[发明专利]高能量太赫兹脉冲产生装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及高能量太赫兹脉冲产生装置。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1-10THz的电磁波辐射，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、光电导天线、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，光学整流被认为是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使级联反复发生，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。

第二种方法光学整流的方法是在铌酸锂晶体中产生高能量太赫兹辐射，为了能够实现最大限度的相位匹配，有学者提出了利用倾斜波前技术的方法来实现，具体参见非专利文献美国光学快报Optics Express，10卷，第21期，1611-1166页。

在利用倾斜波前技术产生太赫兹脉冲辐射的实验中，一般通过透镜的方式，将从光栅衍射出来的光斑成像到铌酸锂晶体中。成像的方式有很多种，包括单透镜成像、透镜组成像、柱透镜成像等。对于激发光小于十个毫焦的飞秒激光脉冲来说，产生几个微焦的太赫兹脉冲的实验，可采用这种圆形光斑激发的模式。但对于高能量飞秒激光脉冲，由于铌酸锂晶体的破坏阈值的限制，需要将用于激发的飞秒激光光斑扩大，使用大光斑的飞秒激光激发。由于飞秒激光照射在铌酸锂晶体的62度角或63度角上，使得飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用区域的长度不相等。靠近铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与铌酸锂晶体的作用距离短，而远离铌酸锂晶体切割边沿的飞秒激光与铌酸锂晶体的作用距离长。这使得产生的太赫兹脉冲在靠近铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太短；而远离铌酸锂晶体切割边沿的位置，相干作用距离太长，且产生的太赫兹脉冲在铌酸锂晶体内部需要传播很长的距离才能够耦合出来。由于这样的不均匀激发，随着飞秒激光能量密度的提高，很难保持住从飞秒激光到太赫兹脉冲的能量转化效率，甚至会导致能量转化效率的降低。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种太赫兹脉冲产生装置，包括：光栅、半波片、光束整形单元、成像单元和铌酸锂晶体；

利用泵浦飞秒激光照射所述光束整形单元，将所述泵浦飞秒激光的光束截面形状由圆形变为椭圆形；整形后的泵浦飞秒激光通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述整形后的泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。

优选地，所述光束整形单元具体包括：竖直设置的第一柱透镜和第二柱透镜；

所述第一柱透镜为平凸柱透镜，所述第二柱透镜为平凹柱透镜，所述第一柱透镜与所述第二柱透镜之间的间距为预设距离；

所述泵浦飞秒激光依次照射至所述第一柱透镜和所述第二柱透镜上。