一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源的制作方法

本发明属于太赫兹波技术应用领域，具体涉及一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源。

背景技术：

太赫兹（Terahertz，简称THz，1THz=10¹²Hz）波是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波, 其波段介于毫米波和红外波之间。太赫兹波与其它电磁波段相比，有很多独特的性质：

1）太赫兹光子能量低，比X射线的光子能量弱10⁷-10⁸倍，因此太赫兹波不会对生物组织产生有害的光致电离和破坏，特别适合对生物组织进行活体检查。

2）太赫兹波可以穿透一些在可见光和红外波段不透明的非金属的、非极性的物质，如布料、木材、纸张和塑料等，可用来对已经包装的物品进行安全检查。

3）水分子对太赫兹波有强烈的吸收，在太赫兹成像技术中可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布以及植物叶片组织的水分含量分布等。

4）许多生物大分子例如氨基酸、毒品和炸药分子的振动和转动能级间的间距正好处于THz频率范围，从而为太赫兹光谱技术在分析和研究生物大分子的物理化学性质、反恐、缉毒等提供了相关理论依据。

5）脉冲太赫兹波的典型脉宽在皮秒数量级，不仅可以方便地对各种材料进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。

正是由于太赫兹波具有以上特殊性质，使得太赫兹波在宽带通信、雷达、电子对抗、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域具有广泛的应用前景。缺少的能够产生高功率、高质量、高效率的太赫兹波，且低成本并能在室温下运转的太赫兹源是目前面临的主要问题。目前太赫兹波的产生方法主要有电子学方法和光子学方法。电子学方法是一般将电磁辐射的波长从毫米波延伸到太赫兹波段，也就相当于一个频率变大的过程，但是当频率大于1THz时会遇到很大的障碍，以至于效率变的很低，同时电子学方法产生的太赫兹波辐射源体积庞大，限制了其在很多领域中的应用。而光子学方法其主要方向就是把可见光或者红外光向太赫兹波段转换。此方法的优势在于产生的太赫兹辐射源具有很高的相干性和方向性，但是现阶段产生的太赫兹波功率和效率都较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源，用以解决现有太赫兹波功率低、效率低等问题。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源，包括泵浦源、泵浦光全反射镜、前端谐振腔镜、后端谐振腔镜、第一扇形结构PPLN晶体、第二扇形结构PPLN晶体、滤波镜、第一差频光全反射镜、第二差频光全反射镜、第三差频光全反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜和第四抛物面镜；

从泵浦源出射的泵浦光经泵浦光全反射镜全反射后入射PPLN晶体光学参量振荡器。光学参量振荡器包括前端谐振腔镜、后端谐振腔镜、第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体，其中第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体沿X轴对称放置。采用0类相位匹配方式，泵浦光在第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体中经光学参量效应在近简并点处产生两束差频光，两束差频光的频率差在太赫兹波段；泵浦光、两束差频光的偏振方向均平行于Z轴；两束差频光在光学参量振荡器中放大并输出，经滤波镜反射后，再经第一差频光全反射镜反射后沿-X轴方向入射第二扇形结构PPLN晶体和第一扇形结构PPLN晶体；

沿-X轴传播的两束差频光在第一扇形结构PPLN晶体中可以满足前向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第一扇形结构PPLN晶体以及沿Y轴方向上下平移第一差频光全反射镜和第二差频光全反射镜来实现，产生的太赫兹波经第二抛物面镜耦合输出；

沿-X轴传播的两束差频光在第二扇形结构PPLN晶体中可以满足后向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第二扇形结构PPLN晶体以及沿Y轴方向上下平移第一差频光全反射镜和第二差频光全反射镜来实现，产生的太赫兹波经第一抛物面镜耦合输出；

两束差频光从第一扇形结构PPLN晶体出射后经第二差频光全反射镜和第三差频光全反射镜反射后再次沿+X轴方向入射第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体；沿+X轴传播的两束差频光在第一扇形结构PPLN晶体中可以满足后向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第一扇形结构PPLN晶体以及沿Y轴方向上下平移第三差频光全反射镜来实现，产生的太赫兹波经第三抛物面镜耦合输出；

沿+X轴传播的两束差频光在第二扇形结构PPLN晶体中可以满足前向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第二扇形结构PPLN晶体以及沿Y轴方向上下平移第三差频光全反射镜来实现，产生的太赫兹波经第四抛物面镜耦合输出。

所述泵浦源为Nd:YAG连续激光器，波长为1064nm，线宽在1MHz，功率为25W，泵浦光为线偏振光，偏振方向沿Z轴方向。

所述前端谐振腔镜对泵浦光高透射，对两束差频光全反射，后端谐振腔镜对泵浦光高透射，对差频光部分透射，前端谐振腔镜和后端谐振腔镜能沿Y轴方向上下移动。

所述第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体沿X轴对称放置，晶体光轴沿Z轴，第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体的尺寸为10mm（X轴）×20mm（Y轴）×5mm（Z轴），极化周期连续变化，极化周期最大值为110μm，极化周期最小值为5μm，能沿Y轴方向上下移动。

所述滤波镜对泵浦光45°角全透射，对两束差频光满足45°角全反射，滤波镜能沿Y轴方向上下移动。

所述第一差频光全反射镜、第二差频光全反射镜和第三差频光全反射镜对两束差频光满足45°角全反射，能沿Y轴方向上下移动以改变差频光经过第一扇形结构PPLN晶体和第二扇形结构PPLN晶体的位置。

所述第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜和第四抛物面镜中钻有一个小孔，满足两束差频光无损耗通过，满足对太赫兹波反射输出，能沿Y轴方向上下移动。

还包括泵浦光回收盒和差频光回收盒，泵浦光回收盒回收剩余的泵浦光，差频光回收盒回收剩余的差频光。

本发明一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源与现有的基于差频效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：

（1）两束差频光可以产生四束太赫兹波，有效提高差频光利用效率和太赫兹波量子转换效率。

（2）差频过程采用准相位匹配方式，两束差频光和太赫兹波共线相互作用，有效提高三波相互作用体积。

（3）在产生四束太赫兹波的同时，扇形结构PPLN晶体还能产生两束差频光，整个系统结构紧凑、且成本较低。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是光学参量过程和光学差频过程中能量守恒和相位匹配示意图。图中ω_p 、ω₁ 、ω₂ 、ω_T 分别为泵浦光λ_p 、差频光λ₁ 、差频光λ₂ 、THz波的角频率；K_p 、K₁ 、K₂、K_T 、K_Λ 分别为泵浦光λ_p 、差频光λ₁ 、差频光λ₂ 、THz波的波矢，K_Λ 为PPLN晶体极化周期的波矢。

图3是太赫兹波频率与PPLN晶体极化周期Λ之间的关系，图中假定λ₁为2.11μm。

其中，1是泵浦源；2是泵浦光全反射镜；3是前端谐振腔镜；4是后端谐振腔镜；5是第一扇形结构PPLN晶体；6是第二扇形结构PPLN晶体；7是滤波镜；8是第一差频光全反射镜；9是第二差频光全反射镜；10是第三差频光全反射镜；11是第一抛物面镜；12是第二抛物面镜；13是第三抛物面镜；14是第四抛物面镜；15是泵浦光回收盒；16是差频光回收盒。

具体实施方式

如附图1所示，一种双扇形晶体结构的光学差频太赫兹波辐射源，包括泵浦源1、泵浦光全反射镜2、前端谐振腔镜3、后端谐振腔镜4、第一扇形结构PPLN晶体5、第二扇形结构PPLN晶体6、滤波镜7、第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9、第三差频光全反射镜10、第一抛物面镜11、第二抛物面镜12、第三抛物面镜13和第四抛物面镜14；

从泵浦源1出射的泵浦光经泵浦光全反射镜2全反射后入射PPLN晶体光学参量振荡器。光学参量振荡器包括前端谐振腔镜3、后端谐振腔镜4、第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6，其中第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6沿X轴对称放置。采用0类相位匹配方式，泵浦光在第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6中经光学参量效应在近简并点处产生两束差频光，两束差频光的频率差在太赫兹波段；泵浦光、两束差频光的偏振方向均平行于Z轴；两束差频光在光学参量振荡器中放大并输出，经滤波镜7反射后，再经第一差频光全反射镜8反射后沿-X轴方向入射第二扇形结构PPLN晶体6和第一扇形结构PPLN晶体5；

沿-X轴传播的两束差频光在第一扇形结构PPLN晶体5中可以满足前向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第一扇形结构PPLN晶体5以及沿Y轴方向上下平移第一差频光全反射镜8和第二差频光全反射镜9来实现，产生的太赫兹波经第二抛物面镜12耦合输出；

沿-X轴传播的两束差频光在第二扇形结构PPLN晶体6中可以满足后向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第二扇形结构PPLN晶体6以及沿Y轴方向上下平移第一差频光全反射镜8和第二差频光全反射镜9来实现，产生的太赫兹波经第一抛物面镜11耦合输出；

两束差频光从第一扇形结构PPLN晶体5出射后经第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10反射后再次沿+X轴方向入射第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6；沿+X轴传播的两束差频光在第一扇形结构PPLN晶体5中可以满足后向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第一扇形结构PPLN晶体5以及沿Y轴方向上下平移第三差频光全反射镜10来实现，产生的太赫兹波经第三抛物面镜13耦合输出；

沿+X轴传播的两束差频光在第二扇形结构PPLN晶体6中可以满足前向光学差频效应产生太赫兹波，此过程中需要的极化周期长度可以通过沿Y轴方向上下平移第二扇形结构PPLN晶体6以及沿Y轴方向上下平移第三差频光全反射镜10来实现，产生的太赫兹波经第四抛物面镜14耦合输出。

泵浦源1为Nd:YAG连续激光器，波长为1064nm，线宽在1MHz，功率为25W，泵浦光为线偏振光，偏振方向沿Z轴方向。

前端谐振腔镜3对泵浦光高透射，对两束差频光全反射，后端谐振腔镜4对泵浦光高透射，对差频光部分透射，前端谐振腔镜3和后端谐振腔镜4能沿Y轴方向上下移动。

第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6沿X轴对称放置，晶体光轴沿Z轴，第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6的尺寸为10mm（X轴）×20mm（Y轴）×5mm（Z轴），极化周期连续变化，极化周期最大值为110μm，极化周期最小值为5μm，能沿Y轴方向上下移动。

滤波镜7对泵浦光45°角全透射，对两束差频光满足45°角全反射，滤波镜7能沿Y轴方向上下移动。

第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10对两束差频光满足45°角全反射，能沿Y轴方向上下移动以改变差频光经过第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6的位置。

第一抛物面镜11、第二抛物面镜12、第三抛物面镜13和第四抛物面镜14中钻有一个小孔，满足两束差频光无损耗通过，满足对太赫兹波反射输出，能沿Y轴方向上下移动。

还包括泵浦光回收盒15和差频光回收盒16，泵浦光回收盒15回收剩余的泵浦光，差频光回收盒16回收剩余的差频光。

光学参量振荡相位匹配条件为：，见附图2所示。光学参量振荡相位匹配条件要求的极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移泵浦光全反射镜2来实现。

前向光学差频效应，其相位匹配条件满足：，见附图2所示。前向光学差频效应相位匹配条件要求的极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6以及通过沿Y轴上下平移第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10来实现。

后向光学差频效应，其相位匹配条件满足：，见附图2所示。后向光学差频效应相位匹配条件要求的极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6以及通过沿Y轴上下平移第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10来实现。

本实施例采用的泵浦光全反射镜2对1064nm泵浦光全反射。

本实施例中光学参量振荡相位匹配条件为：，见附图2所示。泵浦光波长为1064nm，偏振方向平行于Z轴。泵浦光经光学参量振荡产生的差频光λ₁的波长为2.11μm，产生的差频光λ₂的波长为2.146μm，对应太赫兹波的频率为2.4THz。差频光λ₁和差频光λ₂的偏振方向都平行于Z轴。根据相位匹配条件要求泵浦光经过第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6的极化周期为32.37μm，此极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移泵浦光全反射镜2来实现。

本实施例采用的前端谐振腔镜3对1064nm泵浦光高透射，对波长为2.11μm差频光λ₁和波长为2.146μm的差频光λ₂全反射。本实施例采用的后端谐振腔镜4对1064nm泵浦光高透射，对波长为2.11μm差频光λ₁和波长为2.146μm的差频光λ₂透过率为30%。

本实施例中滤波镜7满足对1064nm泵浦光45°角全透射，对波长为2.11μm差频光λ₁和波长为2.146μm的差频光λ₂满足45°角全反射，滤波镜能沿Y轴方向上下移动。

本实施例中前向光学差频效应，其相位匹配条件满足：，见附图2所示。差频光λ₁的波长为2.11μm，差频光λ₂的波长为2.146μm，对应太赫兹波的频率为2.4THz，前向光学差频效应要求PPLN晶体的极化周期为42.07μm，如附图3所示。此极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6以及通过沿Y轴上下平移第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10来实现。

本实施例中后向光学差频效应，其相位匹配条件满足：，见附图2所示。差频光λ₁的波长为2.11μm，差频光λ₂的波长为2.146μm，对应太赫兹波的频率为2.4THz，后向光学差频效应要求PPLN晶体的极化周期为17.1μm，如附图3所示。此极化周期数值可以通过沿Y轴上下平移第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6以及通过沿Y轴上下平移第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10来实现。

本实施例中第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10满足对波长为2.11μm差频光λ₁和波长为2.146μm的差频光λ₂满足45°角全反射，第一差频光全反射镜8、第二差频光全反射镜9和第三差频光全反射镜10能沿Y轴方向上下移动以改变第一扇形结构PPLN晶体5和第二扇形结构PPLN晶体6的位置。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。