[发明专利]一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法

说明书

本发明提供一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法，所述装置包括：飞秒激光器、反射光栅、半波片、成像透镜和铌酸锂晶体结合结构，所述飞秒激光器发射的泵浦飞秒激光通过所述反射光栅衍射到所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像透镜后入射至铌酸锂晶体结合结构中，从而在所述铌酸锂晶片中产生太赫兹脉冲辐射。其中，所述铌酸锂晶体结合结构包括切割成底角为62～63度，顶角为54～56度的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体以及一个厚度为1～5mm的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体底边所在的柱面上，所述等腰三角柱形棱柱铌酸锂晶体的三个柱面经过光学抛光处理。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种高能太赫兹脉冲产生装置及方法。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1～10THz的电磁波，其波段在微波和远红外之间。由于太赫兹频率在电磁波谱上的特殊位置，使得这个频段的高能量光源非常缺乏。高能量的太赫兹辐射源按照装置的大小可分为同步辐射太赫兹源和桌面式小型太赫兹源。同步辐射的太赫兹源可产生百微焦量级的太赫兹脉冲，但这样的大型装置耗资巨大且运行昂贵。桌面式的强场太赫兹辐射源主要由脉冲飞秒激光器驱动，按照产生方式的不同可分为：光学整流、光导天线、空气等离子体、激光打靶等。

尽管激光打靶已经获得了几百微焦的能量，但是激光打靶所获得的太赫兹辐射的方向性差，不适合后续应用，且辐射效率较低，辐射机理也有待进一步研究。空气等离子体产生的太赫兹可以获得超宽带的辐射，对材料的表征非常有优势，而且空气作为非线性介质不存在损伤阈值问题，但这种方法所产生的太赫兹辐射效率低，空气等离子体不稳定，系统的信噪比差，对双色的相位匹配要求高，机理也还有待进一步探索。大孔径光电导天线辐射的太赫兹效率高，稳定性好，覆盖了太赫兹辐射的低频段，但光电导天线依赖外加直流电场和高激发功率，会导致天线击穿和载流子的屏蔽效应，因此天线容易破坏，且获得的绝对太赫兹能量相对较低。

到目前为止，光学整流是被认为最有效的桌面式产生强场太赫兹辐射的方法。在利用光学整流产生太赫兹辐射的过程中，同一个红外光脉冲包罗中的不同光谱分量之间产生级联差频过程，实现太赫兹辐射的产生。只要相位匹配条件得到满足，该频率下转换的过程将会级联的反复发生，有可能使得红外光子完全转换为多个太赫兹光子，获得100％光子转换效率。碲化锌(ZnTe)和磷化镓(GaP)一直是被用来通过光学整流实现太赫兹源常见的材料。由于它们的非线性系数不够高且在红外频率有极大的双光子吸收，研究人员已经把目光转向非线性系数较大的有机晶体和铌酸锂(LiNbO3)晶体。虽然有机晶体很被看好，它所固有的缺点，例如低破坏阈值，无法用于高功率高能量激光器；小尺寸，无法用于高能量大光斑的激光器激发；材料不稳定，易于潮解，无法制备牢固的太赫兹发射源；需要特定的波长1.2μm-1.5μm泵浦，而该频段的高能量激光器的技术不够成熟；晶体价格非常昂贵等，使得利用有机晶体来产生强场太赫兹脉冲让人望而却步。

第二种方法利用光学整流的方法是利用倾斜波前技术在铌酸锂晶体中产生强场太赫兹辐射。铌酸锂在光学领域的地位相当于硅材料在半导体工业，是一个很好的候选材料。它具有非常多的优点，比如大的损伤阈值，可用于高能量激光器；高非线性系数，可获得高的能量转化效率；大的能量带隙(4eV)，克服双光子或多光子吸收带来的能量损耗；对泵浦波长无选择性等。但由于红外光和太赫兹波在铌酸锂晶体中有着不同的折射率，前者约为5，后者约为2.3，为了能够实现最大限度的相位匹配，Hebling等提出了倾斜波前的方法参见非专利文献美国光学快报Optics Express，10卷，第21期，1611-1166页。

现有技术中，使用光子学方法产生太赫兹波的关键步骤在于铌酸锂发射晶体的切割方式采用梯形或等腰三角形的切割方式。在实验过程中，激发光直接照射在晶体的62-63°角，太赫兹波则沿着与入射激发光成一个角度方向发射出来。