一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源的製作方法

2023-06-08 15:21:16 1

一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於2μm單頻光纖雷射器泵浦的外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，通過利用2μm可調諧單頻光纖雷射器作為泵浦源，利用準相位匹配的周期反轉GaAs晶體作為差頻晶體，由四鏡環形諧振腔構成外腔增強結構，實現單頻太赫茲輻射輸出，本發明通過泵浦耦合系統將單頻光纖雷射輸出耦合進入準相位匹配GaAs晶體中，採用四鏡環形腔結構，使泵浦光往復通過晶體，提高光子利用效率，以實現外腔增強，最終通過放置於準相位匹配晶體右側的太赫茲輻射輸出鏡輸出太赫茲波，具有結構緊湊、高效率、可靠性高等優點。
【專利說明】一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源
【技術領域】
[0001]本發明屬於太赫茲【技術領域】，特別是一種基於2μαι單頻光纖雷射器泵浦的外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源。
【背景技術】
[0002]太赫茲波段處於微波和光波之間，與物質相互作用時包含了豐富的物理和化學信息，因此太赫茲波被廣泛應用於分子光譜、生物波譜成像分析等基礎研究領域。當前太赫茲波譜成像技術主要採用超短脈衝激發光電導和非線性材料獲得寬帶太赫茲輻射源，但是超短脈衝雷射激發的太赫茲波輸出是寬帶光譜等原因，其光譜解析度存在很大的局限性，目前時域光譜分析系統一TDS僅能達到大於10GHz的光譜解析度，難以滿足高解析度的低摩爾濃度分子、生物光譜分析需求。因此，窄光譜線寬的可調諧單頻太赫茲輻射源是高解析度太赫茲波譜分析及高精度成像應用領域的關鍵核心技術。
[0003]太赫茲波可以通過以下幾種方式產生:電子返波管(BW0)、自由電子雷射器、量子級聯雷射器、光泵氣體雷射器、相干光混頻以及非線性光學頻率下轉換等方法。
[0004]然而自由電子雷射器體積龐大，實際應用困難，光泵氣體雷射器與返波管雖然輸出功率高，但是調諧範圍窄，相干光混頻存在輸出功率低調諧範圍窄，量子級聯雷射器需要在低溫下運轉，而且調諧範圍窄等缺陷。近年來，基於光學非線性頻率下轉換技術的光學太赫茲輻射源取得了很大進展，但由於缺少高非線性係數太赫茲差頻晶體以及高效泵浦方式，其輸出功率水平和調諧範圍依然存在很大局限，無法充分滿足太赫茲的相關應用。
【發明內容】

[0005]本發明的目的是克服現有技術存在的上述問題，提供一種結構緊湊、高效率、可靠性高的一種基於2μπι單頻光纖雷射器泵浦的外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源。
[0006]本發明可以通過如下措施達到。
[0007]—種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於採用兩個2 μιι單頻連續/脈衝光纖雷射器作為泵浦源，利用差頻晶體，通過外腔增強結構實現單頻太赫茲輻射輸出。
[0008]本發明所述的外腔增強結構為主振蕩放大系統結構(Μ0ΡΑ)，主振蕩放大系統結構(μ?ρα)對2μηι單頻種子源進行放大、輸出；主振蕩放大系統結構(μορα)由光纖隔離器、預放大級、功率放大級組成，實現2 μπι高功率/高能量單頻單模光纖雷射輸出，所述光纖隔離器用於保證信號單向傳輸；所述預放大級用於將種子源信號通過單模有源Tm光纖實現預放大；所述功率放大級用於使預放大信號通過大纖芯高濃度摻Tm鍺酸鹽光纖(LC-Tm:GF )進行功率放大，最終獲得高功率/高能量單頻雷射輸出。
[0009]本發明所述的外腔增強結構為線性腔結構，利用兩個光纖布拉格光柵構成諧振腔，同時兼具選模作用以獲得窄線寬的單模輸出，通過調整光纖布拉格光柵可以實現固定波長輸出和波長可變的單頻光纖種子源輸出，線性腔結構可為光纖Bragg光柵，利用光纖Bragg光柵選出窄線寬的單模輸出，通過調整光纖Bragg光柵可以實現固定波長(1.9 μ Π'Ο輸出和波長可變(1.9-2 μ ηι調諧)的單頻單模光纖雷射輸出。
[0010]本發明所述的外腔增強結構為四鏡環形諧振腔結構，由兩個平面鏡和兩個凹面鏡構成，凹鏡用於將泵浦光聚焦至差頻晶體中，以提高泵浦光的強度，泵浦光往復通過晶體，提高光子利用效率，以實現外腔增強。
[0011]本發明所述的差頻晶體為周期反轉GaAs晶體。
[0012]本發明包括兩個工作於不同波長的2 μ m高功率/高能量單頻單模連續/脈衝光纖雷射泵浦源、泵浦耦合系統、準相位匹配晶體、四鏡環形諧振腔、太赫茲輻射輸出鏡，兩個
2μ Q1高功率/高能量單頻單模連續/脈衝光纖雷射泵浦源通過泵浦耦合系統使泵浦光進入準相位匹配晶體，準相位匹配晶體放置於四鏡環形諧振腔內，使泵浦光往復通過晶體，提高光子利用效率，以實現外腔增強，最終通過放置於準相位匹配晶體右側的太赫茲輻射輸出鏡反射輸出太赫茲波。
[0013]所述泵浦耦合系統包括雷射合束器和準直光路，對於2 μ 01脈衝單頻光纖泵浦光，還需要添加延時光路實現兩束脈衝雷射在時間域上的重合疊加。兩束雷射經泵浦耦合系統後形成雙波長雷射，作為差頻過程的泵浦光進入準相位匹配晶體。
[0014]所述準相位匹配晶體為周期反轉GaAs晶體，因為與雙折射II類相位匹配(GaSe和ZnGeP)相比，GaAs晶體中不存在泵浦光兩個波長的走離，不需要對兩個波長的泵浦光路單獨調整，因而減小了腔的損耗和調整難度，提高了腔的穩定性。
[0015]所述四鏡環形諧振腔包括兩個平面鏡和兩個凹鏡組成，凹鏡用於將泵浦光聚焦至差頻晶體中，以提高泵浦光的強度。泵浦光往復通過晶體，提高光子利用效率，以實現外腔增強。
[0016]所述太赫茲輻射輸出鏡為拋物球面鏡，用於收集太赫茲波並轉化為平行波輸出。
[0017]太赫茲波的產生原理:
根據能量守恆條件，我們可以得到差頻過程中，THz輻射波長可以採用下式計算:
【權利要求】
1.一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於採用兩個2μ οι單頻連續/脈衝光纖雷射器作為泵浦源，利用差頻晶體，通過外腔增強結構，實現單頻太赫茲輻射輸出。
2.根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於外腔增強結構為主振蕩放大系統結構，主振蕩放大系統結構由光纖隔離器、預放大級、功率放大級組成，實現2 μ m高功率/高能量單頻單模光纖雷射輸出。
3.根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於外腔增強結構為線性腔結構，利用兩個光纖布拉格光柵構成諧振腔，同時兼具選模作用以獲得窄線寬的單模輸出，通過調整光纖布拉格光柵可以實現固定波長輸出和波長可變的單頻光纖種子源輸出。
4.根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於外腔增強結構為四鏡環形諧振腔結構，由兩個平面鏡和兩個凹面鏡構成，凹鏡用於將泵浦光聚焦至差頻晶體中，以提高泵浦光的強度，泵浦光往復通過晶體，實現外腔增強。
5.根據權利要求2所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於光纖隔離器用於保證信號單向傳輸；預放大級用於將種子源信號通過單模有源Tm光纖實現預放大；功率放大級用於使預放大信號通過大纖芯高濃度摻Tm鍺酸鹽光纖(LC-Tm:GF)進行功率放大，最終獲得高功率/高能量單頻雷射輸出。
6.根據權利要求3所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於線性腔結構為光纖Bragg光柵，利用光纖Bragg光柵選出窄線寬的單模輸出，通過調整光纖Bragg光柵可以實現固定波長(1.9 μ m)輸出和波長可變(l.9-2 μ m調諧)的單頻單模光纖雷射輸出。
7.根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於差頻晶體為周期反轉GaAs晶體,周期反轉GaAs晶體的THz福射波長為:11 J_^Bb \ 為式中，λ THz為太赫茲福射波長，入i和、2為入射光波長，其中一個波長λ 1不變的情況下，可以計算出輸出THz頻率在一定範圍內調諧時，另一束抽運光波長λ 2的變化曲線。
8.根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於對於周期反轉GaAs晶體，要求通光方向為[110]晶向；泵浦光偏振方向為[ι-ll]晶向，通過對(110)晶片間隔倒置，使泵浦光偏振方向分別平行[1-11]和[-11-1]晶軸形成準相位匹配周期結構，根據準相位匹配條件，晶體的反轉周期:址=2* 卜+ = !Λ J A式中Λ為準相位匹配晶體的反轉周期，λΤΗζ為太赫茲輻射波長，λ 1和λ 2為入射光波長，、**11&分別為入射光和太赫茲波在晶體中的折射率。
9.一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於包括兩個工作於不同波長的2μ οι高功率/高能量單頻單模連續/脈衝光纖雷射泵浦源、泵浦耦合系統、準相位匹配晶體、四鏡環形諧振腔、太赫茲輻射輸出鏡，兩個2 μ 11高功率/高能量單頻單模連續/脈衝光纖雷射泵浦源通過泵浦耦合系統使泵浦光進入準相位匹配晶體，準相位匹配晶體放置於四鏡環形諧振腔內，使泵浦光往復通過晶體，提高光子利用效率，以實現外腔增強，最終通過放置於準相位匹配晶體右側的太赫茲輻射輸出鏡反射輸出太赫茲波，所述泵浦耦合系統包括雷射合束器和準直光路，對於2 μ m脈衝單頻光纖泵浦光，還需要添加延時光路實現兩束脈衝雷射在時間域上的重合疊加，兩束雷射經泵浦耦合系統後形成雙波長雷射，作為差頻過程的泵浦光進入準相位匹配晶體，四鏡環形諧振腔包括兩個平面鏡和兩個凹鏡組成，凹鏡用於將泵浦光聚焦至差頻晶體中，泵浦光往復通過晶體，實現外腔增強。
10. 根據權利要求1所述的一種外腔增強差頻可調諧單頻太赫茲源，其特徵在於太赫茲輻射輸出鏡為用於收集太赫茲波並轉化為平行波輸出的拋物球面鏡。
【文檔編號】H01S3/16GK103647209SQ201310720265
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】史偉, 張卓 申請人:山東海富光子科技股份有限公司