一种高效率太赫兹波参量振荡器的制作方法

本发明涉及一种高效率太赫兹波参量振荡器，属于太赫兹波技术应用领域。

背景技术：

太赫兹（thz）波，是指频率处于0.1-10thz，1thz=10¹²hz范围内的电磁波，位于毫米波与红外波之间。太赫兹波在光谱检测、成像、遥感、通信、生物医学、军事等方面都有广阔的应用前景。截止目前，尚乏高功率、高效率、相干、可调谐、小型化、室温运转的太赫兹辐射源。gap晶体具有极大的二阶非线性系数，而且gap晶体对太赫兹波的吸收系数较小，所以以周期反转gap晶体为增益介质，通过光学参量效应可以产生高功率太赫兹波。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高效率太赫兹波参量振荡器，用以解决现有太赫兹辐射源功率低、效率低等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效率太赫兹波参量振荡器，其特征在于：包括泵浦源和周期反转gap晶体，周期反转gap晶体包括第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体和第四周期反转gap晶体，在第一周期反转gap晶体与泵浦源之间由前向后依次设置第一反射镜、第二反射镜和第一谐振腔镜，在第一周期反转gap晶体一侧设置第二谐振腔镜；

泵浦源发出的泵浦光经第一反射镜和第二反射镜后，部分通过第一谐振腔镜后垂直入射第一周期反转gap晶体后，在第一周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第二周期反转gap晶体，泵浦光在第二周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第三周期反转gap晶体，泵浦光在第三周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第四周期反转gap晶体，泵浦光在第四周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第一周期反转gap晶体，形成泵浦光的第一个循环周期；泵浦光垂直入射第一周期反转gap晶体，在第一周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第二周期反转gap晶体，泵浦光在第二周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第三周期反转gap晶体，泵浦光在第三周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第四周期反转gap晶体，泵浦光在第四周期反转gap晶体的反射面发生全反射后垂直进入第一周期反转gap晶体，形成泵浦光的第二个循环周期；以此类推，泵浦光在第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体和第四周期反转gap晶体之间循环n个周期，n为正整数，直至泵浦光在第四周期反转gap晶体的反射面发生全反射后不再入射第一周期反转gap晶体，而入射第二谐振腔镜，循环结束，泵浦光垂直入射第二谐振腔镜后发生全反射，沿原路返回；

泵浦光传播的平面为x轴和y轴所确定的平面，z轴垂直于光束传播的平面，x轴与泵浦源出射的泵浦光的方向平行，且泵浦源出射的泵浦光的方向为x轴正向；

沿x轴方向往返传播的泵浦光在第一周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第一太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第一太赫兹波垂直于第一周期反转gap晶体的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光在第一周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第一太赫兹波；产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第一太赫兹波垂直于第一周期反转gap晶体的全反射面出射，在泵浦光的n个循环周期内，在第一周期反转gap晶体中产生n束第一太赫兹波；

沿x轴方向往返传播的泵浦光在第二周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第二太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第二太赫兹波垂直于第二周期反转gap晶体的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光在第二周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第二太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第二太赫兹波垂直于第二周期反转gap晶体的全反射面出射，在泵浦光的n个循环周期内，在第二周期反转gap晶体中产生n束第二太赫兹波；

沿x轴方向往返传播的泵浦光在第三周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第三太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第三太赫兹波垂直于第三周期反转gap晶体的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光在第三周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第三太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第三太赫兹波垂直于第三周期反转gap晶体的全反射面出射，在泵浦光的n个循环周期内，在第三周期反转gap晶体中产生n束第三太赫兹波；

沿x轴方向往返传播的泵浦光在第四周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第四太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第四太赫兹波垂直于第四周期反转gap晶体的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光在第四周期反转gap晶体的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光和第四太赫兹波，产生的stokes光与泵浦光共线传播，产生的第四太赫兹波垂直于第四周期反转gap晶体的全反射面出射，在泵浦光的n个循环周期内，在第四周期反转gap晶体中产生n束第四太赫兹波。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，所述第一谐振腔镜对泵浦光部分透射，第二谐振腔镜对泵浦光全反射，第一谐振腔镜、第二谐振腔镜均对stokes光全反射，构成stokes光的谐振腔。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，所述第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体和第四周期反转gap晶体在x-y平面均为等腰直角三角形；第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体和第四周期反转gap晶体的反射面均镀泵浦光和stokes光的全反射膜；第一周期反转gap晶体和第三周期反转gap晶体的周期极化波矢方向在x-y平面二、四象限与x轴成45°夹角，第二周期反转gap晶体、第四周期反转gap晶体的周期极化波矢方向在x-y平面一、三象限与x轴成45°夹角；第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体和第四周期反转gap晶体的反转周期均相等；第四周期反转gap晶体的位置在y轴方向上低于第一周期反转gap晶体的位置，保证从谐振腔镜出发的泵浦光恰好不经过第四周期反转gap晶体而直接垂直入射至第一周期反转gap晶体。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，沿x轴方向往返传播的泵浦光产生的第一太赫兹波与沿y轴方向往返传播的泵浦光产生的第一太赫兹波传播方向相同且频率相等。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，沿x轴方向往返传播的泵浦光产生的第二太赫兹波与沿y轴方向往返传播的泵浦光产生的第二太赫兹波传播方向相同且频率相等。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，沿x轴方向往返传播的泵浦光产生的第三太赫兹波与沿y轴方向往返传播的泵浦光产生的第三太赫兹波传播方向相同且频率相等。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，沿x轴方向往返传播的泵浦光产生的第四太赫兹波与沿y轴方向往返传播的泵浦光产生的第四太赫兹波传播方向相同且频率相等。

上述高效率太赫兹波参量振荡器，所述stokes光的波长均相等，所述第一太赫兹波、第二太赫兹波、第三太赫兹波、第四太赫兹波的频率均相等。

本发明一种高效率太赫兹波参量振荡器与现有的基于光学参量效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：

1.一束泵浦光可以产生多束太赫兹波，光学转换效率有效增加。

2.在光学参量过程中，stokes光和泵浦光可以循环使用，有效提高泵浦光利用效率。

3.太赫兹波垂直于周期反转gap晶体出射，不需要任何耦合输出装置，有效减小太赫兹波输出损耗。

4.泵浦光和stokes光共线相互作用，有效增加泵浦光、stokes光和太赫兹波之间相互作用体积。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理图。

图2为周期反转gap晶体中泵浦光、stokes光和太赫兹波相位匹配示意图。图中kp、ks、kt分别为泵浦光、stokes光、太赫兹波的波矢，kλ为周期反转gap晶体的周期极化波矢。图中8、9、10、11分别表示图1中的第一周期反转gap晶体、第二周期反转gap晶体、第三周期反转gap晶体、第四周期反转gap晶体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种高效率太赫兹波参量振荡器实施例的结构原理图。由图可知，该太赫兹辐射源包括：泵浦源1，第一反射镜3、第二反射镜4，第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6，第一周期反转gap晶体8、第二周期反转gap晶体9、第三周期反转gap晶体10、第四周期反转gap晶体11。

本实施例采用的泵浦源1为准连续激光器，波长为536.5nm，脉冲宽度为30ns，重复频率为100khz，功率密度为50mw/cm²。

泵浦源1发出的泵浦光2经第一反射镜3、第二反射镜4反射后，部分通过第一谐振腔镜5后垂直入射第一周期反转gap晶体8，在第一周期反转gap晶体8的反射面发生全反射后垂直进入第二周期反转gap晶体9，泵浦光2在第二周期反转gap晶体9的反射面发生全反射后垂直进入第三周期反转gap晶体10，泵浦光2在第三周期反转gap晶体10的反射面发生全反射后垂直进入第四周期反转gap晶体11，泵浦光2在第四周期反转gap晶体11的反射面发生全反射后垂直进入第一周期反转gap晶体8，形成泵浦光2的第1个循环周期。第一个循环周期出来的泵浦光2垂直入射第一周期反转gap晶体8，在第一周期反转gap晶体8的反射面发生全反射后垂直进入第二周期反转gap晶体9，泵浦光2在第二周期反转gap晶体9的反射面发生全反射后垂直进入第三周期反转gap晶体10，泵浦光2在第三周期反转gap晶体10的反射面发生全反射后垂直进入第四周期反转gap晶体11，泵浦光2在第四周期反转gap晶体11的反射面发生全反射后垂直进入第一周期反转gap晶体8，形成泵浦光2的第2个循环周期。以此类推，泵浦光2在第一周期反转gap晶体8、第二周期反转gap晶体9、第三周期反转gap晶体10和第四周期反转gap晶体11之间循环n个周期，n为正整数，直至泵浦光2在第四周期反转gap晶体11的反射面发生全反射后不再入射第一周期反转gap晶体8，而入射第二谐振腔镜6，循环结束。泵浦光2垂直入射第二谐振腔镜6后发生全反射，沿原路返回。泵浦光2、stokes光7、第一太赫兹波12、第二太赫兹波13、第三太赫兹波14、第四太赫兹波15之间的相位匹配情况如图2所示。

沿x轴方向往返传播的泵浦光2在第一周期反转gap晶体8的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第一太赫兹波12，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第一太赫兹波12垂直于第一周期反转gap晶体8的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光2在第一周期反转gap晶体8的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第一太赫兹波12，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第一太赫兹波12垂直于第一周期反转gap晶体8的全反射面出射。沿x轴方向往返传播的泵浦光2产生的第一太赫兹波12与沿y轴方向往返传播的泵浦光2产生的第一太赫兹波12传播方向相同且频率相等。在泵浦光2的n个循环周期内，可以在第一周期反转gap晶体8中产生n束第一太赫兹波12。

沿x轴方向往返传播的泵浦光2在第二周期反转gap晶体9的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第二太赫兹波13，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第二太赫兹波13垂直于第二周期反转gap晶体9的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光2在第二周期反转gap晶体9的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第二太赫兹波13，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第二太赫兹波13垂直于第二周期反转gap晶体9的全反射面出射；沿x轴方向往返传播的泵浦光2产生的第二太赫兹波13与沿y轴方向往返传播的泵浦光2产生的第二太赫兹波13传播方向相同且频率相等。在泵浦光2的n个循环周期内，可以在第二周期反转gap晶体9中产生n束第二太赫兹波13。

沿x轴方向往返传播的泵浦光2在第三周期反转gap晶体10的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第三太赫兹波14，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第三太赫兹波14垂直于第三周期反转gap晶体10的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光2在第三周期反转gap晶体10的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第三太赫兹波14，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第三太赫兹波14垂直于第三周期反转gap晶体10的全反射面出射；沿x轴方向往返传播的泵浦光2产生的第三太赫兹波14与沿y轴方向往返传播的泵浦光2产生的第三太赫兹波14传播方向相同且频率相等。在泵浦光2的n个循环周期内，可以在第三周期反转gap晶体10中产生n束第三太赫兹波14。

沿x轴方向往返传播的泵浦光2在第四周期反转gap晶体11的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第四太赫兹波15，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第四太赫兹波15垂直于第四周期反转gap晶体11的全反射面出射；沿y轴方向往返传播的泵浦光2在第四周期反转gap晶体11的全反射点通过准相位匹配光学参量效应产生stokes光7和第四太赫兹波15，产生的stokes光7与泵浦光2共线传播，产生的第四太赫兹波15垂直于第四周期反转gap晶体11的全反射面出射；沿x轴方向往返传播的泵浦光2产生的第四太赫兹波15与沿y轴方向往返传播的泵浦光2产生的第四太赫兹波15传播方向相同且频率相等。在泵浦光2的n个循环周期内，可以在第四周期反转gap晶体11中产生n束第四太赫兹波15。

本实施例采用的第一反射镜3、第二反射镜4、第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6皆为平面镜。第一反射镜3、第二反射镜4对波长为536.5nm的泵浦光2全反射。第一谐振腔镜5对泵浦光2透过率为50%，第二谐振腔镜6对泵浦光2全反射。第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6对stokes光7全反射，构成stokes光7的谐振腔。

一种高效率太赫兹波参量振荡器，所述第一周期反转gap晶体8、第二周期反转gap晶体9、第三周期反转gap晶体10、第四周期反转gap晶体11在x-y平面为等腰直角三角形，直角边边长为1.5cm。第一周期反转gap晶体8、第二周期反转gap晶体9、第三周期反转gap晶体10、第四周期反转gap晶体11的反射面镀全反射膜，反射膜对波长范围在520-560nm的泵浦光2和stokes光7全反射。第一周期反转gap晶体8、第三周期反转gap晶体10的周期极化波矢方向在x-y平面二、四象限与x轴成45°夹角，第二周期反转gap晶体9、第四周期反转gap晶体11的周期极化波矢方向在x-y平面一、三象限与x轴成45°夹角。第一周期反转gap晶体8、第二周期反转gap晶体9、第三周期反转gap晶体10、第四周期反转gap晶体11的反转周期相等，均等于28.81μm。第四周期反转gap晶体11的位置在y轴方向上低于第一周期反转gap晶体8的位置，保证从第一谐振腔镜5出发的泵浦光2恰好不经过第四周期反转gap晶体11而直接垂直入射至第一周期反转gap晶体8。

本实施例中，stokes光7的波长均相等，均等于536.98nm。所述第一太赫兹波12、第二太赫兹波13、第三太赫兹波14、第四太赫兹波15的频率均相等，均等于0.5thz。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。