CN110190491A - 一种种子注入式太赫兹参量产生器 - Google Patents

一种种子注入式太赫兹参量产生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种种子注入式太赫兹参量产生器，包括激光泵浦光源、种子光光源、光束整形单元和非线性晶体；所述激光泵浦光源发射的泵浦光和所述种子光光源发射的种子光均射入所述光束整形单元，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体入射面的同一位置，在所述非线性晶体中通过受激拉曼散射和二阶非线性参量过程产生太赫兹光；本发明提供的一种种子注入式太赫兹参量产生器，在提高泵浦光能量的同时，减小太赫兹光在非线性晶体中的吸收损耗，提高了太赫兹光的功率。

Description

一种种子注入式太赫兹参量产生器
技术领域
本发明涉及太赫兹源的技术领域，特别是涉及一种种子注入式太赫兹参量产生器。
背景技术
太赫兹参量技术是强激光通过非线性晶体(如LiNbO3，铌酸锂)，近红外的泵浦光与晶体中同时具有红外和拉曼活性的A1(LiNbO3中为248cm-1)对称最低横光学极性振动模相互作用，激发出频率相近的近红外斯托克斯光子(闲频光)，同时产生受激偶极子，即太赫兹辐射。种子注入式太赫兹参量产生器(is-TPG)是一种高峰值功率、窄线宽、便于调谐、室温工作的太赫兹辐射源，是最具实用化潜力的理想太赫兹光源之一。日本理化研究所和名古屋大学报道了is-TPG，都是由泵浦源、种子源和非线性晶体组成的。虽然近些年来is-TPG的输出功率已经有了很大提高，但是如何进一步提高is-TPG的输出功率，仍是目前研究的热点和难点。
现有方法中，提升太赫兹参量光源的功率时，若采用提高泵浦光能量的方式，会增加泵浦功率密度，泵浦功率密度增加，容易造成非线性晶体的损坏；为了避免造成非线性晶体的损坏，通过提高泵浦光光斑尺寸来保持泵浦密度不增加，但是大尺寸光斑会增加太赫兹波在非线性晶体内的吸收，进而降低太赫兹参量光源的功率，无法实现提升太赫兹参量光源功率。因此，需要切实有效的手段实现太赫兹参量光源的功率提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种种子注入式太赫兹参量产生器，在提高泵浦光能量的同时，减小太赫兹光在非线性晶体中的吸收损耗，提高了太赫兹光的功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种种子注入式太赫兹参量产生器，包括激光泵浦光源、种子光光源、光束整形单元和非线性晶体；所述激光泵浦光源发射的泵浦光和所述种子光光源发射的种子光均射入所述光束整形单元，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体入射面的同一位置，在所述非线性晶体中通过受激拉曼散射和二阶非线性参量过程产生太赫兹光；
所述光束整形单元包括第一光束整形子单元和第二光束整形子单元；
所述第一光束整形子单元包括第一扩束器、第一平顶整形器和第一柱透镜；所述激光泵浦光源发射的泵浦光依次通过所述第一扩束器、所述第一平顶整形器和所述第一柱透镜射入所述非线性晶体的入射面；
所述第二光束整形子单元包括第二扩束器、第二平顶整形器和第二柱透镜；所述种子光依次通过所述第二扩束器、所述第二平顶整形器和所述第二柱透镜射入所述非线性晶体的入射面。
可选的，所述非线性晶体的厚度小于或等于1.5mm。
可选的，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高反镜，所述高反镜设置于所述第二柱透镜与所述非线性晶体之间，用于调节种子光射入所述非线性晶体的入射面的位置。
可选的，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高阻硅棱镜，所述高阻硅棱镜与所述非线性晶体出射面接触，所述高阻硅棱镜用于将所述太赫兹光进行耦合输出。
可选的，所述高阻硅棱镜与所述非线性晶体入射端之间的距离大于设定距离。
可选的，所述高阻硅棱镜为三棱柱。
可选的，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体的入射面的夹角范围为0.5°-3°。
可选的，所述非线性晶体产生的太赫兹光的调谐范围为0.7THz-3THz。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的一种种子注入式太赫兹参量产生器，激光泵浦光源、种子光光源、光束整形单元和非线性晶体，通过对泵浦光和种子光进行光束整形，通过整形使泵浦光斑和种子光斑变大，并使泵浦光和种子光的能量分布从高斯型变为平顶型，光斑形状从圆形变为长条形。整形后，太赫兹信号在波导中的全内反射，增加了三波耦合作用体积。使得太赫兹波实现近表面输出，减少非线性晶体对太赫兹的吸收损耗。降低了对泵浦光功率密度的要求，在较低峰值功率泵浦下，保持高的参量转换效率，提高了太赫兹光的功率，进而降低晶体损坏的风险。
附图说明
图1为本发明实施例所述种子注入式太赫兹参量产生器的结构示意图；
图2为现有技术中泵浦光、种子光的光斑形状及入射位置示意图；
图3为本发明实施例整形后泵浦光、种子光的光斑形状及入射位置示意图。
附图标记：1-激光泵浦光源，2-种子光光源，3-泵浦光，4-种子光，5-第一扩束器，6-第二扩束器，7-第一平顶整形器，8-第二平顶整形器，9-第一柱透镜，10-第二柱透镜，11-第一高反镜，12-第二高反镜，13-非线性晶体，14-高阻硅棱镜，15-太赫兹光，16-第一位置，17-第一非线性晶体，18-第二位置，19-第二非线性晶体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种种子注入式太赫兹参量产生器，在提高泵浦光能量的同时，减小太赫兹光在非线性晶体中的吸收损耗，提高了太赫兹光的功率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所述种子注入式太赫兹参量产生器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种种子注入式太赫兹参量产生器，包括激光泵浦光源1、种子光光源4、光束整形单元和非线性晶体13；所述激光泵浦光源1发射的泵浦光3和所述种子光光源2发射的种子光4均射入所述光束整形单元，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光3和种子光4射入所述非线性晶体13入射面的同一位置，在所述非线性晶体13中通过受激拉曼散射和二阶非线性参量过程产生太赫兹光15。
所述光束整形单元包括第一光束整形子单元和第二光束整形子单元；
所述第一光束整形子单元包括第一扩束器5、第一平顶整形器7和第一柱透镜9；所述泵浦光3依次通过所述第一扩束器5、所述第一平顶整形器7和所述第一柱透镜9射入所述非线性晶体13的入射面；
所述第二光束整形子单元包括所述第二光束整形单元包括第二扩束器6、第二平顶整形器8和第二柱透镜10；所述种子光4依次通过所述第二扩束器6、所述第二平顶整形器8和所述第二柱透镜10射入所述非线性晶体13的入射面。
所述第一扩束器5将所述泵浦光3的光斑变大，并通过所述第一平顶整形器7将泵浦光3的能量分布由高斯型变为平顶型；进而再通过所述第一柱透镜9改变射入的泵浦光3的光斑形状。
所述第二扩束器6将所述种子光4的光斑变大，并通过所述第二平顶整形器8将种子光4的能量分布由高斯型变为平顶型；进而再通过所述第二柱透镜10改变射入的种子光4的光斑形状。
其中，整形后的泵浦光的能量分布与整形后的种子光的能量分布均由高斯型变为平顶型；且整形后的泵浦光的光斑与整形后的种子光的光斑均由圆形变为四边形，所述四边形优选为长方形。
激光泵浦光源1的参数优选为46mJ/pulse，100Hz，脉冲宽度400ps，光斑为圆形，能量分布为高斯型，半高全宽2mm，波长1064nm。
种子光光源4的参数优选为1500mW，半高全宽3mm，圆形光斑，能量分布为高斯型，波长1071nm。
并且，所述泵浦光3和所述种子光4均被所述光束整形单元整形，进一步的，增加了闲频光的有效作用体积，从而提高了参量效率。
经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体的入射面的夹角范围为0.5°-3°，所述非线性晶体产生的太赫兹光的调谐范围为0.7THz-3THz。
所述泵浦光3和所述种子光4(斯托克斯光)应当满足相位匹配条件：其中为泵浦光的波矢；太赫兹光的光矢；斯托克斯光的波矢。
进一步的，所述非线性晶体13的厚度小于或等于1.5mm。
为了调节整形后的种子光的反射光进入所述非线性晶体13的入射角度，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高反镜，所述高反镜设置于所述第二柱透镜10与所述非线性晶体13之间；所述高反镜的个数并与所述种子光4的入射角度有关。
当所述种子光4与所述泵浦光3大致垂直时，所述高反镜的个数为1个，所述种子光4射入所述高反镜，经所述高反镜一次反射射入所述非线性晶体的入射面。
当所述种子光与所述泵浦光大致平行时，所述高反镜包括第一高反镜12和第二高反镜11。所述放大整形后的种子光4射入所述第一高反镜12，并经第一高反镜12反射射入所述第二高反镜11，再经所述第二高反镜11反射射入所述非线性晶体13的入射面上。
当所述种子光4与所述泵浦光3的夹角大于设定夹角时，所述种子光4与所述泵浦光3大致垂直；当所述种子光4与所述泵浦光3的夹角不大于设定夹角时，所述种子光4与所述泵浦光3大致平行，所述设定夹角与所述高反镜的反射率有关。
为了将种子光4和所述太赫兹光15进行耦合输出，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高阻硅棱镜14，所述高阻硅棱镜14与所述非线性晶体13出射面接触。
为了使所述激光泵浦光源1产生的泵浦光3和所述种子光光源2产生的种子光4在所述非线性晶体13的参量过程实现了种子光4(斯托克斯光)和太赫兹光15的持续放大，所述高阻硅棱镜14与所述非线性晶体13入射端之间的距离大于设定距离；所述设定距离优选为2cm。
具体的，所述高阻硅棱镜14为三棱柱，所述三棱柱的底面为顶角为41°的等腰三角形；其中，底为等腰三角形，顶角为41°，两腰面抛光，高7mm。
图2为现有技术中泵浦光3、种子光4的光斑形状及入射位置示意图，如图2所示，第一位置16为现有技术中泵浦光3、种子光4的光斑形状及入射位置，光斑均为圆形，位置重合，入射位置为靠近非线性晶体上表面。需要的第一非线性晶体17的厚度较大。图3为本发明实施例整形后泵浦光3、种子光4的光斑形状及入射位置示意图，如图3所示，第二位置为整形后泵浦光3、种子光4的光斑形状及入射位置，光斑为长条形，位置重合，第二非线性晶体19的厚度明显小于第一非线性晶体17的厚度。
本发明通过扩束器获得足够大的泵浦光3和种子光4光斑尺寸，然后通过平顶整形器使得能量分布由高斯型变为平顶型，最后通过柱透镜使得光斑变为长条形并耦合进入非线性晶体13内。增大光斑尺寸以确保提高泵浦光3总能量的同时，不会对非线性晶体13造成损伤；有效增加太赫兹光15与斯托克斯光的作用体积，可减少非线性晶体13对输出太赫兹的吸收损耗，有效的提高太赫兹参量光源的功率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，包括激光泵浦光源、种子光光源、光束整形单元和非线性晶体；所述激光泵浦光源发射的泵浦光和所述种子光光源发射的种子光均射入所述光束整形单元，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体入射面的同一位置，在所述非线性晶体中通过受激拉曼散射和二阶非线性参量过程产生太赫兹光；
所述光束整形单元包括第一光束整形子单元和第二光束整形子单元；
所述第一光束整形子单元包括第一扩束器、第一平顶整形器和第一柱透镜；所述激光泵浦光源发射的泵浦光依次通过所述第一扩束器、所述第一平顶整形器和所述第一柱透镜射入所述非线性晶体的入射面；
所述第二光束整形子单元包括第二扩束器、第二平顶整形器和第二柱透镜；所述种子光依次通过所述第二扩束器、所述第二平顶整形器和所述第二柱透镜射入所述非线性晶体的入射面。
2.根据权利要求1所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述非线性晶体的厚度小于或等于1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高反镜，所述高反镜设置于所述第二柱透镜与所述非线性晶体之间，用于调节种子光射入所述非线性晶体的入射面的位置。
4.根据权利要求1所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述种子注入式太赫兹参量产生器还包括高阻硅棱镜，所述高阻硅棱镜与所述非线性晶体出射面接触，所述高阻硅棱镜用于将所述太赫兹光进行耦合输出。
5.根据权利要求4所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述高阻硅棱镜与所述非线性晶体入射端之间的距离大于设定距离。
6.根据权利要求4所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述高阻硅棱镜为三棱柱。
7.根据权利要求1所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，经过所述光束整形单元整形之后的泵浦光和种子光射入所述非线性晶体的入射面的夹角范围为0.5°-3°。
8.根据权利要求7所述的一种种子注入式太赫兹参量产生器，其特征在于，所述非线性晶体产生的太赫兹光的调谐范围为0.7THz-3THz。
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