[发明专利]一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。然而，太赫兹波的产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，这就成为限制现代太赫兹技术发展的最主要因素之一。因此，研制出性能优良的太赫兹波辐射源，已经成为科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

产生太赫兹波辐射的方法有很多种，而利用非线性光学差频技术产生的太赫兹波辐射，具有高相干性、单色性好、连续可调谐范围宽等诸多优点，而且实验设备结构紧凑、操作简单、可室温运转，因此近十几年来倍受人们所瞩目，逐渐成为国际上研究的热点。目前，国内外许多科研工作者对差频产生太赫兹波技术进行了大量创新、探索性研究工作，实现了较宽的调谐范围，峰值功率甚至达到了千瓦量级，并利用它们作为辐射源成功进行了很多的应用性研究，充分证明了利用差频方法产生太赫兹波是一种行之有效、实用性很强的太赫兹波产生技术。

利用非线性光学差频方法产生连续可调谐太赫兹波的技术关键之一，就是必须首先获得峰值功率高、窄线宽、波长间隔合适、在一定范围可连续调谐双波长差频泵浦光。目前常见的产生双波长的方法主要有两大类：

(1)利用激光技术产生双波长差频泵浦光。例如，使用两台单模连续输出的CO₂激光器作为差频泵浦源；利用一台可调谐染料激光器获得双波长输出；利用Nd:YAG激光器基频输出和该激光器三倍频输出泵浦的基于BBO晶体的光学参量振荡器(OPO)所产生的可调谐输出，组成双波长差频泵浦光。这些获得双波长的方法存在着诸如差频泵浦装置体积大，主要实验设备昂贵，波长调谐方式复杂，不易操作等缺点。

(2)利用非线性光学参量振荡技术产生双波长差频泵浦光。例如，利用双周期级联的PPLN晶体组成OPO，通过改变晶体温度或者选择合适的极化周期，获得双波长调谐输出；利用两块非线性晶体串联组成的光学参量振荡器，通过角度调谐技术来获得双波长输出等。这类产生双波长差频泵浦光的方法，要么双波长调谐方式复杂、调谐速度慢，要么需要多块非线性晶体实现双波长参量振荡，增加了调谐难度，而且泵浦光的选择受到了非线性晶体相位匹配条件的限制。

一般来说，对于普通拉曼散射现象，对入射泵浦光的波长选择没有严格的限制，只要不被晶体吸收即可。以斯托克斯光散射为例，当泵浦光入射到非线性晶体中时，产生的斯托克斯光的频移为一固定值，即为两能级之间的能级差。在该受激散射过程中，只包含三阶非线性效应。然而，当极性晶体(如LiNbO₃晶体)按照一定的方式切割，且按照前向拉曼散射配置时，此时晶体的晶格振动模将变成电磁耦子，晶格振动模所对应的振动频率也将具有一定的角度色散特性，也就是说，此时产生的斯托克斯光将具有一定的空间角度色散特性，这时的电磁耦子将具有部分电磁特性，而不完全是声子的特性。在该受激散射过程中，同时包含二阶和三阶非线性光学效应。基于此原理，如果对斯托克斯光加一谐振腔使其受激振荡，那么通过在一个很小角度范围内连续改变谐振腔与泵浦光的夹角，就会产生线宽窄、连续可调谐的相干斯托克斯光输出。在此调谐过程中，泵浦光、振荡的斯托克斯光以及电磁耦子的波矢满足非共线相位匹配条件。如果将产生的连续可调谐斯托克斯光与泵浦光作为双波长差频泵浦源，那么通过选取合适的差频晶体，就可以差频产生连续可调谐、相干窄带的太赫兹波辐射。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种体积小、结构紧凑、操作简单、产生差频双波长方法简便、可靠，室温运转，可产生连续可调谐、相干窄带太赫兹波辐射的太赫兹波辐射源。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于非线性光学差频技术的太赫兹波辐射源，其特征在于，包括泵浦源、望远镜系统、全反射镜、MgO:LiNbO₃晶体、旋转平台、输出镜、三个反射镜、半波片、偏振分光镜、衰减片、差频晶体和滤波片；其中：