[发明专利]自变频太赫兹参量振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器及非线性光学频率变换，具体涉及一种利用一块晶体既产生激光又同时通过频率变换产生太赫兹辐射的装置。

技术背景

太赫兹(Terahertz或THz)辐射是频率在0.1-10THz，典型中心频率为1THz的电磁波，其波段介于微波和红外线之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要电磁波段。太赫兹波在物理、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、安全检查、环境监测、材料分析、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。

太赫兹参量振荡器(TPO)是一种重要的太赫兹辐射源，具有可调谐、线宽窄、室温运转等优点，近年来得到了国内外广泛的重视。目前，太赫兹参量振荡器通常利用大能量的脉冲Nd:YAG激光器作为泵浦源，利用铌酸锂(LiNbO3)或掺氧化镁铌酸锂(MgO:LiNbO3)作为非线性晶体在谐振腔内通过非共线相位匹配产生参量振荡，并通过硅棱镜耦合或垂直晶体表面输出太赫兹波，调节入射光角度或谐振腔可以实现太赫兹波的调谐(参考Jun-ichi Shikat等2000年发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques的文章Tunable terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO3and MgO:LiNbO3crystals)。为进一步降低太赫兹参量振荡器的阈值并减小装置的体积，有人利用PPLN作为非线性晶体，并将其置于激光谐振腔内，激光器与参量振荡器共用谐振腔，即采用内腔泵浦方式，实现了高重复频率的太赫兹波输出(参考T.J.Edwards等2006年发表在Optics Express的文章Compact source of continuously and widely-tunable terahertz radiation)。国内多家单位在脉冲激光器泵浦的太赫兹参量振荡器方面也做了大量的理论和实验研究工作(参考刘磊等2012年发表在“激光与光电子学进展”的文章“太赫兹波参量振荡器研究进展”)。

现有技术中至少存在以下缺点和不足：由于现有的太赫兹参量振荡器所需的泵浦激光器与参量振荡器本身是两套系统，无法从根本上实现小型化，即便是对于较为紧凑的内腔泵浦太赫兹参量振荡器，由于产生激光的晶体和实现频率变换的晶体并非一块晶体，谐振腔也并非共用，在一定程度上无法有效压缩整个装置的体积；现有的传统太赫兹参量振荡器相位匹配方式大多采用非共线相位匹配，太赫兹波需要采用硅棱镜耦合输出或需要设计复杂的晶体表面输出结构；太赫兹参量振荡器的调谐需要改变泵浦方向或整个参量振荡器谐振腔的角度，机械结构的调整不利于整体器件的稳定性。

迄今为止，国内外尚未有任何报道将集产生激光和非线性光学频率变换功能为一体的自变频Nd:PPLN晶体用于THz波的产生。本发明中采用自变频晶体与太赫兹参量振荡技术结合，将极大地降低太赫兹参量振荡器的尺寸，而且其结构简单，设计容易，调谐方式不改变机械结构，稳定性好，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决太赫兹参量振荡器结构复杂，系统难以小型化的问题。为此，本发明采取的技术方案是，自变频太赫兹参量振荡器，包括：泵浦源(1)、自变频晶体(2)、谐振腔(3)、太赫兹波输出镜(4)；泵浦源(1)发出的泵浦光注入自变频晶体(2)，自变频晶体(2)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在谐振腔(3)的反馈下产生激光振荡；同时，自变频晶体(2)具有非线性效应，对振荡激光进行频率变换，在同一谐振腔(3)作用下通过参量振荡将激光转换到太赫兹波段，产生的太赫兹波传播方向与激光振荡相同，由太赫兹波输出镜(4)收集并反射输出腔外。

所述泵浦源(1)具体为：带有聚焦透镜的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出半导体激光器，半导体激光器的输出波长为809nm或813nm。

根据权利要求1所述的一种自变频太赫兹参量振荡器，其特征是，所述自变频晶体(2)具体为Nd:PPLN晶体，Nd3+掺杂浓度为0.1％-3％，晶体的极化周期为20～120μm，通光方向长度为10～50mm，两端面镀有800～820nm及1050～1100nm增透膜。