[实用新型]一种基于磷锗锌晶体非共线相位匹配差频的太赫兹源

说明书

本实用新型公开一种基于磷锗锌晶体非共线相位匹配差频的太赫兹源，包括依次设置的固定波长激光器、旋转反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜和磷锗锌晶体；固定波长激光器和旋转反射镜的同一侧分别设置有可变波长激光器和固定反射镜；通过调节可变波长激光器发出的可变波长激光，固定波长激光器发出的固定波长激光与可变波长激光频率差在1.88‑4.49THz连续可调；经过由第一凸透镜和第二凸透镜组成的望远镜成像系统的固定波长激光与可变波长激光以小角度夹角入射到磷锗锌晶体中发生差频互作用；望远镜成像系统能够实现1:1成像，将旋转反射镜处的轴向固定波长激光和离轴可变波长激光的光斑大小及传输方向在磷锗锌晶体中复现，实现小角度非共线相位匹配。

技术领域

本实用新型属于非线性光学频率变换技术领域，具体涉及一种通过采用小角度夹角非共线相位匹配的方式显著提高磷锗锌晶体中差频的有效非线性系数，从而获得高效率太赫兹波输出的方法。

背景技术

太赫兹(THz)科技享有“改变未来世界的十大技术之一”的美誉，其应用研究领域非常广泛。然而，由于缺乏高效稳定的THz发射天线和辐射源，导致目前在许多应用领域还无法实现商业化，这需要我们在辐射源的创新和改进工作上付出更多努力。目前，有效产生太赫兹波的技术手段大致分为光学手段和电学手段。其中，光学手段的非线性差频(DFG)产生太赫兹波具有较高出射功率、波长连续可调谐、线宽窄、可室温运转等优点。对于双折射晶体，人们通常采用共线相位匹配的方式实现差频产生太赫兹波，对于缺乏双折射性的晶体，人们通常采用非共线相位匹配的方式实现差频产生太赫兹波。

然而，在双折射晶体的共线相位匹配中，由于有效非线性系数与相位匹配角有关，其值将受到相位匹配角的严格限制，整个差频过程往往不能在较高的有效非线性系数下进行。为了差频作用的有效进行，我们希望有效非线性系数越大越好。作为常用于频率转换产生中红外以及太赫兹波的高效的非线性光学材料，磷锗锌晶体具有非常高的二阶非线性系数，d₃₆(10.6μm)＝68.9±10.3pm/V(Powers P E,Haus J W.Fundamentals of nonlinearoptics.CRC press,2017)。2003年，Shi W等人采用退火后的磷锗锌晶体，分别在o-e→e和o-e→o类共线双折射相位匹配中差频产生了频率范围在1-4.51THz，1.26-4.13THz连续可调的相干太赫兹辐射(Shi W,Ding Y J.Continuously tunable and coherent terahertzradiation by means of phase-matched difference-frequency generation in zincgermanium phosphide[J].Applied physics letters,2003,83(5):848-850)。2007年，CreedenD等人提出了一种利用保偏掺镱光纤对双波长激光放大后，再传输到磷锗锌晶体中差频产生太赫兹辐射的新方案，该方案采用o-e→e类共线双折射相位匹配，当需要产生更长波长的太赫兹辐射时，相位匹配角将调小，有效非线性系数也会随之变小，从而造成太赫兹输出功率受限(Creeden D,McCarthy J C,Ketteridge P A,et al.Compact fiber-pumped terahertz source based on difference frequency mixing in ZGP.IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics,2007,13(3):732-737)。2008年，刘欢等人计算模拟了利用磷锗锌晶体在各类共线相位匹配方式的相位匹配角和有效非线性系数，总结了对应不同THz波段的最佳共线相位匹配方式，对于磷锗锌晶体的o-e→o和o-e→e类相位匹配，其有效非线性系数受相位匹配角的严格限制，经计算最大值仅为13.526pm/V和26.486pm/V(均对应太赫兹频率4.38THz)(刘欢,徐德刚,姚建铨.基于GaSe和ZnGeP₂晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的理论研究.2008)。2009年，李光对磷锗锌晶体中红外激光器的特性进行了研究，也从理论上说明了有效非线性系数与相位匹配类型和相位匹配角这两者的关系，并指出了转换效率受有效非线性系数的影响很大(李光.ZnGeP₂中红外激光器的特性研究.北京工业大学,2009)。显然，在共线相位匹配光学差频中，磷锗锌晶体的有效非线性系数常常会因为相位匹配类型和光波传播角度的改变而受到较大影响。