專利名稱：基于碲化鎘的無角度調(diào)諧太赫茲共線差頻輻射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲輻射測量領(lǐng)域，具體涉及一種無角度調(diào)諧的太赫茲波共線差頻輻射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太赫茲波(0. l-ΙΟΤΗζ)，其電磁波譜處于微波與紅外之間，有著一系列的獨(dú)特性能。固體中的聲學(xué)聲子、光學(xué)聲子，半導(dǎo)體中的缺陷態(tài)、雜質(zhì)態(tài)能級，以及超晶格半導(dǎo)體中的子帶躍遷能都集中在這一波段范圍內(nèi)。被譽(yù)為改變二十一世紀(jì)十大科學(xué)技術(shù)之一的太赫茲科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)或?qū)⒔o通信、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、安全檢查、軍事反恐、生物化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域帶來了廣泛的應(yīng)用和深遠(yuǎn)的影響。隨著近年來太赫茲科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種類型的太赫茲光源已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)室研制出來，部分太赫茲光源開始逐漸投入到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。一般而言，太赫茲輻射源可以分為兩大類第一大類是指基于超快電子學(xué)的發(fā)展所形成的太赫茲光源，由耿氏振蕩器、返波管、自由電子激光器等作為典型代表；第二大類則可歸結(jié)為基于光學(xué)效應(yīng)所產(chǎn)生的太赫茲光源，有量子級聯(lián)激光器、太赫茲參量光源、基于超快非秒激光器的光整流、光電導(dǎo)效應(yīng)的太赫茲光源、基于納秒激光器差頻效應(yīng)的太赫茲光源等。目前，由飛秒激光器的光整流、光電導(dǎo)效應(yīng)所產(chǎn)生的太赫茲光源，憑借其頻譜波段寬、信噪比高的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為在太赫茲波段對材料吸收系數(shù)、折射率系數(shù)等物理量表征測量非常優(yōu)秀的一套完整測量系統(tǒng)——太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)。然而，為了追求窄線寬、寬波段、波長準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)、體積小、高功率以及室溫工作的太赫茲光源，只能大力發(fā)展基于納秒激光器差頻效應(yīng)的太赫茲光源。目前，納秒激光器差頻所用晶體主要集中在雙折射晶體領(lǐng)域，如硒化鎵，磷鍺鋅， DAST等。在這些雙折射晶體中，因?yàn)閷こ９馀c非尋常光的折射率系數(shù)不相同，且非尋常光的折射率系數(shù)是晶體與入射光之間的角度的函數(shù)，利用這一特性可以按照某種相位匹配配置方式(如“0ee”，“e00”相位匹配)產(chǎn)生波長可調(diào)諧的寬波段太赫茲光輻射。目前納秒激光器太赫茲差頻輻射源的高功率運(yùn)行，在實(shí)際操作中還具有一定的局限性專利申請?zhí)?00910051791的“一種自動測量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)”，其系統(tǒng)所使用的非線性材料為雙折射硒化鎵晶體，由于其使用雙折射效應(yīng)來促使入射光束與太赫茲光束在晶體中滿足相位匹配條件，因而在實(shí)際進(jìn)行太赫茲波波長調(diào)諧操作時(shí)，不僅需要調(diào)諧可調(diào)諧激光源的出射波長，還需同時(shí)精確調(diào)諧入射光束與晶體光軸之間的方位角， 這將對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了一定困難，同時(shí)也提高了該系統(tǒng)的實(shí)際操作難度，不便于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用。專利申請?zhí)?00910063263的“一種太赫茲波參量振蕩器頻率調(diào)諧方法”，其太赫茲波的產(chǎn)生來源于鈮酸鋰晶體中的參量振蕩效應(yīng)，雖然只需要一束泵浦激光光束，一定程度上減小了實(shí)驗(yàn)操作難度，但是其太赫茲波波長調(diào)諧也需要精確調(diào)諧泵浦光束與參量振蕩器之間的角度，同樣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高的要求，增加了實(shí)際應(yīng)用的難度，不利于大規(guī)模應(yīng)用推廣。
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本專利將利用非線性光學(xué)共線差頻原理和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，在各向同性碲化鎘晶體中實(shí)現(xiàn)高功率可調(diào)諧準(zhǔn)連續(xù)寬波段的太赫茲光波輻射，與以上兩個(gè)專利顯著不同之處在于其太赫茲光的產(chǎn)生原理不僅應(yīng)用差頻輻射原理，還使用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，因而該系統(tǒng)的太赫茲波波長調(diào)諧完全不需要調(diào)節(jié)晶體與入射光束之間的方位角，只需調(diào)諧可調(diào)諧激光器輸出波長，使實(shí)驗(yàn)操作更加簡便，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能得到大大提高，便于該系統(tǒng)的實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前納秒激光器差頻太赫茲輻射系統(tǒng)所面臨的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，操作難度高， 不利于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出利用非線性光學(xué)共線差頻原理和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，在碲化鎘晶體中實(shí)現(xiàn)一種無角度調(diào)諧的太赫茲光輻射系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足輻射高功率準(zhǔn)連續(xù)近單色寬波段太赫茲光波特點(diǎn)的同時(shí)，還滿足其太赫茲光波長調(diào)諧簡便，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，便于大規(guī)模應(yīng)用等突出優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明技術(shù)理論來源于共線光學(xué)差頻原理和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種基于碲化鎘晶體非角度調(diào)諧的共線差頻太赫茲輻射系統(tǒng)，其產(chǎn)生的太赫茲頻率范圍為0. 80THZ-2. 74THZ。該系統(tǒng)通過使用特定光學(xué)元件，讓兩束波長相近偏振方向相互垂直的近紅外泵浦光束共線垂直入射到晶體中，經(jīng)光學(xué)共線差頻作用和準(zhǔn)相位匹配條件在晶體中輻射產(chǎn)生高功率準(zhǔn)單色的太赫茲光。理論計(jì)算表明碲化鎘晶體在1064納米波段附近的相干長度數(shù)值非常大，其相干長度在ITHz時(shí)為3. 6mm, 0. 3THz時(shí)則為35mm，同時(shí)在太赫茲光波段的吸收系數(shù)也相對較小，ITHz以下約為5CHT1。在晶體長度遠(yuǎn)小于相干長度時(shí)， 準(zhǔn)相位匹配條件在晶體中得以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)在光學(xué)差頻的作用下碲化鎘晶體將輻射出高功率的太赫茲光信號，當(dāng)改變可調(diào)諧激光源光子頻率時(shí)，系統(tǒng)差頻輻射的太赫茲光頻率也隨之發(fā)生變化。因此其太赫茲光頻率準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧的實(shí)現(xiàn)方式不再需要通過轉(zhuǎn)動共線入射光束與晶體之間的方位角，只需要改變可調(diào)諧激光源出射光束的波長。這樣不僅降低了系統(tǒng)實(shí)際操作難度，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用。系統(tǒng)采用1064nm波段激光光源，具體所用光學(xué)元件如下主泵浦激光源1、可調(diào)諧激光源2、光學(xué)延遲線3、光學(xué)半波片 4、光學(xué)偏振片5、光學(xué)半波片6、光學(xué)偏振片7、激光高反鏡8、偏振分光鏡9、孔徑光闌10、碲化鎘晶體11。系統(tǒng)工作時(shí)，由主泵浦激光源1出射光束依次經(jīng)光學(xué)延遲線3、光學(xué)半波片4、光學(xué)偏振片5，和由可調(diào)諧激光源2出射的激光光束依次經(jīng)光學(xué)半波片6、光學(xué)偏振片7、激光高反鏡8反射后光束，這兩束泵浦光束垂直入射到偏振分光鏡9中并經(jīng)孔徑光闌10后共線出射，經(jīng)各向同性非線性碲化鎘晶體11共線差頻作用輻射高功率太赫茲光信號，其太赫茲光信號由相應(yīng)太赫茲探測器進(jìn)行探測，而太赫茲光頻率由主泵浦激光源光子頻率和可調(diào)諧激光源光子頻率差決定。以下是光學(xué)元件的具體作用說明1.主泵浦激光源1和可調(diào)諧激光源2的作用是提供碲化鎘晶體差頻相互作用所需的兩束窄線寬高峰值功率密度的1064nm激光光束及其附近波段的激光光束，其中主泵浦激光源1的線寬小于0. 003cm—1，峰值功率密度大于lOOMW/cm2，具體為摻釹釔鋁石榴石激光器，而可調(diào)諧激光源2線寬小于0. 075CHT1，峰值功率密度大于50MW/cm2，具體為由激光源1 三倍頻產(chǎn)生的355nm光束泵浦產(chǎn)生的波長可調(diào)諧激光器；2.光學(xué)延遲線3的作用是使主泵浦激光源1出射光束與可調(diào)諧激光源2出射光束在時(shí)間上重合，該延遲線由若干激光高反鏡所組成，反射率大于99%，反射波段為 IOOO-IlOOnm ；3.光學(xué)半波片4和光學(xué)偏振片5的作用是使主泵浦激光源1出射光束水平偏振；4.光學(xué)半波片6和光學(xué)偏振片7的作用是使可調(diào)諧激光源2出射光束豎直偏振；5.激光高反鏡8的作用是改變可調(diào)諧激光源2出射光束的入射方向，使之與主泵浦激光源1出射光束方向垂直，其反射率大于99%，反射波段為IOOO-IlOOnm ；6.偏振分光鏡9的作用是使垂直入射的兩束激光光束共線出射，其中到達(dá)偏振分光鏡9前的主泵浦光束水平偏振，可調(diào)激光源光束豎直偏振；7.孔徑光闌10的作用是限制兩束共線入射光束的光斑直徑，調(diào)節(jié)兩束入射激光光束功率，便于實(shí)際光路共線調(diào)節(jié)；8.碲化鎘晶體11的作用是將兩束近紅外激光光束在該晶體中進(jìn)行共線光學(xué)差頻相互作用，產(chǎn)生高功率非角度調(diào)諧的太赫茲波輻射，其尺寸為IOmmX IOmmX 1mm，晶面取向 (110)。本專利與常見的基于光學(xué)方式產(chǎn)生的太赫茲光源相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)與太赫茲參量振蕩源相比較，不需要精確旋轉(zhuǎn)太赫茲波參量振蕩器諧振腔的角度，只需對另外一束可調(diào)諧激光源出射波長進(jìn)行調(diào)諧，降低實(shí)際操作難度，同時(shí)對系統(tǒng)穩(wěn)定性能得到改善；(2)與納秒激光器在雙折射晶體中的波長調(diào)諧相比較，也不需要精確調(diào)諧入射光束與晶體之間的方位角來實(shí)現(xiàn)相位匹配，也降低實(shí)驗(yàn)操作難度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；(3)相比較雙折射晶體的太赫茲共線差頻產(chǎn)生源，該系統(tǒng)易于增加諧振腔結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)一步增強(qiáng)太赫茲輻射功率，壓窄太赫茲光頻率線寬；(4)該系統(tǒng)易于搭建，在功率、頻譜、線寬等方面性能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，同時(shí)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，便于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用。


圖1為碲化鎘晶體太赫茲非角度調(diào)諧共線差頻產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中標(biāo)號1為主泵浦激光源、2為可調(diào)諧激光源、3為光學(xué)延遲線、4為光學(xué)半波片、5為光學(xué)偏振片、6為光學(xué)半波片、7為光學(xué)偏振片、8為激光高反鏡、9為偏振分光鏡、10 為孔徑光闌、11為碲化鎘晶體。圖2為該系統(tǒng)具體使用Imm的碲化鎘晶體產(chǎn)生太赫茲輻射的功率光譜分布圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行近一步詳述圖1為本專利系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，具體所用光學(xué)元件如下主泵浦激光源1、可調(diào)諧激光源2、光學(xué)延遲線3、光學(xué)半波片4、光學(xué)偏振片5、光學(xué)半波片6、光學(xué)偏振片7、激光高反鏡8、偏振分光鏡9、孔徑光闌10、碲化鎘晶體11。具體實(shí)施過程如下首先由主泵浦激光源1出射的1064nm波長的脈沖泵浦激光光束依次經(jīng)光學(xué)延遲線3、光學(xué)半波片4、光學(xué)偏振片5后，沿水平偏振入射到分束偏光鏡9中，而從可調(diào)諧激光源2出射的波長連續(xù)調(diào)諧的近單色1064nm附近波段脈沖閑頻激光光束，其波長調(diào)諧范圍為1050nm-1080nm，依次經(jīng)光學(xué)半波片6、光學(xué)偏振片7、激光高反鏡8后，沿豎直偏振方向入射到分束偏光鏡9中，此時(shí)主泵浦光束與可調(diào)諧激光光束出射方向相互垂直，這兩束光在分束偏光鏡9中共線合束為同一束光束，然后再經(jīng)孔徑光闌10出射。此時(shí)從孔徑光闌出射的兩束共線激光光束，要求不僅在空間上兩束光斑完全重合，在時(shí)間上也要完全重合。時(shí)間上兩束光束的完全重合，可由光學(xué)延遲線3的調(diào)節(jié)達(dá)到要求，而空間上光束的完全重合則由激光高反鏡8、偏振分光鏡9 的調(diào)節(jié)達(dá)到。最終，這兩束時(shí)間、空間完全重合的共線激光光束垂直入射到晶面取向?yàn)?1 1 0)的各向同性非線性碲化鎘晶體11中，1064nm偏振方向平行于晶體的<0 0 1>晶向，可調(diào)諧激光偏振方向平行于晶體的<1 -1 0>晶向，經(jīng)共線差頻作用和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)將在晶體中產(chǎn)生高功率的太赫茲光信號，其太赫茲光波長的判定可由可調(diào)諧激光源2所出射的波長計(jì)算得到，因?yàn)樵诰w內(nèi)部滿足主泵浦光、可調(diào)諧激光、太赫茲光三光光子的能量守恒。該系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲光波長的調(diào)諧工作只需要調(diào)諧可調(diào)諧激光源2出射的激光光束波長，無需調(diào)節(jié)入射光束與晶體之間的方位角。這一特性將降低實(shí)際操作難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用。系統(tǒng)輻射的太赫茲光線寬理論上由入射兩束激光線寬決定，其中可調(diào)諧激光源2的線寬較窄，只有0. 075CHT1，泵浦光1064nm的線寬也只有 0. 003cm-1，最終產(chǎn)生的太赫茲線寬很窄，理論上小于0. 08^1.圖2為該系統(tǒng)具體使用(110)晶面取向的IOmmX IOmmX Imm的碲化鎘晶體，在可調(diào)諧激光光束波長大于1064nm時(shí)產(chǎn)生的太赫茲光功率光譜分布圖，其太赫茲頻率范圍為 0. SOTHz-2. 74THz。系統(tǒng)所用激光功率參數(shù)如下主泵浦激光光束功率為50毫瓦，可調(diào)諧激光源光束功率為30毫瓦，光斑直徑均為2毫米。圖譜上出現(xiàn)很多吸收峰，這歸結(jié)于空氣中水汽分子對碲化鎘晶體輻射產(chǎn)生的太赫茲光的強(qiáng)吸收作用。本專利涉及元件進(jìn)一步描述如下主要器件a)主泵浦激光器美國continuum公司YAG激光器，波長1064nm，波長分辨率 0. 003CHT1，頻率10Hz，脈沖時(shí)間約8ns ；b)可調(diào)諧激光器美國continuum公司OPO激光器，調(diào)諧范圍400_1700歷，波長分辨率0. 075cm—1，用主泵浦激光器的355nm激光進(jìn)行泵浦，脈沖時(shí)間約^s。
權(quán)利要求
1. 一種基于碲化鎘的無角度調(diào)諧共線差頻太赫茲輻射系統(tǒng)，它包括主泵浦激光源(1)、可調(diào)諧激光源( 、光學(xué)延遲線C3)、光學(xué)半波片(4)、光學(xué)偏振片( 、光學(xué)半波片(6)、光學(xué)偏振片(7)、激光高反鏡(8)、偏振分光鏡(9)、孔徑光闌(10)、碲化鎘晶體(11)。系統(tǒng)工作時(shí)，由主泵浦激光源(1)出射光束依次經(jīng)光學(xué)延遲線(3)、光學(xué)半波片G)、光學(xué)偏振片(5)，和由可調(diào)諧激光源O)出射的激光光束依次經(jīng)光學(xué)半波片(6)、光學(xué)偏振片(7)、激光高反鏡(8)后反射光束，這兩束泵浦光束垂直入射到偏振分光鏡(9)中并經(jīng)孔徑光闌(10)共線出射，垂直入射到各向同性非線性碲化鎘晶體(11)中輻射產(chǎn)生高功率波長準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)的太赫茲光信號，其特征在于1)入射到晶體中的兩束波長相近的近紅外光偏振方向相互垂直，且共線光束垂直入射到碲化鎘晶體中；2)所使用的太赫茲產(chǎn)生晶體為各向同性碲化鎘晶體，晶面取向(110)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于碲化鎘晶體的無角度調(diào)諧納秒激光共線差頻太赫茲輻射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體利用非線性光學(xué)共線差頻原理及準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)無角度調(diào)諧的太赫茲光輻射，其波長調(diào)諧范圍為0.80THz-2.74THz。該系統(tǒng)不僅具有高功率、準(zhǔn)連續(xù)、寬波段、窄線寬、室溫工作等特點(diǎn)，同時(shí)與使用雙折射晶體作為太赫茲晶體輻射系統(tǒng)以及基于鈮酸鋰晶體的參量振蕩源相比較，還具有波長調(diào)諧更加簡便，只需調(diào)諧可調(diào)激光器輸出波長，易于增加外部近紅外諧振腔，結(jié)構(gòu)緊湊，易于搭建，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，便于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02F1/35GK102570247SQ20121001935
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者童勁超, 褚君浩, 陸金星, 黃志明, 黃敬國 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所