一种同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置

1.本发明属于中红外激光技术领域，具体涉及同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置。


背景技术：

2.3~5μm中红外波段激光处于大气窗口区、高温物体热辐射能量集中区及水分子强吸收区，在遥感探测、光电对抗及医疗诊断等领域有着十分重要的应用。与普通波长固定的单峰中红外激光相比，多峰、宽谱及宽调谐中红外激光在一些特殊场合有着更为重要的应用，譬如太赫兹产生，cars光谱测温技术、相干脉冲合成、量子光学、多组分气体同步检测等，因此中红外激光光源的光谱调控技术一直以来都是非线性变频领域中的研究热点。中红外波段激光主要应用在以下领域：（1）光谱分析中红外3-5 μm波段被称为分子的“指纹谱”，该波段峰多且复杂，涵盖了大部分分子的吸收谱线，甲烷、乙烷、丙烷、氯化氢、硫化氢、氟化氢、水蒸气等气体可以用中红外波段检测。因此该波段激光可以更广泛的探测大气成分、大气污染、生化毒剂以及臭氧、水蒸气分布等。
3.（2）医疗诊断中红外波段包含了水的吸收峰，辐射生物组织时，组织内部水分子迅速吸收激光能量，瞬间达到汽化温度并受热分解，生物组织汽化带走了大部分热量，因此减少了对周围组织的光化学解离消融作用，从而高精度的消融了病变组织，并大大降低了致突变的风险。
4.（3）光电对抗在科技高速发展的现代，在战争中掌握精准打击和反精准打击的对抗技术已经成为作战制胜的关键。通过利用激光对敌方的光电设备或危险目标进行快速精准定位制导摧毁目标，这种作战方式具有高隐蔽性、攻击性以及高精度攻击等特性，特别是通过成像、凝视、多波段复合制导技术手段研制的第四代红外制导导弹，在制导灵敏度和抗干扰能力有突出优势，可以更远更精确的攻击目标。
5.基于晶体非线性频率变换技术实现的光学参量振荡器（optical parametric oscillator，opo）具有调谐范围宽，转换效率高，光束质量好，结构紧凑灵活，谱宽选择度高等诸多优点，是目前实现中红外波段激光输出的重要手段之一，获得了业界的青睐并成为了研究热点。由于opo采用了谐振腔结构，存在阈值的限制，并且对气体检测而言，其单频控制方面有待提高。近年来，基于差频产生的中红外光源，由于具有结构简单、调谐方便、室温运转和无值限制等优良特性，受到了广泛的关注。随着准相位匹配(qpm)技术及各种新型周期性极化非线性品体的应用，中红外dfg光源发展迅速，已成为当前气体光谱检测的主流光源。


技术实现要素：

6.本发明提供一种同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置，在通过级联光学差频作用，在产生太赫兹波的同时，可以产生可调谐激光，可以使级联光中各阶级联光的能量聚集在中红外频率处。
7.本发明的目的是以下述方式实现的：一种同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置，包括第一泵浦源和第二泵浦源，第一appln晶体，第二appln晶体，合束镜，相位延迟系统以及用于改变光路的第五反射镜，第一抛物面镜，第二抛物面镜；从第一泵浦源出射的第一泵浦光进入合束镜；从第二泵浦源出射的第二泵浦光经过相位延迟系统与第五反射镜后进入合束镜；第一泵浦光与第二泵浦光在合束镜中合为一束第一混频光；第一混频光直接或者经过望远镜系统后入射到第一appln晶体中，第一混频光中的第一泵浦光与第二泵浦光在第一appln晶体中通过级联光学差频效应产生第二混频光；第二混频光中的太赫兹波经过第一抛物面镜后反射射出，第二混频光中的多阶级联光经过第一抛物面镜后透射，然后入射至第二appln晶体中，经过级联光学差频得到第三混频光，第三混频光经第二抛物面镜分为中红外激光和第四混频光，经过第二抛物面镜反射得到第四混频光，经过第二抛物面镜透射得到红外激光；第一泵浦光和第二泵浦光的频率差为0.5-2 thz；光束传播的平面为x轴和y轴所确定的平面，z轴垂直于光束传播的平面；从第一泵浦源出射的第一泵浦光与从第二泵浦源出射的第二泵浦光的初始传播方向均与为x轴正向，第一混频光、第二混频光、多阶级联光、第三混频光以及中红外激光的传播方向均为x轴正向，太赫兹波与第四混频光的传播方向为y轴正向；第一泵浦光与第二泵浦光的偏振方向均为z轴。
8.相位延迟系统由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成；从第二泵浦源出射的第二泵浦光依次经过由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成的相位延迟系统，然后经第五反射镜改变光路后入射进入合束镜。
9.所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜、第五反射镜均为平面镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜对第二泵浦光全反射；第一抛物面镜对多阶级联光高透射，对太赫兹波全反射；第二抛物面镜对中红外激光高透射，对第四混频光全反射。
10.第一抛物面镜对多阶级联光的透射率为99.9%，第二抛物面镜对中红外激光22的透射率为99.9%。
11.所述第一appln晶体和第二appln晶体均为长方体，在x-y平面内为矩形，晶体的长度方向与x轴正向一致，晶体的光轴沿z轴；第一appln晶体和第二appln晶体为非周期极化晶体；第一appln晶体的非周期极化分布沿晶体长度从第1阶红移到n阶红移的相位失配逐阶等于0，n阶是大于一阶小于{（第一泵浦光的频率-60thz）/太赫兹波的频率}阶的范围内的任意一阶；第二appln晶体的非周期极化分布沿晶体长度从第m阶红移到k阶红移的相位失配逐阶等于0，k阶是大于m阶小于{（第一泵浦光的频率-60thz）/太赫兹波的频率}阶的范围内的任意一阶；其中第m阶差频包含的两束差频光为多阶级联光中能量最大的级联光以及与其相邻的频率较小的级联光。
12.所述多阶级联光是多个频率的级联光混合的一种混频光，且它们共线传播；多阶级联光中相邻阶级联光的频率差等于第一泵浦光与第二泵浦光之间的频率差。
13.所述第四混频光包含第一混频光和anti-stokes光。
14.相对于现有技术，本发明提供的一种同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置是基于非线性光学频率变换技术同时产生太赫兹波和可调谐激光的。改变第一appln晶体的晶体长度以及非周期极化分布得到不同强度的太赫兹波与能量分布不同的多阶级联光组成的第二混频光，相应的改变第二appln晶体的晶体长度得到可调谐激光。与现有的产生中红外激光的装置相比，通过设置第一appln晶体和第二appln晶体的极化周期，可以使各阶级联光的能量聚集在中红外激光，具有光学转换效率高的优点。
附图说明
15.图1是本发明的结构原理图。
16.图2(a) 是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5 mm时的多阶级联光17的能量强度分布图。
17.图2(b) 是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5 mm，第二appln晶体长度为67.9 mm时的红外激光22的能量强度分布图。
18.图2(c)是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5 mm时的第一appln晶体的极化周期分布图。
19.图3(a)是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5.5 mm时的多阶级联光17的能量强度分布图。
20.图3(b)时当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5.5 mm，第二appln晶体长度为46.8 mm时的红外激光22的能量强度分布图。
21.图3(c)是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为5.5 mm时的第一appln晶体的极化周期分布图。
22.图4(a)是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为6 mm时的多阶级联光17的能量强度分布图。
23.图4 (b) 两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为6 mm，第二appln晶体长度为43.1 mm时的红外激光22的能量强度分布图。
24.图4(c)是当两个泵浦源的功率密度分别为300 mw/cm2，第一appln晶体长度为6 mm时的第一appln晶体的极化周期分布图。
25.图5是产生的太赫兹波16的强度图。
具体实施方式
26.以下将结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据下述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，本技术使用的技术术语应当为本发明所述技术人员所理解的通常意义。
27.如附图1所示，一种同时产生太赫兹波和可调谐激光的装置，包括第一泵浦源1和第二泵浦源3，第一appln晶体13，第二appln晶体18，合束镜10，望远镜系统12、相位延迟系统以及用于改变光路的第五反射镜9，第一抛物面镜15，第二抛物面镜20。
28.从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2进入合束镜10；从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4经过由相位延迟系统与第五反射镜9后进入合束镜10；第一泵浦光2与第二泵浦光4在合束镜10中合为一束第一混频光11；第一混频光11直接或经过望远镜系统12后入射到第一appln晶体13中，第一混频光11中的第一泵浦光2与第二泵浦光4在第一appln晶体13中通过级联光学差频效应产生第二混频光14；第二混频光14中的太赫兹波16经过第一抛物面镜15后反射，第二混频光14中的多阶级联光17经过第一抛物面镜15后透射，然后入射至第二appln晶体18中，经过级联光学差频得到第三混频光19，第三混频光19经第二抛物面镜20分为中红外激光22和第四混频光21，经过第二抛物面镜20反射得到第四混频光21，经过第二抛物面镜20透射得到红外激光22；第一泵浦光2和第二泵浦光4的频率差可以为0.5-2 thz。
29.具体的本实施例中，第一泵浦光2和第二泵浦光4的频率差为0.5 thz；光束传播的平面为x轴和y轴所确定的平面，z轴垂直于光束传播的平面。从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2与从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4的初始传播方向均与为x轴正向，第一混频光11、第二混频光14、多阶级联光17、第三混频光19以及中红外激光22的传播方向均为x轴正向，太赫兹波16与第四混频光21的传播方向为y轴正向。第一泵浦光2与第二泵浦光4的偏振方向均为z轴。多阶级联光17中相邻阶级联光的频率差等于第一泵浦光2与第二泵浦光4之间的频率差。
30.一个泵浦光通过相位延时系统的目的是为了使两个泵浦光相位同步。
31.相位延迟系统由第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7和第四反射镜8组成；从第二泵浦源3出射的第二泵浦光4经过由第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7和第四反射镜8组成的相位延迟系统，通过第五反射镜9改变光路后进入合束镜10。泵浦光通过相位延迟系统不改变光的传播方向，泵浦光可以通过不止一个相位延时系统。
32.本实施例中，第一泵浦源1采用yb:yag脉冲激光器，第一泵浦光2的频率为291.26 thz，第二泵浦源3采用yb:yag脉冲激光器，第二泵浦光4的频率为290.76 thz。上述两个泵浦光的泵浦功率密度均为500 mw/cm2，重复频率均为10 hz，光束直径均为1 mm，偏振方向均为z轴。
33.所述第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7和第四反射镜8、第五反射镜9均为平面镜；第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8和第五反射镜9对第二泵浦光4全反射；第一抛物面镜15对多阶级联光17高透射，对太赫兹波16全反射；第二抛物面镜20对中红外激光22高透射，对第四混频光21全反射。
34.具体的本实施例中，第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8与第五反射镜9均为平面镜；第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8与第五反射镜9对第二泵浦光4全反射。第一抛物面镜15对多阶级联光17高透射，透射率为99.9%，对太赫兹波16全反射。第二抛物面镜20对中红外激光22高透射，透射率为99.9%，，对第四混频光21全反射。
35.所述第一appln晶体13和第二appln晶体18均为长方体，在x-y平面内为矩形，晶体的长度方向与x轴正向一致，晶体的光轴沿z轴；第一appln晶体13和第二appln晶体18为非周期极化晶体；第一appln晶体13的非周期极化分布沿晶体长度从第1阶红移到第n阶红移的相位失配逐阶等于0，n阶是大于一阶小于{（第一泵浦光的频率-60thz）/太赫兹波的频
率}阶的范围内的任意一阶；第二appln晶体18的非周期极化分布沿晶体长度从第m阶红移到k阶红移的相位失配逐阶等于0，k阶是大于m阶小于{（第一泵浦光的频率-60thz）/太赫兹波的频率}阶的范围内的任意一阶；其中第m阶差频包含的两束差频光为多阶级联光14中能量最大的级联光以及与其相邻的频率较小的级联光，这里的频率较小是指与其相邻的级联光，因为作为任一级联光，都有与其相邻的两个级联光，一个频率大于该级联光，一个频率小于该级联光，因此在确定了能量最大的级联光后，相邻且频率较小的光就同时确定了。红移现象是指频率降低，波长变长的现象。
36.本实施例中，第一appln晶体13和appln-3晶体18均为非周期极化晶体，其形状均为长方体，在x-y平面内为矩形，晶体的光轴均沿z轴。第一appln晶体13在y
×
z轴上的尺寸为5mm
×
2mm，晶体的长度方向与x轴正向一致，第二appln晶体18在y
×
z轴上的尺寸为5mm
×
2mm，晶体的长度方向与x轴正向一致。
37.本实施例中，改变第一appln晶体13的晶体长度以及非周期极化分布得到不同强度的太赫兹波16与能量分布不同的多阶级联光17组成的第二混频光14，相应的改变第二appln晶体18的晶体长度得到可调谐激光。
38.本实施例中，使用望远镜系统的目的是缩束到0.5 mm，缩束的目的是为了使泵浦光完全通过后面的装置，当不需要缩束时，可以不使用望远镜系统。
39.本实施例中，晶体长度方向为沿x轴正方向：（1）当设置第一appln晶体13在x轴上的长度为5 mm，极化周期如附图2(c)所示，从237.14 μm减小到236.15 μm，即第一appln晶体13的非周期极化分布沿晶体长度从第1阶红移到50阶红移的相位失配逐阶等于0；此时产生的多阶级联光17的能量分布如附图2(a)所示，产生的太赫兹波16如附图5所示为18.24 mw/cm2，在设置第二appln晶体18在x轴上的长度为67.9 mm时，产生的中红外激光22如附图2(b)所示，此时能量均聚集在285.76 thz处，即第二appln晶体18的非周期极化分布沿晶体长度从第11阶红移到112阶红移的相位失配逐阶等于0；（2）当设置第一appln晶体13在x轴上的长度为5.5 mm，极化周期如附图3(c)所示，从237.14 μm减小到236.07 μm，即第一appln晶体13的非周期极化分布沿晶体长度从第1阶红移到55阶红移的相位失配逐阶等于0；此时产生的多阶级联光17的能量分布如附图3(a)所示，产生的太赫兹波16如附图5所示为21.34 mw/cm2，在设置第二appln晶体18在x轴上的长度为46.8 mm时，产生的中红外激光22如附图3(b)所示，此时能量均聚集在282.26 thz处，即第二appln晶体18的非周期极化分布沿晶体长度从第19阶红移到120阶红移的相位失配逐阶等于0；（3）当设置第一appln晶体13在x轴上的长度为6 mm，极化周期如附图4(c)所示，从237.14 μm减小到235.97 μm，即第一appln晶体13的非周期极化分布沿晶体长度从第1阶红移到60阶红移的相位失配逐阶等于0；此时产生的多阶级联光17的能量分布如附图4(a)所示，产生的太赫兹波16如附图5所示为26.45 mw/cm2，在设置第二appln晶体18在x轴上的长度为43.1 mm时，产生的中红外激光22如附图4(b)所示，此时能量均聚集在280.26 thz处，即第二appln晶体18的非周期极化分布沿晶体长度从第24阶红移到125阶红移的相位失配逐阶等于0。
40.以上所述的实施例仅是对于本发明技术方案的举例和说明，便于本领域技术人员
理解本技术的技术方案，而不是全部的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明的基本思路在于上述基本方案，对于本领域的及任何熟悉本技术领域的技术人员来说，在不脱离发明整体构思和本发明的原理的精神的前提下，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、等同替换和变型，这些也应该视为本发明的保护范围。