專利名稱：太赫茲波光學(xué)參量放大裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲波光學(xué)參量放大技術(shù)，具體涉及一種太赫茲波光學(xué)參量放大方法及其裝置。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)輻射通常指的是頻率在0. ITHz IOTHz之間的電磁波，其波段在微波和遠(yuǎn)紅外之間。THz電磁輻射具有非常獨(dú)特的性質(zhì)，它可以透過各種生物體、電介質(zhì)材料以及氣相物質(zhì)，這些介質(zhì)在THz波段具有豐富的吸收和色散性質(zhì)，通過測量并分析樣品的 THz信號便可以獲得關(guān)于材料中的物質(zhì)成分和物理、化學(xué)以及生物學(xué)信息。太赫茲頻域在高數(shù)據(jù)率通信、保密通信、精確制導(dǎo)和隱藏武器探測等方面有重要的應(yīng)用。因此，太赫茲(THz) 技術(shù)在國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究等領(lǐng)域有多方面的應(yīng)用前景。THz輻射源研究是THz 科學(xué)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。如何產(chǎn)生高功率(高能量)、高效率的THz輻射源成為 THz技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研究及發(fā)展的關(guān)鍵問題。目前，THz輻射源的直接輸出功率都在毫瓦(平均功率)和千瓦(峰值功率)，光學(xué)THz波參量放大技術(shù)是目前解決這一關(guān)鍵問題的重要途徑。光學(xué)THz波參量放大技術(shù)基于光學(xué)差頻過程(ωΤΗζ = ω s浦光-ω it號光)，可以獲得更高的THz波輸出功率，并且具有能在室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)、增益寬帶大和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種太赫茲波光學(xué)參量放大方法及其裝置，以解決現(xiàn)有光學(xué)太赫茲源技術(shù)中輸出功率低、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特殊之處在于包括泵浦源、THz波信號源及THz 波參量放大器，所述THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，所述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口，所述非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，所述泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口，所述THz波信號源發(fā)射的THz波入射至信號光輸入端口，所述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置的輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，所述非線性光學(xué)晶體輸出THz波。還包括反饋系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)包括THz波功率計(jì)、反饋電路、THz波反射鏡以及設(shè)置在THz波反射鏡底部的第二旋轉(zhuǎn)平臺，所述THz波反射鏡設(shè)置在非線性光學(xué)晶體的光路上并與非線性光學(xué)晶體輸出的THz波成45°夾角，所述THz波參量放大器還包括設(shè)置在非線性光學(xué)晶體底部的第一旋轉(zhuǎn)平臺及電控制模塊，所述非線性光學(xué)晶體輸出的THz波通過THz波反射鏡將THz波反射至THz波功率計(jì)的采樣檢測輸入端，所述反饋電路輸出端與THz波功率計(jì)連接，所述反饋電路的輸出端與電控制模塊的輸入端連接，所述電控制模塊的輸出端與第一旋轉(zhuǎn)平臺連接。上述THz波參量放大器還包括THz波窗片，所述THz波窗片設(shè)置在非線性光學(xué)晶體和THz波反射鏡之間。上述泵浦源包括按照光路依次設(shè)置的激光器、全反鏡、半波片、偏振控制器以及光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)，所述全反鏡與激光器發(fā)射的光束成45°夾角，所述光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)的輸出泵浦光輸入至泵浦光的輸入端口。上述非線性光學(xué)晶體為GaP晶體、ZGP晶體、( 晶體、GaAs晶體或DAST晶體。上述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置為離軸拋物面反射鏡。太赫茲波光學(xué)參量放大裝置的參量放大方法，其特殊之處在于包括以下步驟1泵浦源輸出豎直偏振的泵浦光和THz信號源輸出水平偏振的信號光以共線的方式發(fā)送給THz波參量放大器THz波信號源16輸出的信號光和泵浦光輸出的泵浦光的脈沖寬度相同；所述THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口， 非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口 THz波信號源發(fā)射的信號光入射至信號光輸入端口，泵浦光和信號光經(jīng)空間光束準(zhǔn)直及分束裝置整形合束形成合成光；2空間光束準(zhǔn)直及分束裝置輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，合成光產(chǎn)生二階非線性作用，輸出功率放大的THz波和閑頻光。還包括步驟3反饋調(diào)節(jié)步驟THz波功率計(jì)通過THz波反射鏡的采集反射的THz波進(jìn)行功率計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給反饋電路，反饋電路根據(jù)計(jì)算結(jié)果向電路控制模塊發(fā)送控制信號，控制信號控制第一旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)非線性光學(xué)晶體旋轉(zhuǎn)。上述泵浦光的產(chǎn)生方法為激光器發(fā)射激光束經(jīng)過全反鏡、半波片、偏振控制器以及光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)向空間光束準(zhǔn)直及分束裝置輸入泵浦光，用半波片和偏振控制器組成的衰減器來控制選擇合適的泵浦光脈沖能量以及控制輸出泵浦光為豎直偏振；所述激光器為單縱模，線寬0. 003cm-1,波長1064nm，脈寬8ns，單脈沖能量大于 150mJ。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明單通增益高、放大噪聲低、可以級聯(lián)，不斷增大具有極高的功率提升潛力，填補(bǔ)國內(nèi)外THz波功率光學(xué)放大技術(shù)的空白；2、本發(fā)明放大裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠性好；3、本發(fā)明放大裝置本身采用功率自檢和反饋系統(tǒng)，功率放大穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明的原理框架圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的放大THz波長和產(chǎn)生閑頻光波長關(guān)系示意圖4為本發(fā)明實(shí)施例的THz波的放大效率隨THz波長變化的歸一化示意圖；其中附圖標(biāo)記為1-激光器，2-全反鏡，3-半波片，4-偏振控制器，5-光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)，6-THz波信號源，7-離軸拋物面反射鏡，8-磷化鎵晶體(GaP)，9-第一旋轉(zhuǎn)平臺， 10-電腦，Il-THz波反射鏡，12-第二旋轉(zhuǎn)平臺，13-離軸拋物面反射鏡，14-THz功率計(jì)， 15-泵浦源，16-THz波信號源，17-太赫茲光參量放大器ΤΡΑ，18-THz波功率計(jì)。
具體實(shí)施例方式太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，包括泵浦源15、THz波信號源16及THz波參量放大器17，THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口，非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口，THz波信號源發(fā)射的THz波入射至信號光輸入端口，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置的輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，非線性光學(xué)晶體輸出THz波。還包括反饋系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)包括THz 波功率計(jì)18、反饋電路、THz波反射鏡11以及設(shè)置在THz波反射鏡底部的第二旋轉(zhuǎn)平臺 12,THz波反射鏡11設(shè)置在非線性光學(xué)晶體的光路上并與非線性光學(xué)晶體輸出的THz波成 45°夾角，THz波參量放大器還包括設(shè)置在非線性光學(xué)晶體底部的第一旋轉(zhuǎn)平臺9及電控制模塊，非線性光學(xué)晶體輸出的THz波通過THz波反射鏡將THz波反射至THz波功率計(jì)的采樣檢測輸入端，反饋電路輸出端與THz波功率計(jì)連接，反饋電路的輸出端與電控制模塊的輸入端連接，電控制模塊的輸出端與第一旋轉(zhuǎn)平臺連接。THz波參量放大器還包括THz波窗片，所述THz波窗片設(shè)置在非線性光學(xué)晶體和 THz波反射鏡之間。泵浦源包括按照光路依次設(shè)置的激光器1、全反鏡2、半波片3、偏振控制器4以及光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)5，所述全反鏡與激光器發(fā)射的光束成45°夾角，所述光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)的輸出泵浦光輸入至泵浦光的輸入端口。非線性光學(xué)晶體為GaP晶體、ZGP晶體、( 晶體、GaAs晶體或DAST晶體。空間光束準(zhǔn)直及分束裝置為離軸拋物面反射鏡7。太赫茲波光學(xué)參量放大方法，包括以下實(shí)現(xiàn)步驟(1)泵浦源輸出豎直偏振的泵浦光經(jīng)過THz波參量放大器；THz波參量放大器接收直接來自泵浦源的泵浦光，與( 中輸入的THz波產(chǎn)生二階非線性過程，放大THz波功率并產(chǎn)生閑頻光；，泵浦光和信號光的偏振方向分別和非線性光學(xué)晶體(晶軸即晶體的光軸) 方向平行或正交。(2) THz信號源輸出水平偏振的信號光經(jīng)過已注入泵浦光的THz波參量放大器；所述THz波光學(xué)參量放大器接收來自THz信號源的信號光，與(1)中已輸入的泵浦光產(chǎn)生二階非線性作用，輸出功率放大的THz波并產(chǎn)生閑頻光；考慮到對光學(xué)參量放大器的放大過程的穩(wěn)定性控制，該方法還包括步驟(3)采樣THz波參量放大器輸出的功率，實(shí)時(shí)反饋調(diào)整放大器中非線性晶體的旋轉(zhuǎn)角度使得放大器具有穩(wěn)定的放大效率。步驟(1)是采用由半波片和偏振片組成的衰減器來控制選擇合適的泵浦光脈沖能量以及控制輸出泵浦光為豎直偏振。步驟( THz信號源是水平偏振輸出，經(jīng)過放大器前需要用THz波離軸拋物面鏡進(jìn)行光束控制。步驟⑴和⑵中的放大器中采用的晶體為磷化鎵晶體S(GaP)，晶體，其中泵浦光和信號光的偏振方向分別和晶體001方向平行和正交。在對THz波輸出功率采樣測量的時(shí)候，可以用THz分束鏡選取5%的功率輸入THz 功率計(jì)14對輸出功率進(jìn)行測量。太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，包括泵浦源、THz波信號源以及設(shè)置于和泵浦光、信號光同一光路的THz波參量放大器；其中THz波參量放大器具有太赫茲輻射輸入及輸出端口 ；THz波參量放大器還設(shè)置有相應(yīng)泵浦光的輸入端口?？紤]到需要對輸出THz波功率進(jìn)行測量，所述THz波功率測量系統(tǒng)的采樣檢測輸入端與THz波參量放大器太赫茲輻射輸出端口構(gòu)成THz波束空間耦合(比如可通過從輸出端用兩個(gè)離軸拋物面鏡耦合到輸入端)，THz波長檢測系統(tǒng)的反饋信號輸出端與THz波放大器的電控制模塊連接。泵浦源為納秒級或皮秒級脈沖泵浦源。放大器對應(yīng)放大的THz信號為納秒級或皮秒級脈沖THz信號。泵浦源和信號源為皮秒級時(shí)需要同步。THz波參量放大器包括空間光束準(zhǔn)直及分束裝置、磷化鎵晶體GaP和THz波窗片， THz波窗片為聚氯乙烯濾波器。作為公知的技術(shù)概念，光學(xué)差頻的過程即泵浦光-信號光=閑頻光，是泵浦光子將能量復(fù)制給信號光子同時(shí)剩下的能量作為閑頻光子輻射出來。這里的信號光就是我們輸入的太赫茲波。本發(fā)明是基于參量下轉(zhuǎn)換過程的THz波放大系統(tǒng)，如圖1所示，該THz波產(chǎn)生系統(tǒng)的泵浦源15泵浦THz波參量放大器17，THz波參量放大器17放大THz波信號源16的信號光，THz波參量放大器17輸出功率由THz功率計(jì)18測量并反饋控制THz波參量放大器17， 達(dá)到控制輸出的THz功率的目的。其中泵浦源15采用ns級或ps級泵浦源，如keded PR II 8010型大能量單縱模調(diào)QNchYAG激光器。THz波信號源16輸出的THz脈沖須和泵浦光的脈沖寬度相同。控制泵浦源15和THz波信號源16輸出的光束以共線的方式輸入THz波參量放大器17，包括8 和9，高精密旋轉(zhuǎn)平臺9控制晶體8的位置(改變晶體的匹配角度)。THz波功率測量和反饋系統(tǒng)18包括10、12-14。本發(fā)明是將種子注入的單縱模調(diào)Q的Nd: YAG激光器作為抽運(yùn)光源，該激光器的主要指標(biāo)為單縱模(線寬0. OOScnr1)，波長1064nm，脈寬8ns，單脈沖能量大于150mJ。用半波片和偏振片組成的衰減器來控制選擇合適的泵浦光脈沖能量以及控制輸出泵浦光為豎
直偏振。采用對THz吸收系數(shù)低并具有高光學(xué)非線性系數(shù)的GaP晶體搭建太赫茲光參量放大器(TPA)。該TPA的主要技術(shù)性能為放大THz脈寬5ns，放大器增益帶寬為0. 5-2. 5THz, 利用離軸拋物面反射鏡控制THz波光束，經(jīng)匯聚后入射到非線性晶體中；控制高精密旋轉(zhuǎn)平臺改變匹配角度，同時(shí)利用離軸拋物面鏡準(zhǔn)直輸出功率放大的THz波。當(dāng)輸入THz波信號光峰值功率為數(shù)W時(shí)，放大倍數(shù)約為100。合理選擇泵浦功率和晶體長度以增加THz輸出功率和實(shí)現(xiàn)增益飽和來提高THz波的輸出穩(wěn)定性。選取一部分THz波入射THz功率計(jì)反饋給電腦10，由電腦控制晶體的旋轉(zhuǎn)，獲得穩(wěn)定的放大。
權(quán)利要求
1.太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于包括泵浦源、THz波信號源及THz波參量放大器，所述THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，所述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口， 所述非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，所述泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口，所述THz波信號源發(fā)射的THz波入射至信號光輸入端口，所述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置的輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，所述非線性光學(xué)晶體輸出THz波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于還包括反饋系統(tǒng)， 所述反饋系統(tǒng)包括THz波功率計(jì)、反饋電路、THz波反射鏡以及設(shè)置在THz波反射鏡底部的第二旋轉(zhuǎn)平臺，所述THz波反射鏡設(shè)置在非線性光學(xué)晶體的光路上并與非線性光學(xué)晶體輸出的THz波成45°夾角，所述THz波參量放大器還包括設(shè)置在非線性光學(xué)晶體底部的第一旋轉(zhuǎn)平臺及電控制模塊，所述非線性光學(xué)晶體輸出的THz波通過THz波反射鏡將THz波反射至THz波功率計(jì)的采樣檢測輸入端，所述反饋電路輸出端與THz波功率計(jì)連接，所述反饋電路的輸出端與電控制模塊的輸入端連接，所述電控制模塊的輸出端與第一旋轉(zhuǎn)平臺連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于所述THz波參量放大器還包括THz波窗片，所述THz波窗片設(shè)置在非線性光學(xué)晶體和THz波反射鏡之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于所述泵浦源包括按照光路依次設(shè)置的激光器、全反鏡、半波片、偏振控制器以及光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)， 所述全反鏡與激光器發(fā)射的光束成45°夾角，所述光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)的輸出泵浦光輸入至泵浦光的輸入端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體為GaP晶體、ZGP晶體、GaSe晶體、GaAs晶體或DAST晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，其特征在于所述空間光束準(zhǔn)直及分束裝置為離軸拋物面反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述太赫茲波光學(xué)參量放大裝置的參量放大方法，其特征在于包括以下步驟1泵浦源輸出豎直偏振的泵浦光和THz信號源輸出水平偏振的信號光以共線的方式發(fā)送給THz波參量放大器THz波信號源輸出的信號光和泵浦光輸出的泵浦光的脈沖寬度相同；所述THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口，非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口 THz波信號源發(fā)射的信號光入射至信號光輸入端口，泵浦光和信號光經(jīng)空間光束準(zhǔn)直及分束裝置整形合束形成合成光；2空間光束準(zhǔn)直及分束裝置輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，合成光產(chǎn)生二階非線性作用，輸出功率放大的THz波和閑頻光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的參量放大方法，其特征在于還包括步驟3反饋調(diào)節(jié)步驟=THz波功率計(jì)通過THz波反射鏡的采集反射的THz波進(jìn)行功率計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給反饋電路，反饋電路根據(jù)計(jì)算結(jié)果向電路控制模塊發(fā)送控制信號，控制信號控制第一旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)非線性光學(xué)晶體旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的參量放大方法，其特征在于所述泵浦光的產(chǎn)生方法為 激光器發(fā)射激光束經(jīng)過全反鏡、半波片、偏振控制器以及光學(xué)準(zhǔn)直縮束系統(tǒng)向空間光束準(zhǔn)直及分束裝置輸入泵浦光，用半波片和偏振控制器組成的衰減器來控制選擇合適的泵浦光脈沖能量以及控制輸出泵浦光為豎直偏振；所述激光器為單縱模，線寬0. 003(^1,波長1064nm，脈寬8ns，單脈沖能量大于150mJ。
全文摘要
一種太赫茲波光學(xué)參量放大裝置，包括泵浦源、THz波信號源及THz波參量放大器，THz波參量放大器包括按照光路依次設(shè)置的空間光束準(zhǔn)直及分束裝置和非線性光學(xué)晶體，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置上設(shè)置有信號光輸入端口和泵浦光的輸入端口，非線性光學(xué)晶體上設(shè)置有THz波的輸出端口，泵浦源發(fā)射的泵浦光入射至泵浦光的輸入端口，THz波信號源發(fā)射的THz波入射至信號光輸入端口，空間光束準(zhǔn)直及分束裝置的輸出合成光入射至非線性光學(xué)晶體，非線性光學(xué)晶體輸出THz波。本發(fā)明解決了現(xiàn)有光學(xué)太赫茲源技術(shù)中輸出功率低、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問題。具有單通增益高、放大噪聲低、可以級聯(lián)，不斷增大具有極高的功率提升潛力的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02F1/355GK102566198SQ20121005994
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者劉紅軍, 孫啟兵, 趙衛(wèi), 黃楠 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所