一种产生正交偏振太赫兹波的装置

1.本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种产生正交偏振太赫兹波的装置。


背景技术：

2.太赫兹波（terahertz，简称thz），是指频率在0.1-10thz（1thz＝10
12
hz）范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和红外线之间，是光子学与电子学、宏观理论向微观理论的过渡区域。太赫兹波所处的特殊位置使其在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹波主要应用在以下领域：（1）成像领域thz波成像与普通光学图像或x射线图像不同，脉冲thz波图像中的每个像素包含整个thz波形，而不仅仅是光束的强度。thz波形的傅里叶变换还可以提取该像素的光谱信息。因此，thz波成像不仅通过其轮廓识别目标，而且还获得目标的复合信息。
3.（2）生物医学技术领域由于thz波段的“指纹”特性使得与介质相互作用时包含丰富的物理和化学信息，而低能性保证其可以应用于生物医学成像等领域。由于thz光源由不同的复合偏振的光波组成，可以通过不同的偏振光对介质进行采集信息以获得病理组织更确切的诊断信息，因此thz波对癌症的临床诊断和治疗具有重大作用。
4.（3）无损检测领域thz 波的穿透性能够很好的应用于无损探伤和thz 成像领域。利用thz 时域光谱技术实现在非接触和非破坏的条件下，可以穿透衣服、纸箱、塑料等非极性电介质材料，因此可以探测介质的化学性质，提供储粮害虫在太赫兹波段的新的生物特征信息和鉴别依据，建立与其他检测技术优势互补的鉴别和研究的新方法，从而快捷方便检测储粮害虫及其种类，对储粮害虫虫情调查和监测，加速口岸害虫快速检测检疫和粮库中储粮害虫的准确检测具有重要实践意义。
5.（4）通信领域thz波带宽较宽、方向性好、传输速率高，所以在空间高速通信和雷达的应用中具有很大的潜力，具有军民结合、均衡协同发展的应用前景。由于thz波对水分子较为敏感，所以在大气中传输可以实现保密通讯。而相比于可见光和红外线，thz波由于波长长具有更好的方向性，使得其能够在云雾中以极高的带宽实现空间通信。
6.（5）国土安全领域thz 波方向性好，波束窄，具有较强的云层、烟雾穿透能力，在军事应用中，导弹末端精确制导采用 thz 波进行修正提高制导精准度，具有极高的军事应用价值。
7.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。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种产生正交偏振太赫兹波的装置，可以同时产生两个频率相等、偏振方向正交垂直的太赫兹波，提高太赫兹波转换效率。
9.本发明的目的是以下述方式实现的：一种产生正交偏振太赫兹波的装置，包括泵浦源，afb-ktp晶体，pigap晶体，第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、抛物面镜；从泵浦源出射的泵浦光通过第一谐振腔镜入射到afb-ktp晶体中，产生第一混频光；第一混频光包含泵浦光、两束信号光λ1和λ2、两束闲频光λ3和λ4；第一混频光入射至pigap晶体中，λ1、λ2在pigap晶体中经级联光学差频效应产生第一组级联光与第一太赫兹波，λ3、λ4在pigap晶体中经级联光学差频效应产生第二组级联光与第二太赫兹波；第一太赫兹波与第二太赫兹波合为一束太赫兹波；上述两组级联光、太赫兹波与泵浦光混合为第二混频光；第二混频光中的太赫兹波经抛物面镜反射出去，第二混频光中两组级联光与泵浦光组成第三混频光，第三混频光穿过抛物面镜入射至第二谐振腔镜；第一组级联光在由第一谐振腔镜、第二谐振腔镜组成的谐振腔中往返振荡，第二组级联光与泵浦光组成的第四混频光穿过第二谐振腔镜；λ1和λ2的偏振方向相同，λ3、λ4的偏振方向相同，且λ1与λ3的偏振方向垂直；λ1、λ2在pigap晶体中经级联光学差频效应产生的太赫兹波与λ3、λ4在pigap晶体中经级联光学差频效应产生的太赫兹波的频率相同；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；从泵浦源出射的泵浦光的初始传播方向为x轴正向，经抛物面镜反射的太赫兹波的传播方向为y轴正向；第一混频光、第二混频光、第三混频光、第四混频光的传播方向为x轴正向。
10.泵浦光的偏振方向为y轴，λ1、λ2的偏振方向为z轴，λ3、λ4的偏振方向为y轴；第一组级联光的偏振方向为z轴，第二组级联光的偏振方向为y轴；第一太赫兹波的偏振方向为z轴，第二太赫兹波的偏振方向为y轴，太赫兹波为一束正交偏振的太赫兹波。
11.所述第一谐振腔镜、第二谐振腔镜均为凹面镜；第一谐振腔镜和第二谐振腔镜对泵浦光高透射、对第一组级联光高反射，第一谐振腔镜对第二组级联光高反射，第二谐振腔镜对第二组级联光高透射。
12.第一谐振腔镜对泵浦光的透射率为99.9%，对第一组级联光的反射率为99.9%，对第二组级联光的反射率为99.9%；第二谐振腔镜对第一组级联光的反射率为95%，对第二组级联光与泵浦光的透射率为99.9%。
13.所述afb-ktp晶体、pigap晶体均为长方体，在x-y平面内为矩形；所述afb-ktp晶体为无粘合剂粘结ktp晶体；所述pigap晶体为周期反转gap晶体。
14.afb-ktp晶体的反转周期为12157 μm，信号光λ1、λ2的波长分别为1.0407 μm和1.0389 μm，闲频光λ3、λ4的波长分别为1.0903 μm和1.0884 μm； pigap晶体的反转周期为271 μm。
15.抛物面镜中心开设一个仅允许第三混频光穿过的小孔。
16.所述第一组级联光、第二组级联光中相邻级联光的频率差均等于太赫兹波的频率大小。
17.相对于现有技术，本发明提供的一种产生正交偏振太赫兹波的装置与现有的基于光学差频效应的太赫兹辐射源相比，具有以下优点：（1）通过设置afb-ktp晶体的反转周期，可以改变输出的两束o光与两束e光的波长，进而改变输出的太赫兹波的频率。
18.（2）通过设置pigap晶体的周期极化的分布，可以有选择的增强stokes级联差频同时抑制anti-stokes级联差频，提高整体的太赫兹波光学转换效率。
附图说明
19.图1是本发明的结构原理图。
20.图2是在afb-ktp晶体不同的反转周期与产生的两束o光（即闲频光1和闲频光2）与两束e光（即信号光1和信号光2）波长的关系。
21.图3是第一太赫兹波的强度随pigap晶体长度变化图。
22.图4是第二太赫兹波的强度随pigap晶体长度变化图。
具体实施方式
23.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。
24.如附图1所示，一种产生正交偏振太赫兹波的装置，其特征在于：包括泵浦源1，afb-ktp晶体4，pigap晶体6，第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜11、抛物面镜8。
25.从泵浦源1出射的泵浦光2通过第一谐振腔镜3入射到afb-ktp晶体4中，产生第一混频光5。第一混频光5包含泵浦光2、两束信号光λ1（信号光1）和λ2（信号光2）、两束闲频光λ3（闲频光1）和λ4（闲频光2）。第一混频光5入射至pigap晶体6中，λ1、λ2在pigap晶体6中经级联光学差频效应产生第一组级联光与第一太赫兹波，λ3、λ4在pigap晶体6中经级联光学差频效应产生第二组级联光与第二太赫兹波。第一太赫兹波与第二太赫兹波合为一束太赫兹波9。上述两组级联光、太赫兹波9与泵浦光2混合为第二混频光7。第二混频光7中的太赫兹波9经抛物面镜8反射出去，第二混频光7中两组级联光与泵浦光2组成第三混频光10，第三混频光10穿过抛物面镜8入射至第二谐振腔镜11。第一组级联光在由第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜11组成的谐振腔中往返振荡，第二组级联光与泵浦光2组成的第四混频光12穿过第二谐振腔镜11。
26.λ1、λ2、λ3、λ4的波长取决于afb-ktp晶体（4）反转周期的大小；通过设置afb-ktp晶体（4）的反转周期，使得λ1、λ2在pigap晶体（6）中经级联光学差频效应产生的太赫兹波与λ3、λ4在pigap晶体（6）中经级联光学差频效应产生的太赫兹波的频率相同；具体可以如下：本实施例中，泵浦源1采用脉冲绿光激光器，泵浦光2的波长为532 nm，泵浦功率密度为1000 mw/cm2，泵浦光的脉冲宽度为10 ns、重复频率为10 hz、光束直径为1 mm。泵浦光2通过afb-ktp晶体4反应产生了两束e光λ1、λ2，和两束o光λ3、λ4。两束e光λ1、λ2，和两束o光λ3、λ4的波长取决于afb-ktp晶体4反转周期的大小。afb-ktp晶体4的反转周期为12157 μm，
如图2所示，产生的λ1、λ2分别为信号光1和信号光2，波长分别为1.0407 μm和1.0389 μm，产生的λ3、λ4分别为闲频光1和闲频光2，波长分别为1.0903 μm和1.0884 μm。通过设置pigap晶体6的反转周期为271 μm，使得λ1、λ2在pigap晶体6中经级联光学差频效应产生的太赫兹波与λ3、λ4在pigap晶体6中经级联光学差频效应产生的太赫兹波9的频率相同。产生的太赫兹波9的频率大小为信号光1和信号光2两束光或闲频光1和闲频光2两束光的频率差，即0.5 thz。
27.本实施例中，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。从泵浦源1出射的泵浦光2的初始传播方向为x轴正向，经抛物面镜8反射的太赫兹波9的传播方向为y轴正向。第一混频光5、第二混频光7、第三混频光10、第四混频光12的传播方向为x轴正向。
28.本实施例中，泵浦光2的偏振方向为y轴，λ1、λ2的偏振方向为z轴，λ3、λ4的偏振方向为y轴。第一组级联光的偏振方向为z轴，第二组级联光的偏振方向为y轴。第一太赫兹波的偏振方向为z轴，第二太赫兹波的偏振方向为y轴，太赫兹波9为一束正交偏振的太赫兹波。
29.本实施例中，所述第一谐振腔镜3、抛物面镜8、第二谐振腔镜11均为凹面镜。第一谐振腔镜3对泵浦光2的透射率为99.9%，对第一组级联光的反射率为99.9%，对第二组级联光的反射率为99.9%；第二谐振腔镜11对第一组级联光的反射率为95%，对第二组级联光与泵浦光（2）的透射率为99.9%。
30.所述afb-ktp晶体（4）为无粘合剂粘结ktp晶体。所述pigap晶体6为周期反转gap晶体。
31.本实施例中，所述afb-ktp晶体4、pigap晶体6均为长方体，在x-y平面内为矩形。所述afb-ktp晶体4为无粘合剂粘结ktp晶体，afb-ktp晶体4的尺寸为x
×y×
z为36.47mm
×
4mm
×
2mm，晶体的长度方向与x轴正向一致。所述pigap晶体6为周期反转gap晶体，通过设置其反转周期，可以改变产生的太赫兹波9的强度大小。pigap晶体6的尺寸为x
×y×
z为30mm
×
4mm
×
2mm，晶体的长度方向与x轴正向一致，设置pigap晶体6的反转周期为271 μm，产生的太赫兹波9的强度中，第一太赫兹波的强度随pigap晶体长度变化如图3所示，第二太赫兹波的强度随pigap晶体长度变化如图4所示。
32.本实施例中，所述抛物面镜8中心开设一个仅允许第三混频光10穿过的小孔，小孔直径为1 mm。
33.所述第一组级联光、第二组级联光中相邻级联光的频率差均为太赫兹波9的频率大小，即0.5 thz。
34.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。