大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法和裝置，將一束高能量的飛秒脈沖均勻的分成兩束或多束，將它們分別入射到參數(shù)完全相同的ZeTn晶體中，通過飛秒脈沖光整流過程在晶體中分別產(chǎn)生太赫茲脈沖，通過調(diào)節(jié)時(shí)間延遲使產(chǎn)生的太赫茲脈沖同時(shí)到達(dá)探測器，可以得到相干合成的太赫茲脈沖。本發(fā)明通過兩級或多級光整流過程的并聯(lián)，再相干合成輸出太赫茲脈沖，克服了單塊晶體損傷閾值低不能充分利用激光器能量的缺點(diǎn)。
【專利說明】大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大能量光學(xué)太赫茲輻射技術(shù)，具體涉及一種基于光整流產(chǎn)生太赫茲輻 射和光學(xué)相干合成的方法及其裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（THz)輻射通常指的是從0. 1?ΙΟΤΗζ的電磁波，其波段在微波和遠(yuǎn)紅外 之間。在電磁光譜上，THz波段兩側(cè)的紅外和微波輻射技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是THz技術(shù)卻 和鄰近波段上的這些成熟技術(shù)很不相稱。從太赫茲頻譜特點(diǎn)來看，相對于微波毫米波而言， 太赫茲波具有頻率高波長短的特點(diǎn)，可使電子設(shè)備具有較大通信帶寬、較高分辨率，并能實(shí) 現(xiàn)小型化與輕量化；而相對于光波而言，太赫茲波具有較高穿透性，能夠提升電子設(shè)備在煙 塵等惡劣環(huán)境下的工作能力，太赫茲波的光子能量較低，能夠用于對生物活體組織進(jìn)行無 損檢查等。對THz波段廣泛的研究興趣還是在20世紀(jì)80年代中期以超快光電子學(xué)為基礎(chǔ) 的脈沖THz技術(shù)產(chǎn)生以后。近20年來，隨著低尺度半導(dǎo)體技術(shù)、超快激光技術(shù)以及超快光電 子技術(shù)的飛速發(fā)展，THz技術(shù)表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。開發(fā)THz波技術(shù)將對寬帶通信、雷 達(dá)探測、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、無標(biāo)記基因檢查、細(xì)胞成像、無損檢測、生化物檢查、 糧食選種，菌種優(yōu)選等多領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響。
[0003] THz在上述領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是至今THz技術(shù)終究沒有大規(guī)模走 出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入人類的生產(chǎn)生活，主要原因是由于在高于100GHz的頻率上，傳輸元件和介 質(zhì)的損耗急劇增大，無線電接收裝置的靈敏度降低，有效產(chǎn)生振蕩的困難程度增加，對工作 儀器和微波傳輸系統(tǒng)元件的制造精度要求提高，從而使得THz波在發(fā)射、傳播和探測等方 面還有一些關(guān)鍵問題沒有得到圓滿解決，這些問題阻礙了這種有價(jià)值的技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng) 用，所以在這些領(lǐng)域的每一項(xiàng)突破性研究成果都會將THz技術(shù)的轉(zhuǎn)化推進(jìn)一大步。而追根 朔源，THz技術(shù)的龍頭牽引力量依舊是THz波源技術(shù)，大能量輻射技術(shù)的缺乏嚴(yán)重阻礙了各 種相關(guān)研究的進(jìn)一步深入，有必要集中力量解決THz波產(chǎn)生的關(guān)鍵問題。
[0004] 根據(jù)產(chǎn)生方法不同，太赫茲源主要分為基于電子學(xué)方法的太赫茲源和基于光子學(xué) 方法的太赫茲源兩類。電子學(xué)方法主要是將微波毫米波上變頻至太赫茲波，主要器件有倍 頻器、返波管（BW0)、耿氏振蕩器（Gunn Oscillator)、量子級聯(lián)激光器（QCL)、自由電子激 光器（FEL)以及利用儲存環(huán)加速器來產(chǎn)生高亮度THz輻射等。然而由于受到工藝及一些 核心器件本身的限制，基于電子學(xué)方法產(chǎn)生的太赫波的頻率往往小于ITHz。光子學(xué)方法主 要是將可見光或紅外線下變頻至太赫茲波，主要有光整流（Optical Rectification)、光差 頻（DFG)、光泵浦（Opical pumping)、光電導(dǎo)（Photoconductive、光參量、Cherenkov福射效 應(yīng)、空氣等離子體中的四波混頻等方法?；诠庾訉W(xué)方法產(chǎn)生太赫茲波具有較好的方向性 和相干性，并且頻率范圍能夠覆蓋整個(gè)太赫茲波段。光學(xué)差頻THz源由于結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)諧范 圍廣、室溫穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)使其成為最有希望得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，但多數(shù)光子學(xué)方 法存在產(chǎn)生的太赫茲脈沖能量較低，目前在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的最高單脈沖能量為125 μ J。因此， 進(jìn)一步提高產(chǎn)生的太赫茲脈沖的能量使其達(dá)到mj級是太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有光學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲脈沖的能量低的問題，本發(fā)明提出了利用同源 脈沖泵浦非線性晶體通過光整流產(chǎn)生太赫茲脈沖的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法和裝置。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：
[0008] 1)將一束高能量的飛秒脈沖均勻的分成兩束或多束，各束飛秒脈沖具有相同的重 復(fù)頻率和相同的載波包絡(luò)相位差；
[0009] 2)將兩個(gè)或多個(gè)具有相同的重復(fù)頻率和相同的載波包絡(luò)相位差的飛秒脈沖束分 別入射到參數(shù)完全相同的同源脈沖泵浦非線性晶體中，各飛秒脈沖束分別在晶體中進(jìn)行光 整流產(chǎn)生對應(yīng)的太赫茲脈沖；
[0010] 3)調(diào)節(jié)時(shí)間延遲及太赫茲脈沖的傳播方向，使所產(chǎn)生的兩束或多束太赫茲脈沖能 夠相干合成從而產(chǎn)生大能量太赫茲脈沖。
[0011] 在步驟2)之后還包括濾除剩余飛秒脈沖的步驟。
[0012] 一種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置，其特殊之處在于：包括鈦寶石飛秒激光器、光分 束單元、整流單元、合成單元、探測器，
[0013] 所述光分束單元包括多個(gè)具有一定透反比的反射鏡，其中第一個(gè)反射鏡設(shè)置在鈦 寶石飛秒激光器的輸出光路上，第二個(gè)反射鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，其余反射 鏡依次設(shè)置在前一反射鏡的透射光路上；
[0014] 所述整流單元包括設(shè)置在反射鏡輸出光路上的與反射鏡一一對應(yīng)的同源脈沖泵 浦非線性晶體；
[0015] 所述合成單元包括設(shè)置在整流單元輸入光路或輸出光路上的多個(gè)時(shí)間延時(shí)線及 設(shè)置在整流單元的輸出光路上的多個(gè)反射鏡，所述多個(gè)時(shí)間延時(shí)線用于使同源脈沖泵浦非 線性晶體的出射光同時(shí)到達(dá)探測器，所述多個(gè)反射鏡將多個(gè)同源脈沖泵浦非線性晶體的出 射光匯聚到探測器。
[0016] 上述太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置還包括設(shè)置在同源脈沖泵浦非線性晶體輸出光路上的 聚乙烯片。
[0017] 上述太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置還包括設(shè)置在鈦寶石飛秒激光器與第一個(gè)反射鏡之間 的半波片。
[0018] 上述同源脈沖泵浦非線性晶體為ZeTn晶體或LiNb03或GaP晶體。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是：
[0020] 1、對泵浦脈沖能量利用充分：本發(fā)明通過兩級或多級光整流過程的并聯(lián)，再相干 合成輸出太赫茲脈沖，克服了單塊晶體損傷閾值低不能充分利用激光器能量的缺點(diǎn)。
[0021] 2、提高了輸出太赫茲脈沖的能量：合成后脈沖的能量為合成前所有脈沖能量的總 和。
[0022] 3、室溫工作；本發(fā)明所涉及的所有光源和器件都可以在室溫下穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)，無 需添加額外的控溫設(shè)備，這是太赫茲量子級聯(lián)激光器和電子學(xué)方法產(chǎn)生太赫茲所無法比擬 的。
[0023] 4、性能穩(wěn)定：本發(fā)明所涉及的所有光源和器件無需外加磁場和電場，無需低溫制 冷，因此性能穩(wěn)定。
[0024] 5、方法簡單結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1本發(fā)明實(shí)施的原理框架圖；
[0026] 圖2本發(fā)明實(shí)施的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3本發(fā)明實(shí)施的合成前（實(shí)線）與合成后（虛線）的脈沖；
[0028] 圖4本發(fā)明實(shí)施的合成太赫茲脈沖的自相關(guān)圖；
[0029] 圖5本發(fā)明實(shí)施的合成前（實(shí)線）與合成后（虛線）的光譜圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下從本發(fā)明的原理入手結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0031] 本發(fā)明的原理：本發(fā)明利用同源脈沖泵浦非線性晶體通過光整流產(chǎn)生太赫茲脈沖 的相干合成新技術(shù)。光學(xué)相干合成技術(shù)是產(chǎn)生高能量超短脈沖的有效方法，實(shí)現(xiàn)脈沖間的 相干合成有兩個(gè)必備條件；第一，有相同的重復(fù)頻率；第二，有相同的載波包絡(luò)相位差。鎖 模脈沖在頻域可以看作是由一系列分立的、等間隔的頻率組成，由于這些分立的等間隔的 頻率像一個(gè)個(gè)梳齒，鎖模的光譜就被稱為了光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb)。其頻 率可以表示為fn = nf；ep+ δ，其中δ = f；epA φ/2 π，Λ φ表示脈沖間的載波包絡(luò)相位差。 該方法結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以有效提高輸出太赫茲脈沖的能量。
[0032] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：將一束高能量的飛秒脈沖均勻的分成兩束或多束，將它們 分別入射到參數(shù)完全相同的ZeTn晶體中，通過飛秒脈沖光整流過程在晶體中分別產(chǎn)生太 赫茲脈沖，通過調(diào)節(jié)時(shí)間延遲使產(chǎn)生的太赫茲脈沖同時(shí)到達(dá)探測器，可以得到相干合成的 太赫茲脈沖。
[0033] 參見圖1，本發(fā)明提供了一種利用多路光整流產(chǎn)生大能量太赫茲脈沖的相干合成 技術(shù)來提高輸出太赫茲脈沖的能量。原理框架圖給出了本發(fā)明的主要組成系統(tǒng)，飛秒鈦寶 石激光器輸出的飛秒脈沖分成多路，在非線性晶體中通過光整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲脈沖，產(chǎn) 生的太赫茲脈沖通過相干合成由探測器探測輸出太赫茲脈沖的能量。
[0034] 參見圖2,鈦寶石飛秒激光器1輸出的中心波長為800nm的飛秒脈沖2,脈寬為 200fs，通過半波片3將偏振調(diào)整到水平方向，經(jīng)過透反比分別為1 :6、5 :1、4 :1、3 :1、2 :1、 1 :1和全反射的第一反射鏡4、第二反射鏡10、第三反射鏡16、第四反射鏡22、第五反射鏡 26、 第六反射鏡32、第七反射鏡38,脈沖被均勻的分成七份。脈沖分別通過第一 ZeTn晶體 6、第二ZeTn晶體12、第三ZeTn晶體18、第四ZeTn晶體23、第五ZeTn晶體28、第六ZeTn 晶體34和第七ZeTn晶體40,在各晶體中通過光整流過程產(chǎn)生太赫茲脈沖。產(chǎn)生的太赫茲 脈沖和剩余的泵浦脈沖通過第一聚乙烯片7、第二聚乙烯片13、第三聚乙烯片19、第四聚乙 烯片24、第五聚乙烯片29、第六聚乙烯片35和第七聚乙烯片41，剩余的泵浦光被過濾掉，太 赫茲波被保留下來。通過調(diào)節(jié)由第一延遲線5、第二延遲線11、第三延遲線17、第四延遲線 27、 第五延遲線33和第六延遲線39和第一太赫茲反射鏡9、第二太赫茲反射鏡15、第三太 赫茲反射鏡21、第四太赫茲反射鏡31、第五太赫茲反射鏡37、第六太赫茲反射鏡43,分別由 多路光整流過程產(chǎn)生的太赫茲脈沖相干合成產(chǎn)生大能量的太赫茲脈沖。
[0035] 參見圖3,合成后（虛線）和合成前（實(shí)線）太赫茲脈沖的時(shí)域圖對比，可以發(fā) 現(xiàn)，合成后太赫茲脈沖的電場強(qiáng)度最大值是合成前的七倍，合成前太赫茲脈沖的能量為 158 μ J，合成后太赫茲脈沖的能量可達(dá)lmj。
[0036] 參見圖4,合成太赫茲脈沖的干涉自相關(guān)圖，波形的最大值和背景的比值為8 :1.
[0037] 參見圖5,合成后（點(diǎn)線）和合成前太赫茲脈沖（實(shí)線和虛線）的頻域圖對比，可 以發(fā)現(xiàn)，合成后太赫茲脈沖的光譜強(qiáng)度為合成前脈沖光譜強(qiáng)度的相干疊加。
【權(quán)利要求】
1. 一種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 將一束高能量的飛秒脈沖均勻的分成兩束或多束，各束飛秒脈沖具有相同的重復(fù)頻 率和相同的載波包絡(luò)相位差； 2) 將兩個(gè)或多個(gè)具有相同的重復(fù)頻率和相同的載波包絡(luò)相位差的飛秒脈沖束分別入 射到參數(shù)完全相同的同源脈沖泵浦非線性晶體中，各飛秒脈沖束分別在晶體中進(jìn)行光整流 產(chǎn)生對應(yīng)的太赫茲脈沖； 3) 調(diào)節(jié)時(shí)間延遲及太赫茲脈沖的傳播方向，使所產(chǎn)生的兩束或多束太赫茲脈沖能夠相 干合成從而產(chǎn)生大能量太赫茲脈沖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于：所述同源脈沖泵 浦非線性晶體為ZeTn晶體或LiNb03或GaP晶體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于： 在步驟2)之后還包括濾除剩余飛秒脈沖的步驟。
4. 一種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：包括鈦寶石飛秒激光器、光分束單 元、整流單元、合成單元、探測器， 所述光分束單元包括多個(gè)具有一定透反比的反射鏡，其中第一個(gè)反射鏡設(shè)置在鈦寶石 飛秒激光器的輸出光路上，第二個(gè)反射鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，其余反射鏡依 次設(shè)置在前一反射鏡的透射光路上； 所述整流單元包括設(shè)置在反射鏡輸出光路上的與反射鏡一一對應(yīng)的同源脈沖泵浦非 線性晶體； 所述合成單元包括設(shè)置在整流單元輸入光路或輸出光路上的多個(gè)時(shí)間延時(shí)線及設(shè)置 在整流單元的輸出光路上的多個(gè)反射鏡，所述多個(gè)時(shí)間延時(shí)線用于使同源脈沖泵浦非線性 晶體的出射光同時(shí)到達(dá)探測器，所述多個(gè)反射鏡將多個(gè)同源脈沖泵浦非線性晶體的出射光 匯聚到探測器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述太赫茲脈沖 產(chǎn)生裝置還包括設(shè)置在同源脈沖泵浦非線性晶體輸出光路上的聚乙烯片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述太赫茲脈沖 產(chǎn)生裝置還包括設(shè)置在鈦寶石飛秒激光器與第一個(gè)反射鏡之間的半波片。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述同 源脈沖泵浦非線性晶體為ZeTn晶體或LiNb0 3或GaP晶體。
【文檔編號】H01S1/02GK104155825SQ201410320214
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】劉紅軍, 李少鵬, 孫啟兵, 黃楠 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所