一種階梯形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)太赫茲脈沖發(fā)射源及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲輻射源研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種階梯形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)太赫茲脈沖 發(fā)射源及設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲光譜技術(shù)以其獨(dú)特的光譜特性和穿透性，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、安檢等 領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，而強(qiáng)脈沖太赫茲源的發(fā)展對(duì)太赫茲瞬態(tài)探測(cè)技術(shù)研究、極端條件 下材料的性質(zhì)改變研究、太赫茲生物非熱效應(yīng)研究等都具有重要意義。但是目前，無論是光 子學(xué)方法還是電子學(xué)方法，都難于獲得足夠強(qiáng)的脈沖太赫茲輻射光源。采用高能量飛秒激 光栗浦具有高非線性系數(shù)的鈮酸鋰晶體是產(chǎn)生強(qiáng)脈沖太赫茲輻射的一種有效途徑，然而由 于受到晶體吸收和色散的影響，太赫茲脈沖強(qiáng)度的進(jìn)一步提高受到了極大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種階梯形結(jié)構(gòu) 的強(qiáng)太赫茲脈沖發(fā)射源及設(shè)計(jì)方法。利用高能量飛秒激光栗浦階梯形結(jié)構(gòu)鈮酸晶體產(chǎn)生強(qiáng) 太赫茲脈沖輸射的太赫茲光源，并給出了利用相位匹配材料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的單個(gè)太赫茲脈沖 輻射輸出的方法。利用具有高損傷閾值的反射光柵對(duì)栗浦飛秒激光波束前沿進(jìn)行整形、采 用階梯形鈮酸鋰晶體作為工作介質(zhì)并利用聚四氟乙烯等材料作為相位匹配材料，產(chǎn)生高強(qiáng) 度太赫茲脈沖(簡稱強(qiáng)太赫茲脈沖）。本發(fā)明適用于利用飛秒激光栗浦鈮酸鋰晶體產(chǎn)生強(qiáng)太 赫茲脈沖輻射的光學(xué)太赫茲源，以及采用該太赫茲源作為系統(tǒng)光源的太赫茲光譜成像系 統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種階梯形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)太赫茲脈沖發(fā)射源包括：
[0006] 飛秒激光波前整形模塊，用于對(duì)栗浦飛秒激光進(jìn)行整形，使栗浦飛秒激光的波前 在階梯形鈮酸鋰晶體傾斜角度為α，使得栗浦飛秒激光與階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的強(qiáng)太赫 茲波實(shí)現(xiàn)非共線相位匹配；
[0007] 階梯形鈮酸鋰晶體，用于將栗浦飛秒激光轉(zhuǎn)換為i個(gè)太赫茲脈沖;將楔形鈮酸鋰晶 體沿底面裁剪成階梯形結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰晶體，即為階梯形鈮酸鋰晶體;其中楔形鈮酸鋰晶體 的側(cè)面作為階梯形鈮酸鋰晶體底面，階梯形鈮酸鋰晶體底面與相位匹配結(jié)構(gòu)底面重合;階 梯形鈮酸鋰晶體中挖空部分遠(yuǎn)離階梯形鈮酸鋰晶體底面，階梯形鈮酸鋰晶體中階梯形機(jī)構(gòu) 的臺(tái)階面與楔形鈮酸鋰晶體底面平行;階梯形鈮酸鋰晶體有i個(gè)臺(tái)階；
[0008] 相位匹配結(jié)構(gòu)，用于消除階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的多個(gè)太赫茲脈沖的相對(duì)時(shí)間延 遲，將階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的多個(gè)太赫茲脈沖耦合為一個(gè)強(qiáng)太赫茲脈沖；相位匹配結(jié)構(gòu) 是階梯結(jié)構(gòu)，所述階梯結(jié)構(gòu)底面作為相位匹配結(jié)構(gòu)底面;相位匹配結(jié)構(gòu)有i_l個(gè)臺(tái)階;相位 匹配結(jié)構(gòu)第1臺(tái)階與階梯形鈮酸鋰晶體第2個(gè)階梯臺(tái)階底面重合，直到相位匹配結(jié)構(gòu)第i-1 臺(tái)階與階梯形鈮酸鋰晶體第i個(gè)階梯臺(tái)階底面重合；
[0009]當(dāng)經(jīng)過飛秒激光波前整形模塊的栗浦飛秒激光，垂直入射于階梯形鈮酸鋰晶體端 面時(shí)，栗浦飛秒激光覆蓋整個(gè)階梯形鈮酸鋰晶體端面，在階梯形鈮酸鋰晶體底面等間距形 成i個(gè)太赫茲脈沖;然后所述i個(gè)太赫茲脈沖中從第2個(gè)太赫茲脈沖到第i個(gè)太赫茲脈沖經(jīng)過 相位匹配結(jié)構(gòu)中i-Ι個(gè)臺(tái)階耦合成一個(gè)強(qiáng)太赫茲脈沖;所述階梯形鈮酸鋰晶體端面指的是 垂直于階梯形鈮酸鋰晶體中階梯形結(jié)構(gòu)臺(tái)階面的端面;太赫茲脈沖出射方向與相位匹配結(jié) 構(gòu)的底面垂直。
[00?0] 進(jìn)一步的，所述相位匹配結(jié)構(gòu)中每個(gè)階梯結(jié)構(gòu)的臺(tái)階高度dP = tan( γ )*(ηι_1)* cU/(nP-l);其中γ =α，γ為階梯形鈮酸鋰晶體底面與階梯形鈮酸鋰晶體端面夾角；相位匹 配結(jié)構(gòu)中第1個(gè)到第i-Ι個(gè)階梯結(jié)構(gòu)的臺(tái)階長度對(duì)應(yīng)等于階梯形鈮酸鋰晶體第2個(gè)到第i個(gè) 楔形側(cè)面長度;m指的是鈮酸鋰晶體在栗浦飛秒激光波段的折射率。辦指的是相位匹配材料 在太赫茲波段的折射率。
[00?1 ]進(jìn)一步的，所述階梯形銀酸鋰晶體階梯高度分別為di，d2、d3......di，其中i> = 2; 其中 d2 = d3 =......=di = di_0 · 5~1 · 5mm;di 范圍 2 ~5mm。
[0012] 進(jìn)一步的，所述飛秒激光波前整形模塊包括反射光柵、兩個(gè)透鏡;栗浦飛秒激光通 過光柵后，依次通過兩個(gè)成像透鏡后入射至整個(gè)階梯形鈮酸鋰晶體端面;兩個(gè)成像透鏡組 成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng);其中栗浦飛秒激光的光柵入射角在光柵的閃耀角Θ附近，光柵入射角范圍為
Γ其中，S為光柵入射角，β為光柵出射角，λ為栗 浦飛秒激光入射光波長，fi、f2分別兩個(gè)透鏡的焦距，m為鈮酸鋰晶體在入射光波段的折射 率;N是光柵刻線密度。相位匹配結(jié)構(gòu)材質(zhì)為聚四氟乙烯或聚乙烯。
[0013] 進(jìn)一步的，所述γ的范圍是63° ±1°。
[0014] -種階梯形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)太赫茲脈沖發(fā)射源設(shè)計(jì)方法包括：
[0015] 步驟1:通過飛秒激光波前整形模塊對(duì)栗浦飛秒激光進(jìn)行整形，使栗浦飛秒激光的 波前在階梯形鈮酸鋰晶體傾斜角度α，使得栗浦飛秒激光與階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的強(qiáng)太 赫茲波實(shí)現(xiàn)非共線相位匹配；
[0016] 步驟2:通過階梯形鈮酸鋰晶體將栗浦飛秒激光轉(zhuǎn)換為i個(gè)太赫茲波;將楔形鈮酸 鋰晶體沿底面裁剪成階梯形結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰晶體，即為階梯形鈮酸鋰晶體;其中楔形鈮酸鋰 晶體的側(cè)面作為階梯形鈮酸鋰晶體底面，階梯形鈮酸鋰晶體底面與相位匹配結(jié)構(gòu)底面重 合;階梯形鈮酸鋰晶體中挖空部分遠(yuǎn)離階梯形鈮酸鋰晶體底面，階梯形鈮酸鋰晶體中階梯 形結(jié)構(gòu)的臺(tái)階面與楔形鈮酸鋰晶體底面平行;階梯形鈮酸鋰晶體有i個(gè)臺(tái)階；
[0017] 步驟3:通過相位匹配結(jié)構(gòu)消除階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的多個(gè)太赫茲脈沖的相對(duì) 時(shí)間延遲，將階梯形鈮酸鋰晶體產(chǎn)生的多個(gè)太赫茲脈沖耦合為一個(gè)強(qiáng)太赫茲脈沖；相位匹 配結(jié)構(gòu)是階梯結(jié)構(gòu)，所述階梯結(jié)構(gòu)底面作為相位匹配結(jié)構(gòu)底面;相位匹配結(jié)構(gòu)有i-Ι個(gè)臺(tái) 階;相位匹配結(jié)構(gòu)第1臺(tái)階與階梯形鈮酸鋰晶體第2個(gè)階梯臺(tái)階底面重合，直到相位匹配結(jié) 構(gòu)第i-Ι臺(tái)階與階梯形鈮酸鋰晶體第i個(gè)階梯臺(tái)階底面重合；
[0018] 步驟4:當(dāng)經(jīng)過飛秒激光波前整形模塊的栗浦飛秒激光，垂直入射于階梯形鈮酸鋰 晶體端面時(shí)，栗浦飛秒激光覆蓋整個(gè)階梯形鈮酸鋰晶體端面，在階梯形鈮酸鋰晶體底面等 間距形成i個(gè)太赫茲脈沖;然后所述i個(gè)太赫茲脈沖中從第2個(gè)太赫茲脈沖到第i個(gè)太赫茲脈 沖經(jīng)過相位匹配結(jié)構(gòu)中i-Ι個(gè)臺(tái)階耦合成一個(gè)強(qiáng)太赫茲脈沖;所述階梯形鈮酸鋰晶體端面 指的是垂直于階梯形鈮酸鋰晶體中階梯形結(jié)構(gòu)臺(tái)階面的端面;太赫茲脈沖出射方向與相位 匹配結(jié)構(gòu)的底面垂直。
[0019] 進(jìn)一步的，所述相位匹配結(jié)構(gòu)中每個(gè)階梯結(jié)構(gòu)的臺(tái)階高度dP = tan( γ )*(ηι_1)* cU/(nP-l);其中γ =α，γ為階梯形鈮酸鋰晶體底面與階梯形鈮酸鋰晶體端面夾角；相位匹 配結(jié)構(gòu)中第1個(gè)到第i-Ι個(gè)階梯結(jié)構(gòu)的臺(tái)階長度對(duì)應(yīng)等于階梯形鈮酸鋰晶體第2個(gè)到第i個(gè) 楔形側(cè)面長度;m指的是鈮酸鋰晶體在栗浦飛秒激光波段的折射率。辦指的是相位匹配材料 在太赫茲波段的折射率。
[0020]進(jìn)一步的，所述階梯形銀酸鋰晶體階梯高度分別為di，d2、d3......di，其中i> = 2; 其中 d2 = d3 = =di = di_0 · 5~1 · 5mm;di 范圍 2 ~5mm。
[0021 ]進(jìn)一步的，所述飛秒激光波前整形模塊包括反射光柵、兩個(gè)透鏡;栗浦飛秒激光通 過光柵后，依次通過兩個(gè)成像透鏡后入射至整個(gè)階梯形鈮酸鋰晶體端面;兩個(gè)成像透鏡組 成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng);其中栗浦飛秒激光的光柵入射角在光柵的閃耀角Θ附近，光柵入射角范圍為
;其中，S為光柵入射角，β為光柵出射角，λ為栗 浦飛秒激光入射光波長，fi、f2分別兩個(gè)透鏡的焦距，m為鈮酸鋰晶體