專利名稱：循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差頻方式產(chǎn)生的寬帶調(diào)諧太赫茲波裝置，尤其涉及一種基于多普勒頻率調(diào)制器移頻、循環(huán)移頻和差頻原理的寬帶調(diào)諧太赫茲波光源。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)波是指工作頻率處于0. 1 IOTHz范圍內(nèi)的電磁波。 太赫茲波之所以能引起科學(xué)工作者濃厚的研究興趣，并不是因?yàn)樗衩囟r為人知的電磁輻射，更主要是因?yàn)樗哂泻芏嗒?dú)特的性質(zhì)，正是這些獨(dú)特的性質(zhì)賦予了太赫茲科學(xué)廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲波的獨(dú)特的性質(zhì)主要表現(xiàn)在透視性、安全性、光譜分辨本領(lǐng)。太赫茲輻射對很多介電材料和非極性的液體有良好的穿透性，因此可以對非透明物體進(jìn)行透視成像，另外由于太赫茲的波長大于空氣中懸浮煙霧顆粒的尺度，瑞利散射損耗極小，所以能較好地穿透煙塵和濃霧，是火災(zāi)救護(hù)或風(fēng)塵環(huán)境監(jiān)測中成像的理想光源。相比X射線具有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射的光子能量只有毫電子伏，該能量比各種化學(xué)鍵的鍵能都低，所以不會發(fā)生電離反應(yīng)，即不會破壞化合物分子結(jié)構(gòu)，因此可以應(yīng)用到安檢和生物檢測等場所，這是太赫茲的安全性的體現(xiàn)，大量的分子，尤其是有機(jī)分子的振動和轉(zhuǎn)動的躍遷譜，均處于太赫茲頻譜范圍內(nèi)，因而可以利用光譜分辨率特性實(shí)現(xiàn)物體形貌和組成成分的分析。由于太赫茲波具有上述重要的應(yīng)用前景，目前國際上已有多個(gè)小組開展了相干太赫茲波領(lǐng)域的科學(xué)研究工作，尤其是關(guān)于可調(diào)諧相干太赫茲波的產(chǎn)生方面的研究。在韓國， N. J.Kim小組于2009年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長分布式反饋激光二極管(Distributed Feedback Laser Diodes,DFB LDs)泵浦的可調(diào)諧連續(xù)波太赫茲輻射，并于2010年將太赫茲波的調(diào)諧寬度擴(kuò)大到0. 5THz。在加拿大，S. L. Pan小組于2009年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長摻餌光纖激光 (Erbium-Doped Fiber Laser,EDFL)的可調(diào)諧微波信號輸出。在美國，Y. J. Ding小組于2010 年實(shí)現(xiàn)了基于雙波長差頻(Difference Frequency,DF)產(chǎn)生了緊湊、便攜式太赫茲輻射源， 其體積可以縮小到30. 48X15. 24X10. 16cm3，唯一不足的是不可調(diào)諧。在德國，波恩大學(xué)的I. Breunig小組從2007年至2010年期間不斷完善基于內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩器Gnternal Cavity Optical Parametric Oscillator, IC0P0)的可調(diào)諧太赫茲波產(chǎn)生方案，最終其調(diào)諧寬度達(dá)到2THz，但加熱爐的溫度穩(wěn)定性成為影響準(zhǔn)相位匹配(QPM)的關(guān)鍵問題。在法國，法國科學(xué)研究中心(CNRS)的J. Mangeney小組最近幾年一直致力于利用某些非線性材料(如Ina53G^47As)的光混合器(PM)產(chǎn)生可調(diào)諧連續(xù)太赫茲波的研究，最大調(diào)諧寬度為 0·9ΤΗζ。在日本，H. Ito 小組利用 UTC-PD (Uni-iTraveling-Carrier Photodioed)光混合器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)太赫茲波的產(chǎn)生，最高頻率可以達(dá)到1. 5THz。獲得太赫茲波的方式很多，原理也各異，目前產(chǎn)生可調(diào)諧相干太赫茲波的方式大致可以分為三大類。第一類是基于雙波長泵浦源研究和設(shè)計(jì)的可調(diào)諧相干太赫茲輻射；第二類是泵浦源波長固定，基于非線性級聯(lián)過程的IC0P0產(chǎn)生太赫茲波的研究和設(shè)計(jì)。第三類是基于PM的可調(diào)諧太赫茲輻射源。對于第一類而言，目前主要涉及基于DFB LDs、EDFLs、DF雙波長泵浦源的可調(diào)諧相干太赫茲輻射源研究和設(shè)計(jì)。利用DFB LDs產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍較窄，一般不到0. 5THz ；利用EDFLs方式產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍雖然可以達(dá)到0. 5THz，但其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜；而利用DF方式產(chǎn)生的太赫茲調(diào)諧范圍雖然較寬，可以達(dá)到20THz，但這種方式的太赫茲輻射源裝置相當(dāng)龐大，盡管2010年，Y. J. Ding實(shí)現(xiàn)了 30. 48X15. 24X10. 16cm3緊湊的太赫茲輻射源，然而卻不可調(diào)諧。對于第二類而言，雖然目前其調(diào)諧寬度可以達(dá)到2THz，但由于溫度穩(wěn)定性原因，滿足準(zhǔn)相位匹配條件并不是件容易的事，從而使得調(diào)諧效率較低。對于第三類而言，目前最高調(diào)諧寬度為0.9THZ，顯然其調(diào)諧寬度較窄?？傊鲜龇椒ɑ蛘{(diào)諧寬度較窄，或體積龐大，或調(diào)諧效率低，或轉(zhuǎn)換效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種緊湊、便攜，易于集成，寬調(diào)諧且調(diào)諧效率高的差頻方式產(chǎn)生的寬帶調(diào)諧太赫茲波裝置。解決本發(fā)明技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其包括激光器、第一環(huán)行器、光分束器、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、第一光束合成器、光隔離器、非線性元件和太赫茲濾波片；所述激光器輸出的光經(jīng)過第一環(huán)行器后被光分束器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，所述參考光和循環(huán)移頻光經(jīng)第一光束合成器合束后，再經(jīng)過光隔離器在非線性元件中進(jìn)行差頻，最后經(jīng)過太赫茲濾波片濾波輻射出相干太赫茲波。所述激光器為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。所述第一環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器，第二端口連接光分束器，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光分束器的反射光。所述非線性元件為非線性材料和線性材料交替排列的周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的慢變周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料排列構(gòu)成的斐波納契(Fibonacci)結(jié)構(gòu)，它滿足系統(tǒng)的太赫茲輸出波頻率調(diào)諧范圍所對應(yīng)的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件范圍。所述太赫茲濾波片為太赫茲帶通透射式濾波器或太赫茲帶阻反射式濾波器；對于帶通透射式濾波器，透射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會被該濾波器反射；對于帶阻反射式濾波器，反射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會透過該濾波器。所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益系數(shù)的最佳值為1， 次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值。所述光分束器的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，所述光分束器的分光比為參考光功率除以基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的輸入光功率。所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)包括第二光束合成器、多普勒頻率調(diào)制器、平面反光鏡、第二環(huán)行器、第一反饋式布喇格光柵、可調(diào)諧濾波器、光放大器和光幅度衰減器，所述光放大器和光幅度衰減器組成增益可調(diào)的光放大器。所述多普勒頻率調(diào)制器包括一振鏡，所述振鏡的機(jī)械振動由電磁鐵驅(qū)動，或由壓電陶瓷驅(qū)動的，或由高頻振動電機(jī)驅(qū)動。所述第二環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口接收平面反射鏡的反射光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收第一反饋式布喇格光柵的反射光。所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、第一光束合成器、光隔離器的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率。所述第一環(huán)行器、光分束器、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、第一光束合成器、光隔離器的工作波段與激光器的工作波段一致。所述可調(diào)諧濾波器為窄帶濾波器，其允許一窄帶光輸出到第一光束合成器的輸入端，而將其它頻率的光反射到光放大器的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光的頻率與所述激光器的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光的頻率調(diào)諧范圍。所述可調(diào)諧濾波器為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器或布喇格光柵-全反射鏡組合體。所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出的太赫茲波的頻率調(diào)諧范圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層，所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模，所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器 (47)的輸入端。所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入第一光束合成器中，所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器G7)的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)緊湊、便攜。所述循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器利用市售組件組裝后的體積不超過40 X 10 X 35cm3，重量不超過^g。(2)光路簡單。在整個(gè)裝置中，只有光分束器、平面反射鏡和濾波片為可動光學(xué)元件，其它部分均已固定，優(yōu)選光束合成器為光纖耦合器。該裝置方便光集成。(3)調(diào)諧范圍或調(diào)諧寬度大。即中心波長(例如，1550nm)受可調(diào)諧濾波器和光放大器的帶寬限制。對于工作帶寬為40nm的可調(diào)諧濾波器和光放大器，即能獲得5THz太赫茲波的調(diào)諧寬度。這比以往大多數(shù)太赫茲輻射源的調(diào)諧寬度都要大。隨著可調(diào)諧濾波器和帶通放大器的調(diào)諧寬度的增大，輸出太赫茲波的波長調(diào)節(jié)范圍會成比例增加。(4)調(diào)諧效率高。該方案中的調(diào)諧主要通過多普勒頻率調(diào)制器實(shí)現(xiàn)頻率移動，當(dāng)調(diào)節(jié)后的信號頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器的選取頻率時(shí)，可調(diào)諧濾波器的窄帶光輸出端便輸出一窄帶光到第一光束合成器的輸入端，否則信號光被反射進(jìn)入光放大器，經(jīng)過放大后，再反饋到多普勒頻率調(diào)制器的輸入端，經(jīng)過多普勒頻率調(diào)制器再次進(jìn)行頻率移動。這個(gè)過程不需要人工或計(jì)算機(jī)干預(yù)，其調(diào)諧效率相當(dāng)高。(5)太赫茲產(chǎn)生效率高。由于循環(huán)移頻節(jié)中存在增益可調(diào)部分，所以移頻光的輸出功率會比較高，這比以往任何一種移頻方式的效率都要高，進(jìn)而太赫茲輻射的轉(zhuǎn)換效率也比較高。


圖1是本發(fā)明循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的第一種實(shí)施方式的示意圖。圖3是本發(fā)明循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的第一種實(shí)施方式的示意圖，其中的短虛線框內(nèi)的斜條紋填充框和黑色填充框分別為反饋式布喇格光柵和全反射鏡。圖4是本發(fā)明循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的又第三種實(shí)施方式的示意圖。圖5是本發(fā)明循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器的差頻原理示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明提供了一種循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，如圖 1所示，其包括激光器1、第一環(huán)行器、光分束器3、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4、第一光束合成器、光隔離器6、非線性元件7和太赫茲濾波片8。激光器1輸出的光經(jīng)過第一環(huán)行器后被光分束器3分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，所述參考光和循環(huán)移頻光經(jīng)第一光束合成器合束后，再經(jīng)過光隔離器6在非線性元件7中進(jìn)行差頻，最后經(jīng)過太赫茲濾波片8濾波輻射出相干太赫茲波。激光器1為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。第一環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器1，第二端口連接光分束器3，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光分束器3的反射光?；诙嗥绽疹l率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4包括第二光束合成器、多普勒頻率調(diào)制器42、平面反光鏡43、第二環(huán)行器、第一反饋式布喇格光柵45、可調(diào)諧濾波器46、光放大器47和光幅度衰減器48，光放大器47和光幅度衰減器48組成增益可調(diào)的光放大器。第一環(huán)行器、光分束器3、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4中各部件、第一光束合成器、光隔離器6的工作波段與激光器1的工作波段一致?；诙嗥绽疹l率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4的閉環(huán)增益系數(shù)(或稱整體增益系數(shù))的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值。基于多普勒調(diào)制器移頻的循環(huán)頻移環(huán)節(jié)4的輸出光的幅度最佳值等于參考光的幅度，即光分束器3的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，也即光分束器3的分光比與基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益系數(shù)的乘積最佳值為1。光分束器3的分光比等于參考光功率除以基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4的輸入功率。多普勒頻率調(diào)制器42包括一振鏡，所述振鏡的機(jī)械振動由電磁鐵驅(qū)動，或由壓電陶瓷驅(qū)動的，或由高頻振動電機(jī)驅(qū)動。由于多普勒效應(yīng)使頻率發(fā)生改變，故所述振鏡發(fā)揮頻率調(diào)制功能，且光的傳播方向與振鏡的運(yùn)動方向成較小的角度。多普勒頻率調(diào)制器42的頻移原理是所述激光器1發(fā)出的電磁波經(jīng)過第二光束合成器后注入到多普勒頻率調(diào)制器42 的振鏡上，當(dāng)振鏡的運(yùn)動方向與電磁波的傳輸方向相反時(shí)，頻率增大，反之頻率減?。幻拷?jīng)過一次循環(huán)，輸出頻率在注入信號光頻率fo基礎(chǔ)上改變Δ ·，經(jīng)過反復(fù)移頻后，可調(diào)諧濾波器46輸出高頻部分的光波，而將低頻部分的光波反射到光放大器47的輸入端，經(jīng)放大器放大后反饋到第二光束合成器進(jìn)行下一次的頻率移動。經(jīng)過反復(fù)移頻后，最終可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波輸出。設(shè)fo表示注入激光的頻率，υ表示多普勒頻率調(diào)制器42的振鏡的運(yùn)動速度，c 表示光速，θ表示電磁波傳播方向與多普勒頻率調(diào)制器42的振鏡的運(yùn)動方向的夾角，則可用公式表示頻率調(diào)制后的半寬度為Δ/=—Z0COS^
C則光第N次通過多普勒頻率調(diào)制器42后，有ΝΔ f的頻率變化。由此可見，在基于多普勒頻率調(diào)制器42的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中，光波經(jīng)過N次循環(huán)移頻后獲得N Δ f的頻移量，只要該頻移量未使光的頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器46的選取頻率，則光波會被反饋回循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中不斷循環(huán)，直到頻移量使光的頻率達(dá)到濾波器的選取頻率為止。所述第二環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口接收平面反射鏡43的反射光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵45，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收第一反饋式布喇格光柵45的反射光。所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4中各部件、 第一光束合成器、光隔離器6和非線性元件7和太赫茲濾波片8的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率，即工作頻率帶寬不小于所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)4的最大頻移范圍?？烧{(diào)諧濾波器46為窄帶濾波器，其允許一窄帶光輸出到第一光束合成器的輸入端，而將其它頻率的光反射到光放大器47的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率與所述激光器1的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率來實(shí)現(xiàn)，太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率調(diào)諧范圍。優(yōu)選地，可調(diào)諧濾波器46為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器(如圖2所示)或布喇格光柵-全反射鏡組合體(如圖3所示)；所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出的太赫茲波的頻率調(diào)諧范圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層， 所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模，所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波的功能。優(yōu)選地，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器47的輸入端；所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入第一光束合成器中， 所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器47的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。差頻原理如圖5所示，光學(xué)差頻產(chǎn)生是三波相互作用的參量過程；頻率分別為 工和ω2的泵浦光在非線性元件7內(nèi)相互作用，產(chǎn)生的參量光的頻率是這兩束泵浦光頻率之差CO1-CO2 ；當(dāng)每消耗一個(gè)Co1光子，必然同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)《2光子，這三個(gè)頻率必須滿足能量守恒關(guān)系ω3= Co1-Co2 ；在差頻過程中，頻率較高的ω工光被消耗，頻率較低的ω2光將會被放大。如果要有效地產(chǎn)生差頻場，極化波和電磁波的相速度必須相同，即非線性元件內(nèi)相互作用的三個(gè)平面波必須滿足相位匹配條件Ak = !^-!^-!^。為了實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧太赫茲波輸出，需要有寬的相位匹配范圍，通過由非線性材料和線性材料交替排列的周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的慢變周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料排列構(gòu)成的斐波納契(Fibonacci) 結(jié)構(gòu)，即能獲得系統(tǒng)的太赫茲輸出波頻率調(diào)諧范圍所對應(yīng)的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件范圍。下面是一種實(shí)施例的各組成部分及其工作參數(shù)。激光器1選用1550nm超窄線寬半導(dǎo)體連續(xù)激光器，該激光器在25°C時(shí)的工作波長為1550nm，輸出功率為5mW，連續(xù)工作模式，最大線寬為50kHz，輸出光纖類型為SMF-觀單模光纖(9/125 μ m)。多普勒頻率調(diào)制器 42帶有一反射振鏡，該振鏡可以由電磁鐵驅(qū)動、或壓電陶瓷驅(qū)動、或高頻振動電機(jī)直接驅(qū)動，其體積極小。所選用的可調(diào)諧濾波器46對中心波長的調(diào)諧寬度達(dá)到40nm，幾乎覆蓋了整個(gè)C-band(1528nm 16IOnm)，插入損耗為4. OdB,該濾波器的體積為24X8. 8X35cm3 所選用的光放大器47的工作帶寬為40nm，覆蓋了整個(gè)C-band。所選用的光分束器3為響應(yīng)1550nm波長的10/90的光學(xué)元件，其中10表示參考光部分，90表示信號光部分。所選用的第一環(huán)形器、第二環(huán)行器是接吸波負(fù)載的光學(xué)器件，起到光隔離效果，同時(shí)對反射回來的光利用吸波負(fù)載加以吸收，該器件既起到光隔離又起到環(huán)保作用，其響應(yīng)波長在1550nm附近。所選用的第一反饋式布喇格光柵45對載波波長1550nm起到反射抑制作用。所選用的第一光束合成器、第二光束合成器為響應(yīng)1550nm波長的光纖耦合器。所選用的多普勒頻率調(diào)制器42的振鏡和平面反射鏡43對1550nm附近波長的光高反射。所選用的非線性元件 7為慢變斜式周期性極化鈮酸鋰晶體(PPLN)，太赫茲濾波片8為響應(yīng)太赫茲波段、全反射或全透射參考光和移頻光的樹脂材料。光分束器3將光纖輸出的1550nm激光分為兩路，一路作為參考光，另一路作為多普勒頻率調(diào)制器42的調(diào)制信號光，在外部設(shè)備的驅(qū)動下所述振鏡通過多普勒效應(yīng)改變信號光的頻率，使信號光的頻率發(fā)生偏移，當(dāng)信號光的頻率達(dá)到可調(diào)諧濾波器46的選取頻率時(shí)，可調(diào)諧濾波器的窄帶光輸出端便輸出一窄帶光到第一光束合成器的輸入端，否則信號光會沿另一光路被反射到光放大器47的輸入端，經(jīng)過光放大后進(jìn)入第二光束合成器，再次反饋到多普勒頻率調(diào)制器42中進(jìn)行頻率移動。此頻率移動過程不斷重復(fù)，最終獲得任意大小的頻率移動，這是本方案的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。參考光和可調(diào)諧濾波器46輸出的窄帶信號光經(jīng)過第一光束合成器和光隔離器6后與傾斜式PPLN晶體相互作用差頻產(chǎn)生太赫茲波。當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器的透射頻率時(shí)，能獲得調(diào)諧寬度為5THz的相干太赫茲波。為了保證參考光和移頻光等幅度相干疊加，在光放大器47的輸出端接上幅度衰減器48。另外，在采用插入損耗較小的多普勒頻率調(diào)制器42和可調(diào)諧濾波器46的情況下， 則不需使用光放大器47，只需將幅度衰減器48接到可調(diào)諧濾波器46的窄帶光輸出端即可， 如圖4所示。本發(fā)明提供的寬帶調(diào)諧太赫茲發(fā)生器體積小，光學(xué)元件少因而易集成，調(diào)諧范圍大，調(diào)諧效率高，太赫茲產(chǎn)生效率高。以上所述本發(fā)明在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于其包括激光器(1)、第一環(huán)行器、光束分離器(3)、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié) G)、第一光束合成器、光隔離器(6)及非線性元件(7)和太赫茲濾波片(8)，所述激光器 (1)輸出的光經(jīng)過第一環(huán)行器后被光束分離器C3)分為第一路和第二路，第一路為參考光， 第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，第一光束合成器將所述參考光和循環(huán)移頻光合束后經(jīng)光隔離器(6)在非線性元件(7)中進(jìn)行差頻，然后經(jīng)過太赫茲濾波片 (8)濾波輻射出相干太赫茲波。
2.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述激光器(1)為工作波長在600nm-2000nm波段內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固體激光器或光纖激光器。
3.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述第一環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口連接激光器(1)，第二端口連接光分束器(3)，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收光分束器(3)的反射光。
4.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述非線性元件(7)為非線性材料和線性材料交替排列的周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料交替排列構(gòu)成的慢變周期結(jié)構(gòu)，或由非線性材料和線性材料排列構(gòu)成的斐波納契(Fibonacci)結(jié)構(gòu)，它滿足系統(tǒng)的太赫茲輸出波頻率調(diào)諧范圍所對應(yīng)的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件范圍。
5.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述太赫茲濾波片(8)為太赫茲帶通透射式濾波器或太赫茲帶阻反射式濾波器；對于帶通透射式濾波器，透射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會被該濾波器反射；對于帶阻反射式濾波器，反射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會透過該濾波器。
6.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益系數(shù)的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值。
7.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述光分束器(3)的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數(shù)的倒數(shù)值，再次佳值為1以外的其它正整數(shù)值，所述光分束器(3)的分光比為參考光功率除以基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)的輸入光功率。
8.按照權(quán)利要求1所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)(4)包括第二光束合成器、 多普勒頻率調(diào)制器(42)、平面反光鏡(43)、第二環(huán)行器、第一反饋式布喇格光柵(45)、可調(diào)諧濾波器(46)、光放大器07)和光幅度衰減器(48)，所述光放大器07)和光幅度衰減器 (48)組成增益可調(diào)的光放大器。
9.按照權(quán)利要求8所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述多普勒頻率調(diào)制器0 包括一振鏡，所述振鏡的機(jī)械振動由電磁鐵驅(qū)動， 或由壓電陶瓷驅(qū)動的，或由高頻振動電機(jī)驅(qū)動。
10.按照權(quán)利要求8所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其特征在于所述第二環(huán)行器為三端口環(huán)行器，其第一端口接收平面反射鏡^幻的反射光，第二端口連接第一反饋式布喇格光柵G5)，第三端口連接吸收負(fù)載，所述吸收負(fù)載吸收第一反饋式布喇格光柵G5)的反射光。
11.按照權(quán)利要求8所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)中各部件、第一光束合成器、光隔離器(6)的工作頻率帶寬不小于輸出的太赫茲波的最高頻率。
12.按照權(quán)利要求8所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述第一環(huán)行器、光分束器(3)、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié) (4)中各部件、第一光束合成器、光隔離器(6)的工作波段與激光器(1)的工作波段一致。
13.按照權(quán)利要求8所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述可調(diào)諧濾波器G6)為窄帶濾波器，其允許一頻率可調(diào)的窄帶光輸出到第一光束合成器的輸入端，而將其它頻率的光反射到光放大器G7)的輸入端，所述可調(diào)諧濾波器G6)的窄帶輸出光的頻率與所述激光器(1)的輸出光的頻率之差等于所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調(diào)節(jié)范圍不大于可調(diào)諧濾波器G6)的窄帶輸出光的頻率調(diào)諧范圍。
14.按照權(quán)利要求13所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述可調(diào)諧濾波器G6)為帶缺陷層的一維光子晶體可調(diào)諧濾波器或布喇格光柵-全反射鏡組合體。
15.按照權(quán)利要求14所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述一維光子晶體的光子禁帶區(qū)不小于系統(tǒng)輸出的太赫茲波的頻率調(diào)諧范圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調(diào)缺陷層，所述缺陷層的折射率的調(diào)節(jié)方式包括電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、或熱致折變，所述一維光子晶體具有一缺陷模， 所述缺陷模隨所述缺陷層的折射率的變化而變化，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的表面與其入射波的方向成45度夾角，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的窄帶透射波進(jìn)入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調(diào)諧濾波器的反射光進(jìn)入到光放大器G7) 的輸入端。
16.按照權(quán)利要求14所述的循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器， 其特征在于所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個(gè)與入射光方向成45度夾角的第二反饋式布喇格光柵和一個(gè)反射面與入射光方向成45度夾角的全反射鏡，在所述第二反饋式布喇格光柵和全反射鏡之間為一空氣或介質(zhì)層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調(diào)諧濾波器的窄帶輸出光，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光進(jìn)入第一光束合成器中，所述全反射鏡的反射光沿另一光路進(jìn)入到光放大器G7)的輸入端，所述第二反饋式布喇格光柵的晶格參數(shù)通過壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱脹冷縮效應(yīng)、電致折變、磁致折變、聲致折變、光致折變、力致折變或熱致折變方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種循環(huán)多普勒移頻非線性差頻式寬帶調(diào)諧太赫茲波發(fā)生器，其包括激光器、第一環(huán)行器、光束分離器、基于多普勒頻率調(diào)制器移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、第一光束合成器、光隔離器、非線性元件和太赫茲濾波片，所述激光器輸出的光經(jīng)過第一環(huán)行器后被光束分離器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生循環(huán)移頻光，第一光束合成器將所述參考光和循環(huán)移頻光合束后經(jīng)光隔離器在非線性元件中進(jìn)行差頻，然后經(jīng)過太赫茲濾波片濾波輻射出相干太赫茲波。本發(fā)明提供的裝置體積小，光學(xué)元件少因而易集成，調(diào)諧范圍大，調(diào)諧效率高，太赫茲產(chǎn)生效率高。
文檔編號H01S1/00GK102255221SQ20111010106
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者歐陽征標(biāo), 祁春超 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)