁耦子，实现THz波^i的输出。继续增大泵浦 能量(约500mJ)，入射激光与一阶斯托克斯光i^通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克 斯光&2，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，入射泵浦光^与二阶斯托克斯光^2相互作 用可以产生另一个波长的THz波输出&2，如图5所示。这两个波长的THz波在空间分布上 有一定的夹角，通过改变一阶斯托克斯光与泵浦光的夹角e，可以实现两个THz波波长的调 谐输出，其调谐范围分别为0.26 4.07THz和0.51 8.15THz。在一阶斯托克斯光与泵浦光的夹 角一定时，随着THz光学参量振荡谐振腔长度的缩短，光学参量振荡的阈值降低；当THz 光学参量振荡的谐振腔长度不变，减小一阶斯托克斯光与泵浦光的夹角，双波长THz波产生 的阈值降低，这是因为角度减小，增加了泵浦光和斯托克斯光在晶体中的作用长度。
本发明的优点在于，整个系统能够在室温下运转，体积小，利用腔内的高功率密度，实 现高功率、低阈值的双波长可连续调谐THz波激光器，双波长THz波的频率调谐范围分别为 0.26 4.07THz和0.51 8.15THz，可广泛应用于成像、光谱分析、材料科学及医疗诊断等领域。
权利要求
1.一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾KD*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线，TPO谐振腔两个腔镜中靠近激光器一侧的腔镜为斯托克斯光全反镜，两个腔镜中靠近输出镜一侧的腔镜为斯托克斯光输出镜，掺镁铌酸锂MgO:LiNbO3晶体侧面即水平-竖立面与阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波。
2. 根据权利要求l所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的准连 续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器的构成为，泵浦源采用多 个准连续二极管泵浦，多个准连续二极管按照三角形等间距侧面泵浦掺钕钇铝石榴石 Nd:YAG棒，掺钕钇铝石榴石Nd:YAG为圆柱体，侧面打毛，端面即轴向两端磨成平面， 镀1064nm的增透膜。
3. 根据权利要求l所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的掺镁 铌酸锂MgO: LiNb03晶体侧面与阵列硅棱镜耦合是，采用高电阻率的阵列硅棱镜耦合输 出太赫兹波，硅棱镜底角为40°，硅棱镜底部和输出侧面都进行光学抛光，将硅棱镜底部 与掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体的侧面即水平-竖立面相紧密接触。
4. 根据权利要求1所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的泵浦 光谐振腔是直通式平平腔，输出镜为平面镜，镀1064nm的增透膜。
5. 根据权利要求l所述的一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器，其特征是，所述的掺镁 铌酸锂MgO: LiNb03晶体为长方体，掺杂浓度为5moin/。，泵浦光沿水平方向通光，对通 光面即垂直-竖立面和侧面即水平-竖立面进行光学抛光。
6. —种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器使用方法，借助于权利要求1所述的双波长可调 谐内腔太赫兹参量振荡器实现，包括以下过程采用准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺 钕钇铝石榴石Nd:YAG作为泵浦源，采用电光调Q技术，将THz参量振荡器置于泵浦光 腔内，当泵浦光能量达到THz波光学参量振荡阈值时，激发出一阶斯托克斯光子，同时 产生受激电磁耦子，实现THz波的输出；继续增大泵浦能量，入射激光与一阶斯托克斯 光通过三阶非线性极化强度产生二阶斯托克斯光，在满足能量守恒和动量守恒的条件下， 入射激光与二阶斯托克斯光相互作用可以产生另一个波长的太赫兹波波输出；调节一阶斯 托克斯光和泵浦光在掺镁铌酸锂MgO: LiNb03晶体中的角度，实现双波长太赫兹波的连 续调谐输出。
全文摘要
本发明涉及激光器。为提供一种双波长可调谐内腔太赫兹参量振荡器及其使用方法，实现输出可连续调谐的双波长高功率THz波，并能够在室温下稳定运转。本发明采用的技术方案是由平面全反镜、激光器、输出镜组成泵浦光谐振腔，所述激光器为准连续半导体激光器阵列侧面泵浦掺钕钇铝石榴石Nd:YAG5激光器；在平面全反镜和激光器之间配置有磷酸二氢钾KD^*P晶体和偏振片组成的退压式电光Q开关；在激光器和输出镜之间设置有由掺镁铌酸锂MgO:LiNbO₃晶体和两个腔镜组成的TPO谐振腔，TPO谐振腔与泵浦光谐振腔光轴非共线，掺镁铌酸锂MgO:LiNbO₃晶体侧面与阵列硅棱镜耦合输出太赫兹波。本发明主要用于制作激光器。
文档编号H01S3/16GK101592845SQ200910069519
公开日2009年12月2日 申请日期2009年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者姚建铨, 徐德刚, 鹏 王, 王与烨, 凯 钟 申请人:天津大学