CN103633545A - 一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源 - Google Patents

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史伟
张卓
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Abstract

本发明公开了一种基于2
Figure 214828DEST_PATH_IMAGE002
单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，通过利用2
Figure 283278DEST_PATH_IMAGE002
可调谐单频光纤激光器作为泵浦源，利用准相位匹配的周期反转晶体作为差频晶体，由四镜环形谐振腔构成外腔增强结构，实现单频太赫兹辐射输出，本发明通过泵浦耦合***将单频光纤激光输出耦合进入准相位匹配
Figure 422135DEST_PATH_IMAGE004
晶体中，采用四镜环形腔结构，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜输出太赫兹波，具有结构紧凑、高效率、可靠性高等优点。

Description

一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，特别是一种基于                                               
Figure 2013106689600100002DEST_PATH_IMAGE002
单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源。
背景技术
太赫兹波段处于微波和光波之间，与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，因此太赫兹波被广泛应用于分子光谱、生物波谱成像分析等基础研究领域。当前太赫兹波谱成像技术主要采用超短脉冲激发光电导和非线性材料获得宽带太赫兹辐射源，但是超短脉冲激光激发的太赫兹波输出是宽带光谱等原因，其光谱分辨率存在很大的局限性，目前时域光谱分析***--TDS仅能达到大于10GHz的光谱分辨率，难以满足高分辨率的低摩尔浓度分子、生物光谱分析需求。因此，窄光谱线宽的可调谐单频太赫兹辐射源是高分辨率太赫兹波谱分析及高精度成像应用领域的关键核心技术。
太赫兹波可以通过以下几种方式产生：电子返波管（BWO）、自由电子激光器、量子级联激光器、光泵气体激光器、相干光混频以及非线性光学频率下转换等方法。
然而自由电子激光器体积庞大，实际应用困难，光泵气体激光器与返波管虽然输出功率高，但是调谐范围窄，相干光混频存在输出功率低调谐范围窄，量子级联激光器需要在低温下运转，而且调谐范围窄等缺陷。近年来，基于光学非线性频率下转换技术的光学太赫兹辐射源取得了很大进展，但由于缺少高非线性系数太赫兹差频晶体以及高效泵浦方式，其输出功率水平和调谐范围依然存在很大局限，无法充分满足太赫兹的相关应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种结构紧凑、高效率、可靠性高的一种基于
Figure 133797DEST_PATH_IMAGE002
单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源。
本发明可以通过如下措施达到。
一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于采用两个
Figure 657183DEST_PATH_IMAGE002
单频连续/脉冲光纤激光器作为泵浦源，利用差频晶体，通过外腔增强结构实现单频太赫兹辐射输出。
本发明所述的外腔增强结构为主振荡放大***结构（MOPA），主振荡放大***结构（MOPA）对
Figure 759131DEST_PATH_IMAGE002
单频种子源进行放大、输出；主振荡放大***结构（MOPA）由光纤隔离器、预放大级、功率放大级组成，实现
Figure 756DEST_PATH_IMAGE002
高功率/高能量单频单模光纤激光输出，所述光纤隔离器用于保证信号单向传输；所述预放大级用于将种子源信号通过单模有源Tm光纤实现预放大；所述功率放大级用于使预放大信号通过大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤（
Figure 2013106689600100002DEST_PATH_IMAGE004
）进行功率放大，最终获得高功率/高能量单频激光输出。
 本发明所述的外腔增强结构为线性腔结构，利用两个光纤布拉格光栅构成谐振腔，同时兼具选模作用以获得窄线宽的单模输出，通过调整光纤布拉格光栅可以实现固定波长输出和波长可变的单频光纤种子源输出，线性腔结构可为光纤Bragg光栅，利用光纤Bragg光栅选出窄线宽的单模输出，通过调整光纤Bragg光栅可以实现固定波长（1.9
Figure 2013106689600100002DEST_PATH_IMAGE006
）输出和波长可变（1.9-2
Figure 479142DEST_PATH_IMAGE006
调谐）的单频单模光纤激光输出。
本发明所述的外腔增强结构为四镜环形谐振腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜构成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度，泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强。
本发明所述的差频晶体为周期反转
Figure DEST_PATH_IMAGE008
晶体。
本发明包括两个工作于不同波长的2
Figure 794717DEST_PATH_IMAGE006
高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源、泵浦耦合***、准相位匹配晶体、四镜环形谐振腔、太赫兹辐射输出镜，两个2
Figure 395463DEST_PATH_IMAGE006
高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源通过泵浦耦合***使泵浦光进入准相位匹配晶体，准相位匹配晶体放置于四镜环形谐振腔内，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜反射输出太赫兹波。
所述泵浦耦合***包括激光合束器和准直光路，对于2
Figure 796488DEST_PATH_IMAGE006
脉冲单频光纤泵浦光，还需要添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加。两束激光经泵浦耦合***后形成双波长激光，作为差频过程的泵浦光进入准相位匹配晶体。
所述准相位匹配晶体为周期反转
Figure 140882DEST_PATH_IMAGE008
晶体，因为与双折射II类相位匹配（GaSe和ZnGeP）相比，
Figure 638859DEST_PATH_IMAGE008
晶体中不存在泵浦光两个波长的走离，不需要对两个波长的泵浦光路单独调整，因而减小了腔的损耗和调整难度，提高了腔的稳定性。
所述四镜环形谐振腔包括两个平面镜和两个凹镜组成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度。泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强。
所述太赫兹辐射输出镜为抛物球面镜，用于收集太赫兹波并转化为平行波输出。
太赫兹波的产生原理：
根据能量守恒条件，我们可以得到差频过程中，THz辐射波长可以采用下式计算：
式中，λTHz为太赫兹辐射波长，λ1和λ2为入射光波长。
在固定其中一个波长λ1不变的情况下，可以计算出输出THz频率在一定范围内调谐时，另一束抽运光波长λ2的变化曲线。
对于周期反转
Figure 79680DEST_PATH_IMAGE008
晶体，要求通光方向为[110]晶向；泵浦光偏振方向为[1-11]，通过对(110)晶片间隔倒置,使泵浦光偏振方向分别平行[1-11]和[-11-1]晶轴形成准相位匹配周期结构。根据准相位匹配条件，晶体的反转周期由下式求出：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
式中Λ为准相位匹配晶体的反转周期，λTHz为太赫兹辐射波长，λ1和λ2为入射光波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别为入射光和太赫兹波在晶体中的折射率。利用以上两个公式可以估算出实验中所需的周期反转晶体的周期、长度等参数。
本发明通过泵浦耦合***将单频光纤激光输出耦合进入准相位匹配
Figure 171264DEST_PATH_IMAGE008
晶体中，采用四镜环形腔结构，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜输出太赫兹波。
附图说明
图1为输出THz频率与可变泵浦光波长的变化关系曲线。
图2为准相位匹配晶体结构示意图。
图3为输出THz频率与可变泵浦光波长的变化关系曲线。
图4为2
Figure 53770DEST_PATH_IMAGE006
单频光纤种子源结构示意图。
图5为2
Figure 406254DEST_PATH_IMAGE006
单频单模光纤激光器结构示意图。
图6为2
Figure 20906DEST_PATH_IMAGE006
单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频单频太赫兹源结构示意图。
图中标记： [1-11]晶向1、[110]晶向2、单模793nm半导体激光器3、光纤布拉格光栅（HR）4、调Q装置5、掺Tm锗酸盐光纤6、光纤布拉格光栅（OC）7、单频光纤种子源输出8、单频光纤种子源9、隔离器I10、预放大级11、隔离器II12、高功率793nm半导体激光器13、泵浦信号合束器14、大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤15、高功率/高能量单频2
Figure 458840DEST_PATH_IMAGE006
激光输出16、固定波长（1.9
Figure 145036DEST_PATH_IMAGE006
）单频单模光纤激光器17、输出波长可变（1.9-2调谐）单频单模光纤激光器18、泵浦耦合***19、平面镜I20、凹面镜I21、周期反转
Figure 403159DEST_PATH_IMAGE008
晶体22、平面镜II23、太赫兹辐射输出镜24、 凹面镜II25、单频太赫兹辐射输出26。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1所示为根据能量守恒条件获得的输出THz频率与可变泵浦光波长的变化关系曲线。在固定其中一个波长λ1不变（1.9
Figure 328390DEST_PATH_IMAGE006
）的情况下，可以计算出输出THz频率在0.5-5THz调谐时，另一束抽运光波长λ2的变化曲线。由图1可以看出当可变泵浦光波长λ2从1.906
Figure 490381DEST_PATH_IMAGE006
变化到1.962
Figure 817457DEST_PATH_IMAGE006
时，即可实现0.5-5THz调谐的调谐输出。
图2所示为准相位匹配晶体结构示意图，泵浦光偏振方向为1.[1-11]，通光方向为2. [110]晶向。根据准相位匹配条件，我们可以得到，泵浦光波长1.9
Figure 101808DEST_PATH_IMAGE006
时一阶准相位匹配长度随所产生THz波频率的变化曲线（图3）。除此之外还需考虑
Figure 186439DEST_PATH_IMAGE008
晶体对THz的吸收对准相位匹配晶体总长度的影响。要求晶体长度的1/e等于晶体吸收长度，即。例如，在晶体吸收系数为3cm-1的情况下，晶体的总允许长度约为15mm，当采用1.9
Figure 214438DEST_PATH_IMAGE006
激光连续差频，晶体准相位匹配周期长度为1.656mm时，准相位匹配周期数不超过9。据此就可以估算实验中所需的周期反转晶体的周期、长度等参数。
周期反转
Figure 788956DEST_PATH_IMAGE008
晶体加工方面，采用高电阻率的晶体，其光轴方向为<110>，采用5-10片
Figure 189642DEST_PATH_IMAGE008
晶片键合的方式实现周期
Figure 225732DEST_PATH_IMAGE008
晶体的加工。
该单频太赫兹辐射源总体由单频光纤泵浦源和外腔增强差频单频太赫兹源结构两个部分组成。
其中，单频光纤泵浦源（见图5）包括：9.单频光纤种子源 10.隔离器I 11.预放大级 12.隔离器II 13. 高功率793nm半导体激光器 14.泵浦信号合束器 15. 大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤。
泵浦源采用主振荡放大***结构（MOPA）：9.单频光纤种子源的输出信号经过11.预放大级和功率放大级(包括13.高功率793nm半导体激光器 14.泵浦信号合束器 15. 大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤)，最终获得16.高功率/高能量单频2
Figure 789568DEST_PATH_IMAGE006
激光输出。
其中，单频光纤种子源（见图4），包括：3.单模793nm半导体激光器  4.光纤布拉格光栅（HR）5.调Q装置 6. 掺Tm锗酸盐光纤 7. 光纤布拉格光栅（OC）。4.光纤布拉格光栅（HR）和7. 光纤布拉格光栅（OC）构成谐振腔，同时兼具选模作用以获得窄线宽的单模输出。通过调整光纤布拉格光栅可以实现固定波长（1.9）输出和波长可变（1.9-2
Figure 280909DEST_PATH_IMAGE006
调谐）的8.单频光纤种子源输出，脉冲光纤激光种子源还应包括5.调Q装置。
外腔增强差频单频太赫兹源结构（见图6），包括：2个工作于不同波长的2 
Figure 374767DEST_PATH_IMAGE006
单频单模光纤激光泵浦源、19.泵浦耦合***、22. 周期反转
Figure 171822DEST_PATH_IMAGE008
晶体、四镜环形谐振腔、24.太赫兹辐射输出镜。
其中，2个工作于不同波长的2单频单模光纤激光泵浦源包括：17.固定波长（1.9）单频单模光纤激光器 18.输出波长可变（1.9-2
Figure 574619DEST_PATH_IMAGE006
调谐）单频单模光纤激光器。
四镜环形谐振腔包括：20.平面镜I、21.凹面镜I、23. 平面镜II、25. 凹面镜II。
利用这种外腔增强型结构可以使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，最终获得单频太赫兹辐射输出。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于2单频光纤激光器泵浦的外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，本发明实施例通过利用2
Figure 576390DEST_PATH_IMAGE006
单频光纤激光器作为泵浦源，利用准相位匹配的周期反转
Figure DEST_PATH_IMAGE022
晶体作为差频晶体，通过四镜环形谐振腔构成外腔增强结构，最终实现了结构紧凑、高效率、可靠性高的可调谐单频太赫兹辐射源。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于采用两个2                                                
Figure 378339DEST_PATH_IMAGE001
单频连续/脉冲光纤激光器作为泵浦源，利用差频晶体，通过外腔增强结构，实现单频太赫兹辐射输出。
2.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为主振荡放大***结构，主振荡放大***结构由光纤隔离器、预放大级、功率放大级组成，实现2高功率/高能量单频单模光纤激光输出。
3.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为线性腔结构，利用两个光纤布拉格光栅构成谐振腔，同时兼具选模作用以获得窄线宽的单模输出，通过调整光纤布拉格光栅可以实现固定波长输出和波长可变的单频光纤种子源输出。
4.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于外腔增强结构为四镜环形谐振腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜构成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，以提高泵浦光的强度，泵浦光往复通过晶体，实现外腔增强。
5.根据权利要求2所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于光纤隔离器用于保证信号单向传输；预放大级用于将种子源信号通过单模有源Tm光纤实现预放大；功率放大级用于使预放大信号通过大纤芯高浓度掺Tm锗酸盐光纤（LC-Tm:GF）进行功率放大，最终获得高功率/高能量单频激光输出。
6.根据权利要求3所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于线性腔结构为光纤Bragg光栅，利用光纤Bragg光栅选出窄线宽的单模输出，通过调整光纤Bragg光栅可以实现固定波长（1.9
Figure 213757DEST_PATH_IMAGE001
）输出和波长可变（1.9-2
Figure 70854DEST_PATH_IMAGE001
调谐）的单频单模光纤激光输出。
7.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于差频晶体为周期反转
Figure 578190DEST_PATH_IMAGE002
晶体，周期反转
Figure 229751DEST_PATH_IMAGE002
晶体的THz辐射波长为：
Figure 275068DEST_PATH_IMAGE003
式中，λTHz为太赫兹辐射波长，λ1和λ2为入射光波长，其中一个波长λ1不变的情况下，可以计算出输出THz频率在一定范围内调谐时，另一束抽运光波长λ2的变化曲线。
8.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于对于周期反转
Figure 732594DEST_PATH_IMAGE002
晶体，要求通光方向为[110]晶向；泵浦光偏振方向为[1-11] 晶向，通过对(110)晶片间隔倒置,使泵浦光偏振方向分别平行[1-11]和[-11-1]晶轴形成准相位匹配周期结构，根据准相位匹配条件，晶体的反转周期：
Figure 281387DEST_PATH_IMAGE004
式中Λ为准相位匹配晶体的反转周期，λTHz为太赫兹辐射波长，λ1和λ2为入射光波长，
Figure 369429DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 449511DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 382832DEST_PATH_IMAGE007
分别为入射光和太赫兹波在晶体中的折射率。
9.一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于包括两个工作于不同波长的2
Figure 51711DEST_PATH_IMAGE001
高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源、泵浦耦合***、准相位匹配晶体、四镜环形谐振腔、太赫兹辐射输出镜，两个2
Figure 372971DEST_PATH_IMAGE001
高功率/高能量单频单模连续/脉冲光纤激光泵浦源通过泵浦耦合***使泵浦光进入准相位匹配晶体，准相位匹配晶体放置于四镜环形谐振腔内，使泵浦光往复通过晶体，提高光子利用效率，以实现外腔增强，最终通过放置于准相位匹配晶体右侧的太赫兹辐射输出镜反射输出太赫兹波，所述泵浦耦合***包括激光合束器和准直光路，对于2
Figure 861721DEST_PATH_IMAGE001
脉冲单频光纤泵浦光，还需要添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加，两束激光经泵浦耦合***后形成双波长激光，作为差频过程的泵浦光进入准相位匹配晶体，四镜环形谐振腔包括两个平面镜和两个凹镜组成，凹镜用于将泵浦光聚焦至差频晶体中，泵浦光往复通过晶体，实现外腔增强。
10.根据权利要求1所述的一种外腔增强差频可调谐单频太赫兹源，其特征在于太赫兹辐射输出镜为用于收集太赫兹波并转化为平行波输出的抛物球面镜。
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