非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置及方法，屬于太赫茲波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)雙KTP晶體組成的光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生兩束頻率差在太赫茲頻率段的差頻光作為待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入射光，通過(guò)平移晶體改變差頻光穿過(guò)晶體的厚度，測(cè)量太赫茲波輸出能量，太赫茲波能量最大的位置對(duì)應(yīng)于晶體厚度恰好等于差頻過(guò)程中的相干長(zhǎng)度，通過(guò)測(cè)量相干長(zhǎng)度計(jì)算出晶體在太赫茲波段的折射率。改變兩束差頻光的波長(zhǎng)可以得到波長(zhǎng)調(diào)諧的太赫茲波，從而可以得到非線性光學(xué)晶體在整個(gè)太赫茲波段的折射率；同時(shí)還可通過(guò)溫度調(diào)節(jié)裝置改變非線性光學(xué)晶體的溫度得到非線性光學(xué)晶體在20-200℃范圍內(nèi)的太赫茲波折射率，并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。
【專利說(shuō)明】非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置及方法，屬于太 赫茲波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（Terahertz，簡(jiǎn)稱THz，ITHz = IO12Hz)波是指頻率在0· I-IOTHz范圍內(nèi)的 電磁波，其波段介于毫米波和紅外波之間。太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置決定了其具 有很多獨(dú)特的性質(zhì)：（1) "指紋"特性，太赫茲波與物質(zhì)相互作用時(shí)包含了豐富的物理化學(xué) 信息，大多數(shù)分子在太赫茲波段具有特征譜線；（2)低能性，太赫茲光子能量約為X射線的 百萬(wàn)分之一，不會(huì)引起生物組織的有害電離；(3)穿透性，太赫茲波對(duì)非極性物質(zhì)（如紙、塑 料等包裝物及衣物）具有較高的穿透性。基于這些優(yōu)點(diǎn)，太赫茲技術(shù)在物理、化學(xué)、分子光 譜和生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及醫(yī)學(xué)成像、食品檢驗(yàn)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和安檢等應(yīng)用研究 領(lǐng)域具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 目前限制太赫茲波技術(shù)快速發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一就是缺乏高功率、可調(diào)諧、 窄線寬、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的相干太赫茲波輻射源。基于二階非線性光學(xué)效應(yīng)光學(xué)差頻產(chǎn)生太赫茲 波的方法具有可調(diào)諧、窄線寬、結(jié)構(gòu)緊湊、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等特性。由于目前二階非線性光學(xué)晶體， 如鈮酸鋰、鉭酸鋰、硒化鎵、磷化鎵、磷鍺鋅、DAST等晶體在太赫茲波段的折射率沒有準(zhǔn)確測(cè) 量數(shù)值，特別是這些晶體在太赫茲波段的折射率隨溫度變化沒有準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)值，使光學(xué)差 頻產(chǎn)生太赫茲波過(guò)程中相位匹配條件不能嚴(yán)格滿足，嚴(yán)重限制了太赫茲波的輸出功率和轉(zhuǎn) 換效率。因此，準(zhǔn)確測(cè)量二階非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段的折射率對(duì)通過(guò)光學(xué)差頻產(chǎn)生 高功率、高效率太赫茲波具有重要意義。
[0004] 針對(duì)這一問題，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01310269905. 4公開了一種利用太赫茲時(shí)域光 譜技術(shù)測(cè)量物理折射率的方法，該系統(tǒng)包括飛秒激光源、分光器、光延遲單元、太赫茲發(fā)射 源、樣品測(cè)試裝置、太赫茲探測(cè)器、計(jì)算機(jī)和用于蓋住凹陷測(cè)試圓斑的頂蓋。該系統(tǒng)只能測(cè) 量常溫下晶體在太赫茲波段的折射率，不能測(cè)量晶體的折射率隨溫度的變化情況，而且飛 秒激光器和太赫茲發(fā)射源，價(jià)格昂貴，成本較高，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的裝置及方 法，以解決現(xiàn)有非線性晶體測(cè)量過(guò)程由于采用飛秒激光器和太赫茲發(fā)射源導(dǎo)致的價(jià)格昂 貴、成本較高以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提供了一種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的 測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括設(shè)置在同一光路上的泵浦光源、KTP光學(xué)參量振蕩器和太赫茲波 探測(cè)系統(tǒng)，
[0007] 所述泵浦光源用于產(chǎn)生激光入射至KTP光學(xué)參量振蕩器；
[0008] 所述KTP光學(xué)參量振蕩器用于根據(jù)接收到激光產(chǎn)生兩束頻率差在太赫茲頻率段 的差頻光作為待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入射光；
[0009] 所述太赫茲波探測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體太赫茲波的能量。
[0010] 所述KTP光學(xué)參量振蕩器由兩個(gè)平面鏡和兩塊相同的KTP晶體構(gòu)成，兩塊相同的 KTP晶體對(duì)稱放置在兩個(gè)平面鏡之間。
[0011] 所述的測(cè)量裝置還包括設(shè)置在KTP光學(xué)參量振蕩器和待測(cè)非線性光學(xué)晶體之間 光路上的光學(xué)起偏系統(tǒng)，該光學(xué)起偏系統(tǒng)由四分之一波片和格蘭棱鏡構(gòu)成，用于將KTP光 學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生的兩束差頻光的偏振方向變?yōu)槠叫小?br> [0012] 所述待測(cè)非線性光學(xué)晶體為具有二階非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體，其外形為楔形，楔 形斜面的傾斜角度小于設(shè)定的度數(shù)，晶體厚度均勻變化，測(cè)量時(shí)，待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入 射面為堅(jiān)直平面，垂直于入射光，待測(cè)非線性光學(xué)晶體的出射面為楔形的斜面。
[0013] 所述的測(cè)量裝置還包括用于改變待測(cè)非線性光學(xué)晶體溫度的溫度調(diào)節(jié)裝置。
[0014] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供了一種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率 的測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：
[0015] 1)產(chǎn)生兩束頻率差在太赫茲頻率段的差頻光作為待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入射 光；
[0016] 2)平移待測(cè)非線性光學(xué)晶體，測(cè)量平移過(guò)程穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體輸出的太赫 茲波能量；
[0017] 3)計(jì)算輸出的太赫茲波能量最大的位置所對(duì)應(yīng)穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體的厚度， 該厚度即為差頻過(guò)程中的相干長(zhǎng)度；
[0018] 4)根據(jù)得到的相干長(zhǎng)度計(jì)算待測(cè)非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段的折射率。
[0019] 所述步驟4)中折射率的計(jì)算公式如下：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置，其特征在于，該測(cè)量裝置包 括設(shè)置在同一光路上的泵浦光源、KTP光學(xué)參量振蕩器和太赫茲波探測(cè)系統(tǒng)， 所述泵浦光源用于產(chǎn)生激光入射至KTP光學(xué)參量振蕩器； 所述KTP光學(xué)參量振蕩器用于根據(jù)接收到激光產(chǎn)生兩束頻率差在太赫茲頻率段的差 頻光作為待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入射光； 所述太赫茲波探測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體太赫茲波的能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置，其特征在 于，所述KTP光學(xué)參量振蕩器由兩個(gè)平面鏡和兩塊相同的KTP晶體構(gòu)成，兩塊相同的KTP晶 體對(duì)稱放置在兩個(gè)平面鏡之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置，其特征在 于，所述的測(cè)量裝置還包括設(shè)置在KTP光學(xué)參量振蕩器和待測(cè)非線性光學(xué)晶體之間光路上 的光學(xué)起偏系統(tǒng)，該光學(xué)起偏系統(tǒng)由四分之一波片和格蘭棱鏡構(gòu)成，用于將KTP光學(xué)參量 振蕩器產(chǎn)生的兩束差頻光的偏振方向變?yōu)槠叫小?br> 4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝 置，其特征在于，所述待測(cè)非線性光學(xué)晶體為具有二階非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體，其外形為楔 形，楔形斜面的傾斜角度小于設(shè)定的度數(shù)，晶體厚度均勻變化，測(cè)量時(shí)，待測(cè)非線性光學(xué)晶 體的入射面為堅(jiān)直平面，垂直于入射光，待測(cè)非線性光學(xué)晶體的出射面為楔形的斜面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量裝置，其特征在 于，所述的測(cè)量裝置還包括用于改變待測(cè)非線性光學(xué)晶體溫度的溫度調(diào)節(jié)裝置。
6. -種非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： 1) 產(chǎn)生兩束頻率差在太赫茲頻率段的差頻光作為待測(cè)非線性光學(xué)晶體的入射光； 2) 平移待測(cè)非線性光學(xué)晶體，測(cè)量平移過(guò)程穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體輸出的太赫茲波 能量； 3) 計(jì)算輸出的太赫茲波能量最大的位置所對(duì)應(yīng)穿過(guò)待測(cè)非線性光學(xué)晶體的厚度，該厚 度即為差頻過(guò)程中的相干長(zhǎng)度； 4) 根據(jù)得到的相干長(zhǎng)度計(jì)算待測(cè)非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段的折射率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量方法，其特征在 于，所述步驟4)中折射率的計(jì)算公式如下： L -_1_ 4. f \ 2 m ΙΛ λτ) 其中λ ρ λ 2和λ τ分別為差頻光λ ρ λ 2和太赫茲波的波長(zhǎng)，ηι、η2和ητ分別為差頻 光λ ρ λ 2和太赫茲波的折射率，L。為相干長(zhǎng)度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量方法，其特征在 于，所述步驟1)中的兩束差頻激光是由泵浦光源通過(guò)KTP光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生，所述KTP 光學(xué)參量振蕩器有兩個(gè)平面鏡和兩塊相同的KTP晶體構(gòu)成，兩塊相同的KTP晶體對(duì)稱放置 在兩個(gè)平面鏡之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量方 法，其特征在于，所述待測(cè)非線性光學(xué)晶體為具有二階非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體，其外形為楔 形，楔形斜面的傾斜角度小于設(shè)定的度數(shù)，晶體厚度均勻變化，測(cè)量時(shí)，待測(cè)非線性光學(xué)晶 體的入射面為堅(jiān)直平面，垂直于入射光，待測(cè)非線性光學(xué)晶體的出射面為楔形的斜面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段折射率的測(cè)量方法，其特征 在于，所述測(cè)量過(guò)程中，可通過(guò)溫度調(diào)節(jié)裝置使待測(cè)非線性光學(xué)晶體的溫度在設(shè)定溫度范 圍內(nèi)變化，以得到在設(shè)定溫度范圍內(nèi)待測(cè)非線性光學(xué)晶體在太赫茲波段的折射率。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK104237164SQ201410431803
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】李忠洋, 袁勝, 邴丕彬, 徐俊紅 申請(qǐng)人:華北水利水電大學(xué)