本發(fā)明涉及飛秒激光光學(xué)整流法產(chǎn)生太赫茲波的方法，特別是一種采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)連續(xù)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法。

背景技術(shù)：

目前采用光學(xué)整流方法產(chǎn)生超快太赫茲波是太赫茲技術(shù)領(lǐng)域中的重要光子學(xué)手段之一[1]。光學(xué)整流方法產(chǎn)生超快太赫茲波的主要機(jī)理是利用非線性晶體的二階非線性效應(yīng)。當(dāng)飛秒脈沖作用于非線性晶體時(shí)，脈沖中的單色分量不再獨(dú)立傳播，而是發(fā)生了混頻現(xiàn)象。其中和頻效應(yīng)產(chǎn)生頻率接近于二次諧波的光波，而差頻效應(yīng)則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻振蕩的電極化場(chǎng)，此電極化場(chǎng)能夠輻射出處于太赫茲波段的低頻電磁波。因此，利用光學(xué)整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波的能量主要來(lái)源于入射激光脈沖的能量，而其能量轉(zhuǎn)換效率主要依賴于：介質(zhì)的二階非線性系數(shù)、介質(zhì)對(duì)太赫茲波的吸收系數(shù)以及激光脈沖與太赫茲波之間的相位匹配情況。當(dāng)非線性晶體選定之后，相位匹配條件就是唯一考慮的可操控的因素。飛秒激光與非線性晶體作用時(shí)的相位匹配越好，則泵浦脈沖與產(chǎn)生的太赫茲波在晶體中可以作用的距離越長(zhǎng)，太赫茲波的光-光轉(zhuǎn)換效率就更高。

在光學(xué)整流法產(chǎn)生太赫茲波的研究中，需要具有較大非線性系數(shù)的非線性晶體，而目前能夠匹配激光源波段產(chǎn)生太赫茲波的非線性晶體是有限的。其中具有較高非線性系數(shù)的鈮酸鋰(linbo3)晶體是目前使用最廣泛的晶體之一。但是該晶體中的thz波段折射率大于泵浦光的折射率，因此常規(guī)泵浦條件下只能以“切倫科夫輻射”的形式發(fā)出太赫茲波，并用硅棱鏡導(dǎo)出或者沿thz波出射方向切割晶體面。在這種條件下，由于泵浦光和太赫茲波的“空間走離”效應(yīng)和“切倫科夫輻射”[2]的太赫茲波的錐形發(fā)射面，使得采用linbo3晶體的太赫茲源的產(chǎn)生效率較低和太赫茲波質(zhì)量較差。

直到2002年，匈牙利的hebling等[3]提出在linbo3晶體中采用傾斜脈沖波面泵浦(tpfp)的新方法，可以提供泵浦光在太赫茲波方向具有速度分量，并維持與太赫茲波速度同步，這樣就克服了“時(shí)、空走離效應(yīng)”，明顯增加了轉(zhuǎn)換效率；并使得太赫茲波由“切倫科夫輻射”的錐面發(fā)射變?yōu)閱蜗蚱矫姘l(fā)射，太赫茲波的有效使用率也大大提升。從此該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用獲得了快速發(fā)展。目前tpfp技術(shù)中實(shí)現(xiàn)脈沖波面傾斜的方法是利用衍射光柵提供的角色散，再利用透鏡成像系統(tǒng)將傾斜波面脈沖成像于linbo3晶體棱鏡的出射面內(nèi)側(cè)。

因此，在傾斜脈沖波面泵浦linbo3晶體產(chǎn)生太赫茲波的技術(shù)中，傾斜脈沖波面的質(zhì)量對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生過(guò)程和質(zhì)量至關(guān)重要。原則上講，傾斜脈沖波面的方法除了提供脈沖波面傾斜的效果之外，不應(yīng)該對(duì)原有泵浦脈沖的時(shí)、空、頻域等特性帶來(lái)影響，否則產(chǎn)生太赫茲波的時(shí)、空、頻域特性必將不同于非傾斜脈沖波面的方法。然而，在采用衍射光柵角色散實(shí)現(xiàn)tpfp的過(guò)程中，必然對(duì)原泵浦飛秒脈沖引入時(shí)間和空間啁啾；同時(shí)由于光柵結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)脈沖作用的結(jié)果是時(shí)、頻分散，即傾斜波面后的脈沖波面不再是連續(xù)的，即是由光束中各個(gè)時(shí)、頻分離的小脈沖集合而成，而且光束也是發(fā)散光，這給后面成像的準(zhǔn)確性和產(chǎn)生太赫茲過(guò)程帶來(lái)明顯影響。

此外，目前能夠?qū)崿F(xiàn)精確滿足linbo3晶體棱鏡出射角度(鈮酸鋰晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲波的切倫科夫波面)的傾斜脈沖波面所需衍射光柵參數(shù)很難與現(xiàn)有商用光柵參數(shù)匹配。如果定制光柵費(fèi)用高昂。一般都是采購(gòu)參數(shù)相近的商用光柵，這樣必然引入了傾斜角度誤差。因此，對(duì)于tpfp鈮酸鋰晶體產(chǎn)生太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域，研究和發(fā)展一種連續(xù)傾斜泵浦脈沖波面，又不引起泵浦脈沖的時(shí)、空、頻域等特性畸變的新技術(shù)是非常必要的。

[1]許景周、張希成，太赫茲科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用，北京大學(xué)出版社，2007.

[2]d.h.auston,k.p.cheung,j.a.valdmanis,andd.a.kleinman,cherenkovradiationfromfemtosecondopticalpulsesinelectro-opticmedia,phys.rev.lett.1984,53:1555.

[3]heblingj,almasig,kozmaiz,etal.velocitymatchingbypulsefronttiltingforlarge-areathz-pulsegeneration[j].opticsexpress,2002,10(21):1161.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)連續(xù)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法。該方法利用兩片平面反射鏡相對(duì)平行錯(cuò)位放置，對(duì)擴(kuò)束后的泵浦飛秒脈沖實(shí)現(xiàn)了連續(xù)傾斜脈沖波面，而沒(méi)有引入任何時(shí)、空、頻域的畸變，能夠提升光-太赫茲波轉(zhuǎn)換效率，且具有造價(jià)低廉，調(diào)節(jié)方便，簡(jiǎn)單高效，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，連續(xù)傾斜脈沖波面泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲波的裝置，由飛秒激光光源、擴(kuò)束鏡、平行平面反射器、成像透鏡、鈮酸鋰晶體構(gòu)成，平行平面反射器由兩片對(duì)泵浦激光波段的全反鏡相向、平行、錯(cuò)位放置構(gòu)成；飛秒激光光源產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過(guò)所述的擴(kuò)束鏡后脈沖波面為平面，然后投射到平行平面反射器，經(jīng)平行平面反射器兩次反射后平行輸出，再經(jīng)成像透鏡投射到鈮酸鋰晶體。

所述的鈮酸鋰晶體通光入射面為晶體光軸的z-a面，晶體出射面與z-b面的夾角為63.5度；根據(jù)入射波長(zhǎng)該角度可以調(diào)整。

投射到鈮酸鋰晶體脈沖波面平行于鈮酸鋰晶體的出射面，鈮酸鋰晶體的出射面按照鈮酸鋰晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲波的切倫科夫輻射面切割。

連續(xù)傾斜脈沖波面泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲波的方法，使用飛秒激光光源、擴(kuò)束鏡產(chǎn)生脈沖波面為平面的脈沖，利用兩片平面反射鏡相對(duì)平行錯(cuò)位放置，使擴(kuò)束后的泵浦飛秒脈沖實(shí)現(xiàn)連續(xù)傾斜脈沖波面，再經(jīng)成像透鏡投射到鈮酸鋰晶體。

投射到鈮酸鋰晶體脈沖波面平行于鈮酸鋰晶體的出射面，鈮酸鋰晶體的出射面按照鈮酸鋰晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲波的切倫科夫輻射面切割。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

由于本方法采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的技術(shù)，不涉及角色散和衍射，因此與先方法相比，本發(fā)明具有以下顯著的特點(diǎn)：

1.該方法通過(guò)對(duì)泵浦脈沖的擴(kuò)束和反射實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵浦脈沖波面的傾斜，而沒(méi)有對(duì)原有脈沖引入其他時(shí)、空、頻域的畸變。

2.該方法通過(guò)擴(kuò)束比和入射角調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦脈沖傾斜波面角度的調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單方便。

3.該方法中對(duì)泵浦脈沖波面傾斜后的光束出射方向和發(fā)散角度不會(huì)改變。以致后面的成像系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不用再次調(diào)整。

4.該方法中通過(guò)兩次反射實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦脈沖波面傾斜，插入損耗小。

5.該方法中的擴(kuò)束不僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦脈沖波面傾斜的需要，同時(shí)也大大降低了入射到晶體內(nèi)的功率(能量)密度，有利于繼續(xù)增加泵浦功率，獲得更高的太赫茲波功率(能量)。

6.該方法中采用的元器件都非常容易獲得，相對(duì)先方法，成本低廉。

附圖說(shuō)明：

圖1雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器結(jié)構(gòu)及原理圖。

圖2采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法的簡(jiǎn)圖。圖中標(biāo)號(hào)分別為：飛秒激光光源1、擴(kuò)束鏡2、平行平面反射器3、成像透鏡4、鈮酸鋰晶5。

圖3對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)采用光柵傾斜脈沖波面泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲波方法的局限性，提供一種采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)連續(xù)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法。該方法利用了兩片平面反射鏡相對(duì)平行錯(cuò)位放置，對(duì)擴(kuò)束后的泵浦飛秒脈沖實(shí)現(xiàn)了連續(xù)傾斜脈沖波面，而沒(méi)有引入任何時(shí)、空、頻域的畸變，提升了光-太赫茲波轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明具有造價(jià)低廉，調(diào)節(jié)方便，簡(jiǎn)單高效，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

本發(fā)明的方法解決方案如下：

一種采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)連續(xù)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法，所采用的器件包括飛秒激光光源、擴(kuò)束鏡、平行平面反射器、成像透鏡、鈮酸鋰晶體。其特征在于該方法包括下列步驟：

①所述的飛秒激光光源輸出波長(zhǎng)為1040nm的飛秒脈沖，激光脈沖經(jīng)過(guò)所述的擴(kuò)束鏡；

②經(jīng)過(guò)所述的擴(kuò)束鏡將泵浦激光光束直徑擴(kuò)束至2-4倍。擴(kuò)束后的泵浦脈沖經(jīng)過(guò)所述的平行平面反射器；

③經(jīng)過(guò)所述的平行平面反射器泵浦脈沖經(jīng)過(guò)所述的成像透鏡入射至所述的鈮酸鋰晶體；

所述的1040nm泵浦激光脈沖可以滿足以下條件：

①所述的1040nm飛秒激光器可以為其他波長(zhǎng)的脈沖激光器。

②所述的1040nm飛秒激光器脈沖寬度為fs-ps量級(jí)。

所述的平行平面反射器滿足以下要求。

①所述的平行平面反射器由兩片對(duì)泵浦激光波段的全反鏡相向、平行、錯(cuò)位放置構(gòu)成；

②所述的平行平面反射器的兩片反射鏡之間的間距、平行度和整體旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)。

所述的成像透鏡滿足以下要求：

①所述的成像透鏡可以是單透鏡成像，也可以是多透鏡組合成像。

所述的鈮酸鋰晶體滿足以下要求：

②所述的鈮酸鋰晶體通光入射面為晶體光軸的z-a面，晶體出射面與z-b面的夾角為63.5度；根據(jù)入射波長(zhǎng)該角度可以調(diào)整。

本發(fā)明的原理是：

產(chǎn)生泵浦脈沖波面傾斜的平行平面反射器由兩片對(duì)泵浦激光波段的全反鏡相向、平行、錯(cuò)位放置構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。一束擴(kuò)展的泵浦脈沖，其脈沖波面開始時(shí)為平面，即在同一時(shí)間內(nèi)空間所有部分同時(shí)到達(dá)垂直參考平面；當(dāng)該脈沖光入射到按照設(shè)計(jì)要求傾斜放置的平行平面反射器后，僅僅經(jīng)過(guò)兩次反射即可平行輸出，即插入損耗小和光束質(zhì)量高；由于是擴(kuò)展光束，該脈沖經(jīng)過(guò)平行平面反射器后僅僅產(chǎn)生了脈沖波面相對(duì)于位相面的傾斜；特別是依靠反射過(guò)程不會(huì)像光柵方法的角色散對(duì)原泵浦脈沖引入時(shí)、空啁啾；而泵浦脈沖的傾斜角度僅僅與擴(kuò)束比或入射到平行平面反射器的角度相關(guān)，因此調(diào)節(jié)該參數(shù)即可控制脈沖的傾斜角度；由于經(jīng)過(guò)平行平面反射器出射的脈沖為平行光，因此后面的透鏡成像系統(tǒng)一旦調(diào)好后，不用再調(diào)節(jié)；傾斜脈沖波面的泵浦光經(jīng)過(guò)透鏡成像系統(tǒng)進(jìn)入鈮酸鋰晶體，脈沖波面平行于鈮酸鋰晶體的出射面(該面按照晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲波的切倫科夫輻射面切割)。如上所述，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)圖如圖2所示。研究結(jié)果表明，本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)與原有方法相比能夠有效提升太赫茲波的轉(zhuǎn)換效率和太赫茲波的質(zhì)量。

本發(fā)明是采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法，請(qǐng)先參閱圖2，圖2是本發(fā)明采用雙反射鏡構(gòu)成的平行平面反射器實(shí)現(xiàn)波面傾斜泵浦鈮酸鋰產(chǎn)生太赫茲的方法的光路圖，由圖可見(jiàn)，所采用的器件包括飛秒激光光源、擴(kuò)束鏡、平行平面反射器、成像透鏡、鈮酸鋰晶體。該方法包括下列步驟：

a)所述的飛秒激光光源(1)輸出一個(gè)波長(zhǎng)為1040nm的50fs-150fs的激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過(guò)所述的擴(kuò)束鏡(2)；

b)經(jīng)過(guò)所述的擴(kuò)束鏡(2)輸出泵浦激光脈沖光束的直徑為2mm-4mm，再經(jīng)過(guò)所述的平行平面反射器(3)。

c)所述的平行平面反射器(3)輸出一個(gè)傾斜脈沖波面的泵浦脈沖經(jīng)過(guò)所述的成像透鏡(4)。

d)所述的成像透鏡(4)將傾斜脈沖波面的泵浦脈沖耦合進(jìn)入鈮酸鋰晶體產(chǎn)生太赫茲波。

所述的1040nm泵浦激光脈沖滿足以下條件：

所述的1040nm飛秒激光器可以為其他波長(zhǎng)的脈沖激光器。

所述的平行平面反射器滿足以下要求：

①所述的平行平面反射器由兩片對(duì)泵浦激光波段的全反鏡相向、平行、錯(cuò)位放置構(gòu)成；

②所述的平行平面反射器的兩片反射鏡之間的間距、平行度和整體旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)。

所述的成像透鏡滿足以下要求：

①所述的成像透鏡可以是單透鏡成像，也可以是多透鏡組合成像，如望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

所述的鈮酸鋰晶體滿足以下要求：

①所述的鈮酸鋰晶體通光入射面為晶體光軸的z-a面，晶體出射面與z-b面的夾角為63.5度；根據(jù)入射波長(zhǎng)該角度可以調(diào)整。