本發(fā)明涉及太赫茲波差頻和中紅外激光領(lǐng)域，具體涉及一種在微腔中通過腔相位匹配技術(shù)差頻產(chǎn)生高效率可調(diào)諧太赫茲波的裝置及方法。

背景技術(shù)：

太赫茲波(terahertz-wave,thz波)是指頻率在0.1-10thz范圍內(nèi)的電磁波，相應(yīng)的波長為0.03mm～3mm，位于電磁波譜中微波和紅外波之間。其在物理、化學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及寬帶通信、醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測、藥物檢測和安全檢查等應(yīng)用研究領(lǐng)域均有巨大的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

thz波輻射產(chǎn)生的方法主要有電子學(xué)方法和光子學(xué)方法。目前，電子學(xué)方法的轉(zhuǎn)換效率都很低，而且體積龐大，造價(jià)和運(yùn)行成本都很高，對(duì)運(yùn)行的環(huán)境要求高。利用非線性光學(xué)差頻產(chǎn)生thz波方法憑借其能產(chǎn)生寬范圍連續(xù)可調(diào)諧、相干窄帶的thz波等優(yōu)點(diǎn)，逐漸為科研工作者所青睞。

非線性光學(xué)差頻技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵的問題在于如何實(shí)現(xiàn)相位匹配。傳統(tǒng)的雙折射相位匹配存在材料特性限制，且不能應(yīng)用晶體的最大非線性系數(shù)和晶體的通光范圍等缺點(diǎn)。準(zhǔn)相位匹配也存在周期性反轉(zhuǎn)非線性晶體制作工藝復(fù)雜，排列結(jié)構(gòu)較大等缺點(diǎn)。因此一種在制作工藝、結(jié)構(gòu)上更加簡單小巧的相位匹配技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，即腔相位匹配(cpm)技術(shù)。cpm的原理是利用法布里-帕羅微腔對(duì)激光的全反射引入額外的π相位來實(shí)現(xiàn)相位匹配的，這與準(zhǔn)相位匹配利用非線性系數(shù)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)π相位的轉(zhuǎn)換非常相似，不同之處在與腔相位匹配只改變了波的傳播方向而沒有改變晶體的非線性系數(shù)。但在目前人們的研究范圍內(nèi)，主要是針對(duì)泵浦光正入射到法布里-帕羅微腔中實(shí)現(xiàn)光參量震蕩放大等一些問題展開討論。在這些討論中，泵浦光通常都是單程增益，即使是雙程增益，對(duì)于泵浦光的利用率也是極其低下，這也是在目前的腔相位匹配中非線性轉(zhuǎn)換效率低下一個(gè)非常重要的原因，如果能夠提高對(duì)泵浦光的利用率，那么腔相位匹配技術(shù)將比準(zhǔn)相位匹配技術(shù)擁有更大的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服背景技術(shù)中存在的問題，提供了一種co2激光從微腔的邊緣進(jìn)入腔中進(jìn)行差頻，再對(duì)整個(gè)微腔進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)引起入射光偏轉(zhuǎn)角度的改變，使得腔相位匹配的周期發(fā)生改變來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧太赫茲波的產(chǎn)生，從而克服準(zhǔn)相位匹配以及目前腔相位匹配中的缺點(diǎn)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的。一種在微腔中產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波的裝置，包括可調(diào)諧co2激光器放電腔，所述可調(diào)諧co2激光器放電腔的左側(cè)并列設(shè)置有兩個(gè)腔外光柵，腔外光柵和可調(diào)諧co2激光器放電腔構(gòu)成可調(diào)諧雙波長輸出激光器，在可調(diào)諧co2激光器放電腔的右側(cè)設(shè)置有全反射鏡和布儒斯特窗，且全反射鏡和布儒斯特窗分別與腔外光柵對(duì)應(yīng)；在布儒斯特窗的外側(cè)依次設(shè)置有微腔和接收窗口，所述微腔的下方設(shè)置有定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)裝置，定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)裝置的一端設(shè)置有定點(diǎn)；可調(diào)諧雙波長輸出激光器產(chǎn)生兩束泵浦光，其中一束泵浦光經(jīng)過全反射鏡反射至布儒斯特窗并與另一束泵浦光共線射至微腔，形成太赫茲波射至接收窗口。

一種在微腔中產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波的方法，其步驟如下：

1)利用可調(diào)諧雙波長輸出激光器，產(chǎn)生兩束可調(diào)諧的泵浦光；

2)使兩束泵浦光的傳播方向水平共線；

3)微腔的邊緣放置在泵浦光的光路上；

4)通過對(duì)所述微腔進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)引起入射光的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，從而改變腔相位匹配的周期，實(shí)現(xiàn)太赫茲波的可調(diào)諧輸出。

進(jìn)一步，所述泵浦光的波長范圍為9um～11um。

進(jìn)一步，所述微腔的兩壁在泵浦光頻段均為高反，反射率高達(dá)99％，左壁在太赫茲頻段為高反，反射率高達(dá)99％，右壁在太赫茲頻段為高透射，兩壁之間是各向同性的非線性晶體，晶體的長度與入射泵浦光偏轉(zhuǎn)角度余弦的比值滿足腔相位匹配條件。

進(jìn)一步，所述偏轉(zhuǎn)角度是指泵浦光的傳播方向與微腔邊緣的夾角。

進(jìn)一步，所述非線性晶體包括gap、inp、cdte和zngep2晶體。

進(jìn)一步，所述入射泵浦光偏轉(zhuǎn)角度余弦的比值是：式中：l是微腔的腔長，θ是偏轉(zhuǎn)角度。

一種在微腔中產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波的方法可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境安全和通訊領(lǐng)域。

上述對(duì)該微腔進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的定點(diǎn)位于泵浦光在微腔中的入射點(diǎn)，與傳統(tǒng)的角度相位匹配中通過改變角度來滿足不同波長其折射率之間的相位匹配條件不同，在這里入射泵浦光偏轉(zhuǎn)角度的連續(xù)變化實(shí)際上是連續(xù)改變了腔相位匹配過程中的周期，從而達(dá)到產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲的目的，與角度相位匹配調(diào)諧技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別。

本發(fā)明中微腔的設(shè)置對(duì)co2激光的利用率非常高，調(diào)諧范圍廣，非線性轉(zhuǎn)換效率顯著增加；通過簡單的對(duì)微腔整體進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)太赫茲波的可調(diào)諧輸出；在微腔定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的情況下，由于泵浦光的入射方向一直是水平方向，因此所產(chǎn)生的太赫茲波也是固定水平輸出，如此便對(duì)產(chǎn)生的太赫茲波進(jìn)行探測帶來了便利；整個(gè)系統(tǒng)制作簡單且結(jié)構(gòu)簡單小巧方便，容易集成，可室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，是未來太赫茲輻射源發(fā)展的一種趨勢(shì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例泵浦光λp、λs在某一偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的微腔結(jié)構(gòu)和光路示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例基于腔長和一束泵浦光(λp)波長固定，入射光偏轉(zhuǎn)角度在0-90°范圍內(nèi)與產(chǎn)生的太赫茲波長的關(guān)系示意圖。

圖中：1、2.腔外光柵，3.可調(diào)諧co2激光器放電腔，4.全反射鏡，5.布儒斯特窗，6.微腔，7.定點(diǎn)，8.旋轉(zhuǎn)裝置，9.接收窗口。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。參見圖1至圖3，一種在微腔6中產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波的裝置，包括可調(diào)諧co2激光器放電腔3，所述可調(diào)諧co2激光器放電腔3的左側(cè)并列設(shè)置有腔外光柵1、2，腔外光柵1、2和可調(diào)諧co2激光器放電腔3構(gòu)成可調(diào)諧雙波長輸出激光器10，在可調(diào)諧co2激光器放電腔3的右側(cè)設(shè)置有全反射鏡4和布儒斯特窗5，且全反射鏡4和布儒斯特窗5分別與腔外光柵1、2對(duì)應(yīng)；在布儒斯特窗5的外側(cè)依次設(shè)置有微腔6和接收窗口9，所述微腔6的下方設(shè)置有定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)裝置8，定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)裝置8的一端設(shè)置有定點(diǎn)7；可調(diào)諧雙波長輸出激光器10產(chǎn)生二束泵浦光λp、λs，其中一束泵浦光λs經(jīng)過全反射鏡4反射至布儒斯特窗5并與另一束泵浦光λp共線射至微腔6，形成太赫茲波射至接收窗口9。

一種在微腔6中產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波的方法，其步驟如下：

1)利用可調(diào)諧雙波長輸出激光器10，產(chǎn)生兩束可調(diào)諧的泵浦光λp、λs；所述泵浦光λp、λs的波長范圍為9um～11um。

2)使兩束泵浦光λp、λs的傳播方向水平共線；

3)微腔6的邊緣放置在激光束的光路上；所述微腔6的兩壁在泵浦光λp、λs頻段均為高反，反射率高達(dá)99％，左壁在太赫茲頻段為高反，反射率高達(dá)99％，右壁在太赫茲頻段為高透射，兩壁之間是各向同性的非線性晶體，晶體的長度與入射泵浦光λp、λs偏轉(zhuǎn)角度θ余弦的比值滿足腔相位匹配條件。所述入射泵浦光λp、λs的偏轉(zhuǎn)角度θ是指激光的傳播方向與微腔邊緣的夾角(參見圖2，泵浦光λp、λs在某一偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的光路示意圖)。所述非線性晶體包括gap、inp、cdte和zngep2晶體。

4)通過對(duì)所述微腔6進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)引起入射泵浦光λp、λs的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，從而改變腔相位匹配的周期，實(shí)現(xiàn)太赫茲波的可調(diào)諧輸出。

本發(fā)明是基于兩束不同波長的泵浦光λp、λs水平入射到定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的微腔6中，根據(jù)腔相位匹配的條件，由微腔6的定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致入射泵浦光λp、λs偏轉(zhuǎn)角度的變化來引起腔相位匹配周期的變化，從而產(chǎn)生可調(diào)諧太赫茲波。在此過程中，兩束波長接近的泵浦光λp、λs和太赫茲波同時(shí)滿足能量守恒條件和腔相位匹配條件，腔相位匹配是指在微腔中三波耦合傳播到相位失配為π的時(shí)候，利用微腔兩壁對(duì)泵浦光的全反射，引入了額外的π相位來補(bǔ)償相位失配，使得在整個(gè)微腔長度l范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率持續(xù)增加。這個(gè)過程與準(zhǔn)相位匹配的過程十分相似，不同之處在于腔相位匹配不需要改變非線性晶體的非線性光學(xué)系數(shù)的符號(hào)而是改變波的傳播方向。在腔相位匹配中微腔6的結(jié)構(gòu)如圖1所示，l是微腔6的長度。本實(shí)施例采用一階腔相位匹配，該微腔中的非線性晶體為gap晶體(適用于其它非線性晶體inp、cdte和zngep2等)。微腔6的長度根據(jù)能量守恒定律如公式(1)和腔相位匹配條件如公式(2)決定：

δk＝kp-ks-kt；(3)

其中：λp，λs為波長接近的兩束泵浦光，λt為生成光thz波的波長,kp、kskt分別是泵浦光、信號(hào)光和thz波的波矢，θ是偏轉(zhuǎn)角度，如圖1所示。在對(duì)微腔6進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起入射光偏轉(zhuǎn)角度的變化，而偏轉(zhuǎn)角度的改變將引起腔相位匹配周期的變化，在一道泵浦光(λp或λs)和腔長l確定的情況下，根據(jù)式(1)和(2)便可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧太赫茲波的輸出。

實(shí)施例：

如圖1所示，利用一臺(tái)可調(diào)諧雙波長輸出激光器10產(chǎn)生泵浦光λp、λs，腔外光柵1、2產(chǎn)生兩束可調(diào)諧波長范圍在9um到11um的泵浦光，通過改變腔外光柵1、2的角度可以改變泵浦光λp、λs的波長。泵浦光λp、λs經(jīng)過可調(diào)諧co2激光器放電腔3進(jìn)行功率放大。泵浦光λs經(jīng)全反射鏡4反射至布儒斯特窗5，布儒斯特窗5使泵浦光λp透射，透射率大于90％，使泵浦光λs反射，反射率大于90％，最終兩束泵浦光λp、λs在方向水平共線，與微腔6邊緣的初始位置持平。定點(diǎn)7(如圖1所示)，在微腔6中的是各向同性非線性晶體，如gap晶體(也適用于其他各向同性的非線性晶體)，通過旋轉(zhuǎn)裝置8引起入射泵浦光λp、λs的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，從而改變腔相位匹配的周期，根據(jù)式(1)和(2)便可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的可調(diào)諧輸出，是太赫茲波的接收窗口9。該實(shí)施例具有轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡單小巧，制作方便，室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)等顯著特點(diǎn)。

圖3為在該實(shí)施例的情況下，泵浦光λp＝9.4731um(9p10支線)，微腔的腔長l＝500um，通過改變泵浦光λs的波長時(shí)，入射泵浦光λp、λs的偏轉(zhuǎn)角度與產(chǎn)生的太赫茲波長的理論調(diào)諧曲線圖。從圖3中可以看出，入射光的偏轉(zhuǎn)角度在0°到90°的范圍內(nèi)連續(xù)變化時(shí)，產(chǎn)生的太赫茲波長隨著入射泵浦光λp、λs偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大。