專利名稱：一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波參量振蕩器領(lǐng)域，具體涉及一種對太赫茲波參量 振蕩器的頻率調(diào)諧方法。
背景技術(shù)：
太赫茲波是指頻率在0.1-10 THz范圍內(nèi)的電磁波(lTHz=1012Hz)，其
波段位于電磁波譜中毫米波和遠紅外光之間。該波段是一個非常具有科學(xué) 研究價值但尚未充分研究開發(fā)的電磁輻射區(qū)域。由于物質(zhì)在太赫茲波頻段 的發(fā)射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學(xué)信息，并且太赫茲波 輻射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命 科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及安全檢査、醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測、 食品檢驗、射電天文、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有巨大的 科學(xué)研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。然而，太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)與十 分成熟的微波、光學(xué)技術(shù)相比仍然十分落后，這就成為限制現(xiàn)代太赫茲技 術(shù)發(fā)展的最主要因素之一。因此，研制出性能優(yōu)良的太赫茲波輻射源，已 經(jīng)成為科研工作者追求的目標和迫切需要解決的實際問題。
利用非線性光學(xué)方法產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧、相干窄帶太赫茲波輻射的方法 憑借其顯著的優(yōu)點，逐漸為科研工作者所青睞?；谑芗る姶篷钭由⑸溥^ 程的太赫茲波參量振蕩器(Terahertz-wave Parametric Oscillator—-TPO)，是 一種性能優(yōu)良的太赫茲波輻射源，可以產(chǎn)生具有高相干性、連續(xù)可調(diào)諧、 單色性好的太赫茲波輻射。與利用非線性差頻方法產(chǎn)生太赫茲波輻射相比， 它只需一個固定波長的泵浦源和一塊價格相對低廉的非線性晶體(如 LiNb03晶體)，并且非線性轉(zhuǎn)換效率相對較高，頻率調(diào)諧簡單迅速，實驗設(shè) 備更為簡單、結(jié)構(gòu)更為緊湊、成本低，因此近十幾年來倍受人們所矚目， 逐漸成為國際上研究的熱點。目前，眾多國內(nèi)外科研工作者分別對基于LiNb03晶體及其摻雜晶體MgO: LiNb03晶體組成的TPO，都已進行了詳細 而大量的創(chuàng)新性研究工作，并利用它們作為輻射源成功進行了很多的應(yīng)用 性研究，充分證明了TPO是一種性能優(yōu)良、實用性很強的太赫茲波波輻射 源。
目前，TPO通常采用角度調(diào)諧方法來實現(xiàn)太赫茲波的頻率調(diào)諧，即通 過在一個很小角度范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動放置TPO諧振腔的旋轉(zhuǎn)平臺，以改變?nèi)?射泵浦光與TPO諧振腔腔軸夾角的方法，來實現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出， 而諧振腔通常采用平面鏡組成的直腔型結(jié)構(gòu)。在此調(diào)諧過程中，泵浦光、 振蕩的斯托克斯光以及太赫茲波滿足非共線相位匹配過程。這種調(diào)諧方法 具有簡單、迅速、直觀等優(yōu)點，但也具有明顯的缺點
1 、為了獲得高頻太赫茲波輻射而增大相位匹配角時，三波有效互作用 長度將變小，從而提高了振蕩閾值，降低了輸出功率；
2、 雖然通過減小泵浦光與TPO腔軸的夾角可獲得低頻太赫茲波，但 較小的夾角會造成泵浦光和產(chǎn)生的Stokes光在有限腔長距離內(nèi)空間分布過 于緊密，不僅不利于朝太赫茲低頻方向調(diào)諧，而且增大了從TPO輸出鏡反 射至太赫茲波硅耦合棱鏡上的泵浦光的可能性，這樣會在硅耦合棱鏡上激 發(fā)產(chǎn)生大量的自由電子，從而嚴重影響太赫茲波的有效耦合輸出；
3、 借助機械方式改變泵浦光的入射角度，使得這種技術(shù)的調(diào)諧精度仍 有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法，克服 角度調(diào)諧技術(shù)中由于三波互作用區(qū)間的變化導(dǎo)致太赫茲波參量振蕩器振蕩 特性的改變，提高了調(diào)諧精度。
一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法，通過連續(xù)改變太赫茲波參量 振蕩器的泵浦波長，實現(xiàn)相干窄帶太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出。
作為改進，該方法同時采用角度調(diào)諧方法來改變泵浦光入射諧振腔的角度。
本發(fā)明與現(xiàn)有TPO角度調(diào)諧技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
(1) 泵浦光波長的連續(xù)變化可導(dǎo)致三波相位匹配條件連續(xù)變化，因此相對 角度調(diào)諧技術(shù)而言，泵浦波長調(diào)諧技術(shù)的最大優(yōu)點是調(diào)諧精度高，尤 其是在長波長部分；
(2) 由于在泵浦波長調(diào)諧技術(shù)中，泵浦光與諧振腔腔軸的夾角為一固定 值，因此本發(fā)明調(diào)諧方法能夠克服角度調(diào)諧技術(shù)中由于三波互作用區(qū) 間的變化所導(dǎo)致TPO裝置振蕩特性的改變；
(3) 將本發(fā)明泵浦波長調(diào)諧方法與角度調(diào)諧方法相結(jié)合，可以顯著擴展 TPO裝置的頻率調(diào)諧范圍，并有望達到遠小于lTHz的低頻區(qū)域，這 是單獨使用角度調(diào)諧技術(shù)所難以達到的。


圖1是本發(fā)明泵浦波長調(diào)諧方法的基本原理圖； 圖2是本發(fā)明實施例的TPO裝置結(jié)構(gòu)示意圖3是基于泵浦波長調(diào)諧技術(shù)情況下，入射泵浦光調(diào)諧范圍為710nm 1500nm、且與TPO諧振腔腔軸為不同固定夾角時的頻率調(diào)諧特性示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
TPO是基于極性晶體(如MgO: LiNb03晶體)在前向拉曼散射過程中， 其A對稱性晶格振動模電磁耦子的角度色散特性來實現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào) 諧受激輻射的。在此過程中，泵浦光、斯托克斯光和太赫茲波同時滿足能 量守恒條件與動量守恒條件。泵浦光、斯托克斯光和太赫茲波的三波非共 線相位匹配曲線與晶格振動模電磁耦子的色散曲線之間的相對關(guān)系，可以 確定TPO頻率調(diào)諧特性，這與常見的雙折射相位匹配過程有著本質(zhì)的不同。
當泵浦光與諧振腔中振蕩的斯托克斯光之間的相位匹配角為某一固定 值時，在不同泵浦光波長條件下，其三波相位匹配曲線與電磁耦子的色散生太赫茲波的頻率輸出
特性。如圖1所示，當泵浦光波長分別為532nm、 694.3nm和1064nm，并 且與諧振腔中振蕩的斯托克斯光之間的相位匹配角為0.7°時，三波的相位 匹配曲線與MgO: LiNb03晶體的A,對稱性晶格振動模電磁耦子色散曲線的 相交情況。從圖中可以看出，此時交點分別為108cm"、 83.28cm"和54.61 cm"，也就是說可以產(chǎn)生的太赫茲波的頻率分別為3.24THz、 2.5 THz和1.64 THz。從圖中可以看出，當泵浦光與諧振腔腔軸的夾角為某一固定值的情況 下，連續(xù)改變泵浦光的波長會導(dǎo)致三波相位匹配曲線與電磁耦子色散曲線 的交點發(fā)生連續(xù)的變化。因此，利用波長可連續(xù)調(diào)諧的泵浦光以固定角度 入射TPO裝置，就可實現(xiàn)相干窄帶、連續(xù)可調(diào)諧的太赫茲波輸出。
實施例
TPO裝置的泵浦源可為基于BBO晶體的光學(xué)參量振蕩器、摻鈦藍寶石 脈沖可調(diào)諧激光器、脈沖染料激光器等，優(yōu)選基于BBO晶體的光學(xué)參量振 蕩器。
如圖2所示，利用電光調(diào)Q脈沖Nd: YAG激光器1的三倍頻光輸出， 泵浦由BBO晶體組成的光學(xué)參量振蕩器2，可以獲得連續(xù)調(diào)諧范圍為 710nm 1500nm的參量光輸出，其偏振方向與TPO的工作物質(zhì)MgO: LiNb03晶體7的Z軸方向相同。利用望遠鏡縮束系統(tǒng)3對該連續(xù)可調(diào)諧泵 浦光進行縮束以提高其能量密度。
TPO裝置由直角三面體角錐棱鏡4、工作物質(zhì)MgO: LiNb03晶體7和 輸出鏡9組成，將其準直成腔并固定于一旋轉(zhuǎn)平臺10上，腔長為160mm。 角錐棱鏡4的圓形弦面直徑為5mm，鍍寬帶增透膜；輸出鏡鍍寬帶部分透 過率膜，透過率為5%。 MgO: LiNb03晶體7切割方式及尺寸為60mm (X) xlOmm (Y) x5mm (Z)，其兩個通光面Y-Z進行光學(xué)拋光，并鍍寬帶增透 膜；晶體兩個側(cè)面(X-Z面)亦進行光學(xué)拋光。在晶體側(cè)面放置硅棱鏡陣 列6來耦合輸出太赫茲波。
在角錐棱鏡4和MgO: LiNb03晶體7之間加裝一按布儒斯特角放置的 偏振鏡5，使得腔內(nèi)振蕩的斯托克斯光始終為沿Z軸方向的線偏振光，以提高其三波轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺io使得諧振腔腔軸與入射的連續(xù)可調(diào)諧
泵浦光保持一較小的夾角。入射的連續(xù)可調(diào)諧泵浦光一次性通過TPO的諧 振腔，切邊通過輸出鏡9，并盡量靠近MgO: LiNb03晶體7的用于太赫茲 波輸出的X-Z面，以縮短太赫茲波在晶體中的傳輸路徑。在滿足非共線相 位匹配條件的情況下，產(chǎn)生的斯托克斯光在角錐棱鏡4和輸出鏡9之間形
成振蕩o
實施例的TPO裝置所采用的由角錐棱鏡和平面鏡組成的諧振腔結(jié)構(gòu)， 具有自準直、安裝調(diào)試簡單、抗失調(diào)性高等顯著特點，可以顯著緩解由于 連續(xù)可調(diào)諧泵浦光束指向穩(wěn)定性不高所造成的TPO運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性不高等不利 影響。角錐棱鏡的等光程全波段反射特性，不產(chǎn)生附加相位畸變，因此適 合任何波長成腔。
圖3為在該實驗裝置情況下，基于泵浦波長調(diào)諧技術(shù)的TPO裝置產(chǎn)生 太赫茲波的理論頻率調(diào)諧特性曲線。從圖中可以看出，當泵浦光從短波長 向長波長調(diào)諧時，太赫茲波的輸出頻率由高頻向低頻方向調(diào)諧。當泵浦光 在短波長范圍調(diào)諧時，太赫茲波的頻率調(diào)諧速度較快，而當泵浦光在長波 長范圍調(diào)諧時，頻率調(diào)諧速度相對較慢，但整體而言，泵浦波長調(diào)諧技術(shù) 的調(diào)諧精度要高于角度調(diào)諧技術(shù)。在當泵浦光與諧振腔腔軸的夾角不同時， 其調(diào)諧范圍亦不相同當其夾角分別為0.4。、 0.8°和1.2。情況下，其調(diào)諧范 圍分別為0.78THz、 1.43THz和1.88THz。泵浦源的調(diào)諧范圍越寬，太赫茲 波的頻率調(diào)諧范圍就越寬。如果將此調(diào)諧技術(shù)與角度調(diào)諧技術(shù)相結(jié)合，可 以顯著擴展TPO裝置的頻率調(diào)諧范圍，并有望達到遠小于lTHz的低頻區(qū) 域，這是單獨使用角度調(diào)諧技術(shù)所難以達到的。
本發(fā)明所提出的這種TPO泵浦波長調(diào)諧技術(shù)，在本實施例中不僅可以 克服現(xiàn)行TPO角度調(diào)諧技術(shù)中存在的主要缺點，而且為TPO裝置在"干擾" 環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定工作運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高精度連續(xù)可調(diào)諧的太赫茲波輻射提供了 一種行之有效的手段，從而將為TPO這種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)可調(diào)諧 的全固態(tài)太赫茲波相干輻射源，在醫(yī)學(xué)診斷、精細光譜分析、生物醫(yī)學(xué)成 像等領(lǐng)域展示了更為廣闊的應(yīng)用前景。需要說明的是，這里以本發(fā)明的實施例為中心展開了詳細的說明，所 描述的優(yōu)選方式或某些特性的具體體現(xiàn)，應(yīng)當理解為本說明書僅僅是通過 給出實例的方式來描述發(fā)明。實際上在組成、構(gòu)造和使用的某些細節(jié)上會 有所變化，包括部件的組合和組配，這些變形和應(yīng)用都應(yīng)屬于本發(fā)明的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法，通過連續(xù)改變泵浦光波長實現(xiàn)相干窄帶太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧輸出。
2、 一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法，其特征在于，該方法同 時采用角度調(diào)諧方法來改變泵浦光入射諧振腔的角度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法，通過連續(xù)改變太赫茲波參量振蕩器的泵浦波長，而不需改變泵浦光的入射角度，就可實現(xiàn)相干窄帶的太赫茲波高精度的連續(xù)調(diào)諧輸出。本發(fā)明頻率調(diào)諧精度高(尤其是在長波長部分)，能夠克服角度調(diào)諧技術(shù)中由于三波互作用區(qū)間的變化所導(dǎo)致太赫茲波參量振蕩器振蕩特性的改變，并且將本發(fā)明與角度調(diào)諧技術(shù)相結(jié)合，可以顯著擴展太赫茲波參量振蕩器的頻率調(diào)諧范圍，有望達到遠小于1THz的低頻區(qū)域，這是單獨使用角度調(diào)諧技術(shù)所難以達到的?；诖苏{(diào)諧技術(shù)的太赫茲波參量振蕩器，可廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷、精細光譜分析、生物醫(yī)學(xué)成像、太赫茲通訊等太赫茲光電子技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G02F1/39GK101614930SQ20091006326
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者劉勁松, 姚建銓, 博 孫 申請人:華中科技大學(xué)