基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)調(diào)制太赫茲源及其內(nèi)調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲輻射源領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，是涉及一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)調(diào)制太赫茲源及其內(nèi)調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波段是指頻率為0.l-lOTHz，介于微波和紅外波之間的電磁波譜范圍，具有攜帶信息容量大(相對(duì)于微波)、高時(shí)空相干性、低光子能量等特性，因此太赫茲波在無(wú)線通信、成像、雷達(dá)以及國(guó)防安全等領(lǐng)域呈現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。高性能太赫茲輻射源及其有效調(diào)制是實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)眾多應(yīng)用的基礎(chǔ)，比如在通信、雷達(dá)等信號(hào)處理和材料控制上需要進(jìn)行太赫茲波的調(diào)制等。目前，隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以太赫茲輻射源和太赫茲功能器件(如調(diào)制器件)為代表的太赫茲關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，同時(shí)也遇到了發(fā)展的瓶頸，如太赫茲波的調(diào)制手段相對(duì)復(fù)雜、單一，太赫茲輻射源與功能器件不能實(shí)現(xiàn)有效集成，這些瓶頸極大的限制了太赫茲技術(shù)在無(wú)線通信、太赫茲成像以及雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]基于電子學(xué)方法的返波管和固態(tài)電子學(xué)等輻射源，利用電調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)了225GHz的太赫茲雷達(dá)和300GHz的太赫茲通訊，由于受到電子學(xué)方法的限制，其工作頻率一般在ITHz以下，受到帶寬的限制不能實(shí)現(xiàn)大容量的信息傳輸?；诎雽?dǎo)體量子阱技術(shù)的量子級(jí)聯(lián)激光器能夠?qū)崿F(xiàn)小型化的連續(xù)太赫茲輸出，利用栗浦電流的調(diào)制實(shí)現(xiàn)了4.1THz和2.9THz的數(shù)字通訊，該種輻射源可以和調(diào)制器有效地集成在一起，真正的實(shí)現(xiàn)了集成化小型化的太赫茲應(yīng)用，但由于量子級(jí)聯(lián)激光器需要工作在低溫下，這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。基于非線性光學(xué)方法的太赫茲源，就低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲應(yīng)用甚廣，由于轉(zhuǎn)換效率低以及太赫茲波段非線性材料的缺乏，光學(xué)太赫茲輻射源的輸出功率低，太赫茲調(diào)制方法大多局限在太赫茲輻射源的外腔調(diào)制方式，如基于液晶和V02的微結(jié)構(gòu)相變材料，利用電、磁和光影響材料的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)制，這些調(diào)制方式一方面系統(tǒng)復(fù)雜，另一方面調(diào)制效率低，同時(shí)給光學(xué)太赫茲波應(yīng)用系統(tǒng)的小型化和集成化帶來(lái)困難。對(duì)于室溫運(yùn)轉(zhuǎn)光學(xué)太赫茲輻射源在太赫茲通訊、成像和雷達(dá)應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前需要解決的問(wèn)題是如何獲得高性能光學(xué)太赫茲產(chǎn)生以及實(shí)現(xiàn)集成化的有效調(diào)制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)當(dāng)前太赫茲波在無(wú)線通信、成像、雷達(dá)以及國(guó)防安全等領(lǐng)域?qū)烧{(diào)制連續(xù)太赫茲福射源的應(yīng)用需求，本發(fā)明專(zhuān)利的目的在于提供一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Cherenkov相位匹配的內(nèi)調(diào)制太赫茲輻射源及其內(nèi)調(diào)制方法，采用該方法可以控制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中有機(jī)電光材料包層的折射率實(shí)現(xiàn)太赫茲耦合輸出的調(diào)制，獲得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)調(diào)制太赫茲波輸出，實(shí)現(xiàn)高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的集成化光學(xué)可調(diào)制太赫茲輻射，并且能夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，本發(fā)明突破尚效光波導(dǎo)太赫茲波的尚效頻率轉(zhuǎn)換以及太赫茲波導(dǎo)親合調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)尚效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的集成化光學(xué)可調(diào)制太赫茲輻射，促進(jìn)太赫茲在無(wú)線通信、成像以及雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)調(diào)制太赫茲源，包括依次設(shè)置的栗浦源、激光合束器、耦合器和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述栗浦源由輸出波長(zhǎng)分別為1.9um和1.9-2um的兩個(gè)獨(dú)立的光纖激光器構(gòu)成，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由從上到下依次設(shè)置的有機(jī)電光材料包層、鈮酸鋰芯層和石英襯底層通過(guò)光膠緊密貼合構(gòu)成，所述有機(jī)電光材料包層內(nèi)設(shè)置有控制電路，有機(jī)電光材料包層的外側(cè)設(shè)置有楔形結(jié)構(gòu);所述光纖激光器輸出的激光通過(guò)激光合束器合束后形成有雙波長(zhǎng)激光，雙波長(zhǎng)激光通過(guò)耦合器耦合后進(jìn)入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰芯層，雙波長(zhǎng)激光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中差頻產(chǎn)生太赫茲波并從楔形結(jié)構(gòu)輸出。
[0007]所述光纖激光器采用摻銩鍺酸鹽作為增益介質(zhì)，并利用Bragg光柵選模實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，再通過(guò)功率放大后實(shí)現(xiàn)50-100W的輸出功率。
[0008]所述親合器由光纖輸出聚焦鏡構(gòu)成，所述光纖輸出聚焦鏡對(duì)1.8-2.3um波長(zhǎng)栗浦光的透過(guò)率>95 %，工作距離為30mm，數(shù)值孔徑為0.22。
[0009]所述楔形結(jié)構(gòu)與鈮酸鋰芯層的夾角為35°-45°。
[0010]根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)調(diào)制太赫茲源的內(nèi)調(diào)制方法，該方法包括以下步驟:
[0011](1)通過(guò)控制電路控制電壓將有機(jī)電光材料的折射率控制在< 2.2，以減少太赫茲泄露系數(shù)；
[0012](2)在泄漏系數(shù)接近于0的情況下實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰芯層內(nèi)的高效能量轉(zhuǎn)換，以供積累太赫茲能量；
[0013](3)通過(guò)控制電路對(duì)有機(jī)電光材料給出一個(gè)快速的加壓或降壓信號(hào)，利用電壓變化使有機(jī)電光材料的折射率變化，增大泄露系數(shù)至1700cm—I將鈮酸鋰芯層內(nèi)積累的太赫茲能量全部親合輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲能量的調(diào)制。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是:
[0015]1.栗浦源使用高功率的單頻光纖激光器，充分利用其高光束質(zhì)量和窄線寬的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)栗浦光向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中鈮酸鋰芯層的高效耦合，獲得很高的有效栗浦強(qiáng)度，提高差頻轉(zhuǎn)換效率，并保證太赫茲源的窄線寬。
[0016]2.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由從上到下依次設(shè)置的有機(jī)電光材料包層、鈮酸鋰芯層和石英襯底層通過(guò)光膠緊密貼合構(gòu)成，根據(jù)鈮酸鋰芯層和有機(jī)電光材料包層材料的色散特性，經(jīng)耦合器傳來(lái)的雙波長(zhǎng)激光可以在平板波導(dǎo)中差頻產(chǎn)生太赫茲波，隨后太赫茲波以輻射模形式傳輸，不僅可以自動(dòng)滿(mǎn)足與栗浦光縱向傳輸常數(shù)的匹配(也就是Cherenkov型相位匹配)，同時(shí)經(jīng)過(guò)有機(jī)電光材料包層實(shí)現(xiàn)側(cè)向親合輸出，實(shí)現(xiàn)了Cherenkov相位匹配、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)效應(yīng)相結(jié)合的效果，充分發(fā)揮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)自動(dòng)滿(mǎn)足相位匹配、有效距離長(zhǎng)和耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)，保證級(jí)聯(lián)的高效性，打破差頻效率的量子極限，實(shí)現(xiàn)量子效率、耦合效率和輸出功率的全面提尚Ο
[0017]3.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中使用有機(jī)電光材料作為包層，利用其吸收損耗和高電光系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并可以根據(jù)需要進(jìn)行合成。
[0018]4.可通過(guò)對(duì)有機(jī)電光材料包層材料的折射率調(diào)制來(lái)改變泄露系數(shù)，既能同時(shí)獲得較高的芯層內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率和太赫茲耦合輸出效率，從而提高輸出功率，又能實(shí)現(xiàn)太赫茲的調(diào)制。
[0019]5.該輻射源的整體更加緊湊，易于實(shí)現(xiàn)小型化、全固化，并能夠在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行內(nèi)調(diào)制的太赫茲波輸出，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、成像以及雷達(dá)等領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明太赫茲輻射源的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)差頻產(chǎn)生太赫茲輻射的示意圖。
[0022]附圖標(biāo)記:1-栗浦源2-栗浦源3-激光合束器4-耦合器5-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)50-有機(jī)電光材料包層51-鈮酸鋰芯層52-石英襯底層53-控制電路
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面