循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的製作方法
2023-12-10 04:30:56 1
專利名稱：循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種差頻方式產生的寬帶調諧太赫茲波裝置，尤其涉及一種基於都卜勒頻率調製器移頻、循環移頻和差頻原理的寬帶調諧太赫茲波光源。
背景技術：
太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)波是指工作頻率處於0. 1 IOTHz範圍內的電磁波。 太赫茲波之所以能引起科學工作者濃厚的研究興趣，並不是因為它神秘而鮮為人知的電磁輻射，更主要是因為它具有很多獨特的性質，正是這些獨特的性質賦予了太赫茲科學廣泛的應用前景。太赫茲波的獨特的性質主要表現在透視性、安全性、光譜分辨本領。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行透視成像，另外由於太赫茲的波長大於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，是火災救護或風塵環境監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，該能量比各種化學鍵的鍵能都低，所以不會發生電離反應，即不會破壞化合物分子結構，因此可以應用到安檢和生物檢測等場所，這是太赫茲的安全性的體現，大量的分子，尤其是有機分子的振動和轉動的躍遷譜，均處於太赫茲頻譜範圍內，因而可以利用光譜解析度特性實現物體形貌和組成成分的分析。由於太赫茲波具有上述重要的應用前景，目前國際上已有多個小組開展了相干太赫茲波領域的科學研究工作，尤其是關於可調諧相干太赫茲波的產生方面的研究。在韓國， N. J.Kim小組於2009年實現了基於雙波長分布式反饋雷射二極體(Distributed Feedback Laser Diodes,DFB LDs)泵浦的可調諧連續波太赫茲輻射，並於2010年將太赫茲波的調諧寬度擴大到0. 5THz。在加拿大，S. L. Pan小組於2009年實現了基於雙波長摻餌光纖雷射 (Erbium-Doped Fiber Laser,EDFL)的可調諧微波信號輸出。在美國，Y. J. Ding小組於2010 年實現了基於雙波長差頻(Difference Frequency,DF)產生了緊湊、可攜式太赫茲輻射源， 其體積可以縮小到30. 48X15. 24X10. 16cm3，唯一不足的是不可調諧。在德國，波恩大學的I. Breunig小組從2007年至2010年期間不斷完善基於內腔光學參量振蕩器Gnternal Cavity Optical Parametric Oscillator, IC0P0)的可調諧太赫茲波產生方案，最終其調諧寬度達到2THz，但加熱爐的溫度穩定性成為影響準相位匹配(QPM)的關鍵問題。在法國，法國科學研究中心(CNRS)的J. Mangeney小組最近幾年一直致力於利用某些非線性材料(如Ina53G^47As)的光混合器(PM)產生可調諧連續太赫茲波的研究，最大調諧寬度為 0·9ΤΗζ。在日本，H. Ito 小組利用 UTC-PD (Uni-iTraveling-Carrier Photodioed)光混合器實現了連續太赫茲波的產生，最高頻率可以達到1. 5THz。獲得太赫茲波的方式很多，原理也各異，目前產生可調諧相干太赫茲波的方式大致可以分為三大類。第一類是基於雙波長泵浦源研究和設計的可調諧相干太赫茲輻射；第二類是泵浦源波長固定，基於非線性級聯過程的IC0P0產生太赫茲波的研究和設計。第三類是基於PM的可調諧太赫茲輻射源。對於第一類而言，目前主要涉及基於DFB LDs、EDFLs、DF雙波長泵浦源的可調諧相干太赫茲輻射源研究和設計。利用DFB LDs產生的太赫茲調諧範圍較窄，一般不到0. 5THz ；利用EDFLs方式產生的太赫茲調諧範圍雖然可以達到0. 5THz，但其結構相當複雜；而利用DF方式產生的太赫茲調諧範圍雖然較寬，可以達到20THz，但這種方式的太赫茲輻射源裝置相當龐大，儘管2010年，Y. J. Ding實現了 30. 48X15. 24X10. 16cm3緊湊的太赫茲輻射源，然而卻不可調諧。對於第二類而言，雖然目前其調諧寬度可以達到2THz，但由於溫度穩定性原因，滿足準相位匹配條件並不是件容易的事，從而使得調諧效率較低。對於第三類而言，目前最高調諧寬度為0.9THZ，顯然其調諧寬度較窄。總之，上述方法或調諧寬度較窄，或體積龐大，或調諧效率低，或轉換效率低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種緊湊、便攜，易於集成，寬調諧且調諧效率高的差頻方式產生的寬帶調諧太赫茲波裝置。解決本發明技術問題的技術方案是提供一種循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其包括雷射器、第一環行器、光分束器、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節、第一光束合成器、光隔離器、非線性元件和太赫茲濾波片；所述雷射器輸出的光經過第一環行器後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移頻環節後產生循環移頻光，所述參考光和循環移頻光經第一光束合成器合束後，再經過光隔離器在非線性元件中進行差頻，最後經過太赫茲濾波片濾波輻射出相干太赫茲波。所述雷射器為工作波長在600nm-2000nm波段內的半導體雷射器、氣體雷射器、固體雷射器或光纖雷射器。所述第一環行器為三埠環行器，其第一埠連接雷射器，第二埠連接光分束器，第三埠連接吸收負載，所述吸收負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構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的光學超晶格結構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的慢變周期結構，或由非線性材料和線性材料排列構成的斐波納契(Fibonacci)結構，它滿足系統的太赫茲輸出波頻率調諧範圍所對應的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件範圍。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；對於帶通透射式濾波器，透射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會被該濾波器反射；對於帶阻反射式濾波器，反射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會透過該濾波器。所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節的閉環增益係數的最佳值為1， 次佳值為1以外的其它正整數值，再次佳值為1以外的其它正整數的倒數值。所述光分束器的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數的倒數值，再次佳值為1以外的其它正整數值，所述光分束器的分光比為參考光功率除以基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節的輸入光功率。所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節包括第二光束合成器、都卜勒頻率調製器、平面反光鏡、第二環行器、第一反饋式布喇格光柵、可調諧濾波器、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的光放大器。所述都卜勒頻率調製器包括一振鏡，所述振鏡的機械振動由電磁鐵驅動，或由壓電陶瓷驅動的，或由高頻振動電機驅動。所述第二環行器為三埠環行器，其第一埠接收平面反射鏡的反射光，第二埠連接第一反饋式布喇格光柵，第三埠連接吸收負載，所述吸收負載吸收第一反饋式布喇格光柵的反射光。所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節中各部件、第一光束合成器、光隔離器的工作頻率帶寬不小於輸出的太赫茲波的最高頻率。所述第一環行器、光分束器、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節中各部件、第一光束合成器、光隔離器的工作波段與雷射器的工作波段一致。所述可調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，所述可調諧濾波器的窄帶輸出光的頻率與所述雷射器的輸出光的頻率之差等於所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調節範圍不大於可調諧濾波器的窄帶輸出光的頻率調諧範圍。所述可調諧濾波器為帶缺陷層的一維光子晶體可調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不小於系統輸出的太赫茲波的頻率調諧範圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調缺陷層，所述缺陷層的折射率的調節方式包括電致折變、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諧濾波器的窄帶透射波進入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調諧濾波器的反射光進入到光放大器 (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層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調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通過壓電效應、磁致伸縮效應、熱脹冷縮效應、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行調節，以實現所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調節。本發明與現有技術相比的有益效果是(1)緊湊、便攜。所述循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器利用市售組件組裝後的體積不超過40 X 10 X 35cm3，重量不超過^g。(2)光路簡單。在整個裝置中，只有光分束器、平面反射鏡和濾波片為可動光學元件，其它部分均已固定，優選光束合成器為光纖耦合器。該裝置方便光集成。(3)調諧範圍或調諧寬度大。即中心波長(例如，1550nm)受可調諧濾波器和光放大器的帶寬限制。對於工作帶寬為40nm的可調諧濾波器和光放大器，即能獲得5THz太赫茲波的調諧寬度。這比以往大多數太赫茲輻射源的調諧寬度都要大。隨著可調諧濾波器和帶通放大器的調諧寬度的增大，輸出太赫茲波的波長調節範圍會成比例增加。(4)調諧效率高。該方案中的調諧主要通過都卜勒頻率調製器實現頻率移動，當調節後的信號頻率達到可調諧濾波器的選取頻率時，可調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入光放大器，經過放大後，再反饋到都卜勒頻率調製器的輸入端，經過都卜勒頻率調製器再次進行頻率移動。這個過程不需要人工或計算機幹預，其調諧效率相當高。(5)太赫茲產生效率高。由於循環移頻節中存在增益可調部分，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，進而太赫茲輻射的轉換效率也比較高。
圖1是本發明循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的系統結構示意圖。圖2是本發明循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的第一種實施方式的示意圖。圖3是本發明循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的第一種實施方式的示意圖，其中的短虛線框內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是本發明循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的又第三種實施方式的示意圖。圖5是本發明循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器的差頻原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述本發明提供了一種循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，如圖 1所示，其包括雷射器1、第一環行器、光分束器3、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節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。雷射器1輸出的光經過第一環行器後被光分束器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移頻環節4後產生循環移頻光，所述參考光和循環移頻光經第一光束合成器合束後，再經過光隔離器6在非線性元件7中進行差頻，最後經過太赫茲濾波片8濾波輻射出相干太赫茲波。雷射器1為工作波長在600nm-2000nm波段內的半導體雷射器、氣體雷射器、固體雷射器或光纖雷射器。第一環行器為三埠環行器，其第一埠連接雷射器1，第二埠連接光分束器3，第三埠連接吸收負載，所述吸收負載吸收光分束器3的反射光。基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節4包括第二光束合成器、都卜勒頻率調製器42、平面反光鏡43、第二環行器、第一反饋式布喇格光柵45、可調諧濾波器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組成增益可調的光放大器。第一環行器、光分束器3、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節4中各部件、第一光束合成器、光隔離器6的工作波段與雷射器1的工作波段一致。基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節4的閉環增益係數(或稱整體增益係數)的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數值，再次佳值為1以外的其它正整數的倒數值。基於都卜勒調製器移頻的循環頻移環節4的輸出光的幅度最佳值等於參考光的幅度，即光分束器3的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數的倒數值，再次佳值為1以外的其它正整數值，也即光分束器3的分光比與基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節的閉環增益係數的乘積最佳值為1。光分束器3的分光比等於參考光功率除以基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節4的輸入功率。都卜勒頻率調製器42包括一振鏡，所述振鏡的機械振動由電磁鐵驅動，或由壓電陶瓷驅動的，或由高頻振動電機驅動。由於都卜勒效應使頻率發生改變，故所述振鏡發揮頻率調製功能，且光的傳播方向與振鏡的運動方向成較小的角度。都卜勒頻率調製器42的頻移原理是所述雷射器1發出的電磁波經過第二光束合成器後注入到都卜勒頻率調製器42 的振鏡上，當振鏡的運動方向與電磁波的傳輸方向相反時，頻率增大，反之頻率減小；每經過一次循環，輸出頻率在注入信號光頻率fo基礎上改變Δ ·，經過反覆移頻後，可調諧濾波器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，經放大器放大後反饋到第二光束合成器進行下一次的頻率移動。經過反覆移頻後，最終可以實現太赫茲波輸出。設fo表示注入雷射的頻率，υ表示都卜勒頻率調製器42的振鏡的運動速度，c 表示光速，θ表示電磁波傳播方向與都卜勒頻率調製器42的振鏡的運動方向的夾角，則可用公式表示頻率調製後的半寬度為Δ/=—Z0COS^
C則光第N次通過都卜勒頻率調製器42後，有ΝΔ f的頻率變化。由此可見，在基於都卜勒頻率調製器42的循環移頻環節中，光波經過N次循環移頻後獲得N Δ f的頻移量，只要該頻移量未使光的頻率達到可調諧濾波器46的選取頻率，則光波會被反饋回循環移頻環節中不斷循環，直到頻移量使光的頻率達到濾波器的選取頻率為止。所述第二環行器為三埠環行器，其第一埠接收平面反射鏡43的反射光，第二埠連接第一反饋式布喇格光柵45，第三埠連接吸收負載，所述吸收負載吸收第一反饋式布喇格光柵45的反射光。所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節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於輸出的太赫茲波的最高頻率，即工作頻率帶寬不小於所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節4的最大頻移範圍。可調諧濾波器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，所述可調諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率與所述雷射器1的輸出光的頻率之差等於所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率通過調節可調諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率來實現，太赫茲波的頻率調節範圍不大於可調諧濾波器46的窄帶輸出光的頻率調諧範圍。優選地，可調諧濾波器46為帶缺陷層的一維光子晶體可調諧濾波器(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不小於系統輸出的太赫茲波的頻率調諧範圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調缺陷層， 所述缺陷層的折射率的調節方式包括電致折變、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，實現可調諧濾波的功能。優選地，所述一維光子晶體可調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諧濾波器的窄帶透射波進入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調諧濾波器的反射光進入到光放大器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層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調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通過壓電效應、磁致伸縮效應、熱脹冷縮效應、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行調節，以實現所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調節。差頻原理如圖5所示，光學差頻產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內相互作用，產生的參量光的頻率是這兩束泵浦光頻率之差CO1-CO2 ；當每消耗一個Co1光子，必然同時產生一個《2光子，這三個頻率必須滿足能量守恆關係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，即非線性元件內相互作用的三個平面波必須滿足相位匹配條件Ak = !^-!^-!^。為了實現寬帶調諧太赫茲波輸出，需要有寬的相位匹配範圍，通過由非線性材料和線性材料交替排列的周期結構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的光學超晶格結構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的慢變周期結構，或由非線性材料和線性材料排列構成的斐波納契(Fibonacci) 結構，即能獲得系統的太赫茲輸出波頻率調諧範圍所對應的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件範圍。下面是一種實施例的各組成部分及其工作參數。雷射器1選用1550nm超窄線寬半導體連續雷射器，該雷射器在25°C時的工作波長為1550nm，輸出功率為5mW，連續工作模式，最大線寬為50kHz，輸出光纖類型為SMF-觀單模光纖(9/125 μ m)。都卜勒頻率調製器 42帶有一反射振鏡，該振鏡可以由電磁鐵驅動、或壓電陶瓷驅動、或高頻振動電機直接驅動，其體積極小。所選用的可調諧濾波器46對中心波長的調諧寬度達到40nm，幾乎覆蓋了整個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C-band。所選用的光分束器3為響應1550nm波長的10/90的光學元件，其中10表示參考光部分，90表示信號光部分。所選用的第一環形器、第二環行器是接吸波負載的光學器件，起到光隔離效果，同時對反射回來的光利用吸波負載加以吸收，該器件既起到光隔離又起到環保作用，其響應波長在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1550nm波長的光纖耦合器。所選用的都卜勒頻率調製器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雷射分為兩路，一路作為參考光，另一路作為都卜勒頻率調製器42的調製信號光，在外部設備的驅動下所述振鏡通過都卜勒效應改變信號光的頻率，使信號光的頻率發生偏移，當信號光的頻率達到可調諧濾波器46的選取頻率時，可調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，經過光放大後進入第二光束合成器，再次反饋到都卜勒頻率調製器42中進行頻率移動。此頻率移動過程不斷重複，最終獲得任意大小的頻率移動，這是本方案的關鍵優勢之一。參考光和可調諧濾波器46輸出的窄帶信號光經過第一光束合成器和光隔離器6後與傾斜式PPLN晶體相互作用差頻產生太赫茲波。當調節可調諧濾波器的透射頻率時，能獲得調諧寬度為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，在採用插入損耗較小的都卜勒頻率調製器42和可調諧濾波器46的情況下， 則不需使用光放大器47，只需將幅度衰減器48接到可調諧濾波器46的窄帶光輸出端即可， 如圖4所示。本發明提供的寬帶調諧太赫茲發生器體積小，光學元件少因而易集成，調諧範圍大，調諧效率高，太赫茲產生效率高。以上所述本發明在具體實施方式
及應用範圍均有改進之處，不應當理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於其包括雷射器(1)、第一環行器、光束分離器(3)、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節 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)，所述雷射器 (1)輸出的光經過第一環行器後被光束分離器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移頻環節(4)後產生循環移頻光，第一光束合成器將所述參考光和循環移頻光合束後經光隔離器(6)在非線性元件(7)中進行差頻，然後經過太赫茲濾波片 (8)濾波輻射出相干太赫茲波。
2.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述雷射器(1)為工作波長在600nm-2000nm波段內的半導體雷射器、氣體雷射器、固體雷射器或光纖雷射器。
3.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述第一環行器為三埠環行器，其第一埠連接雷射器(1)，第二埠連接光分束器(3)，第三埠連接吸收負載，所述吸收負載吸收光分束器(3)的反射光。
4.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述非線性元件(7)為非線性材料和線性材料交替排列的周期結構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的光學超晶格結構，或由非線性材料和線性材料交替排列構成的慢變周期結構，或由非線性材料和線性材料排列構成的斐波納契(Fibonacci)結構，它滿足系統的太赫茲輸出波頻率調諧範圍所對應的非線性差頻過程所要求的相位匹配條件範圍。
5.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述太赫茲濾波片(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；對於帶通透射式濾波器，透射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會被該濾波器反射；對於帶阻反射式濾波器，反射波輸出為太赫茲波，其它波長的波會透過該濾波器。
6.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節的閉環增益係數的最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數值，再次佳值為1以外的其它正整數的倒數值。
7.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述光分束器(3)的分光比最佳值為1，次佳值為1以外的其它正整數的倒數值，再次佳值為1以外的其它正整數值，所述光分束器(3)的分光比為參考光功率除以基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節的輸入光功率。
8.按照權利要求1所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節(4)包括第二光束合成器、 都卜勒頻率調製器(42)、平面反光鏡(43)、第二環行器、第一反饋式布喇格光柵(45)、可調諧濾波器(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)組成增益可調的光放大器。
9.按照權利要求8所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述都卜勒頻率調製器0 包括一振鏡，所述振鏡的機械振動由電磁鐵驅動， 或由壓電陶瓷驅動的，或由高頻振動電機驅動。
10.按照權利要求8所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其特徵在於所述第二環行器為三埠環行器，其第一埠接收平面反射鏡^幻的反射光，第二埠連接第一反饋式布喇格光柵G5)，第三埠連接吸收負載，所述吸收負載吸收第一反饋式布喇格光柵G5)的反射光。
11.按照權利要求8所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節中各部件、第一光束合成器、光隔離器(6)的工作頻率帶寬不小於輸出的太赫茲波的最高頻率。
12.按照權利要求8所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述第一環行器、光分束器(3)、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節 (4)中各部件、第一光束合成器、光隔離器(6)的工作波段與雷射器(1)的工作波段一致。
13.按照權利要求8所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述可調諧濾波器G6)為窄帶濾波器，其允許一頻率可調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，所述可調諧濾波器G6)的窄帶輸出光的頻率與所述雷射器(1)的輸出光的頻率之差等於所需要的太赫茲波的頻率，輸出的太赫茲波的頻率調節範圍不大於可調諧濾波器G6)的窄帶輸出光的頻率調諧範圍。
14.按照權利要求13所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述可調諧濾波器G6)為帶缺陷層的一維光子晶體可調諧濾波器或布喇格光柵-全反射鏡組合體。
15.按照權利要求14所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述一維光子晶體的光子禁帶區不小於系統輸出的太赫茲波的頻率調諧範圍，所述一維光子晶體包含一層折射率可調缺陷層，所述缺陷層的折射率的調節方式包括電致折變、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諧濾波器的窄帶透射波進入到第一光束合成器的輸入端，所述一維光子晶體可調諧濾波器的反射光進入到光放大器G7) 的輸入端。
16.按照權利要求14所述的循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器， 其特徵在於所述布喇格光柵-全反射鏡組合體包括一個與入射光方向成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層，所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光為該可調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通過壓電效應、磁致伸縮效應、熱脹冷縮效應、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行調節，以實現所述第二反饋式布喇格光柵的窄帶反射光的頻率的調節。
全文摘要
本發明提供了一種循環都卜勒移頻非線性差頻式寬帶調諧太赫茲波發生器，其包括雷射器、第一環行器、光束分離器、基於都卜勒頻率調製器移頻的循環移頻環節、第一光束合成器、光隔離器、非線性元件和太赫茲濾波片，所述雷射器輸出的光經過第一環行器後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移頻環節後產生循環移頻光，第一光束合成器將所述參考光和循環移頻光合束後經光隔離器在非線性元件中進行差頻，然後經過太赫茲濾波片濾波輻射出相干太赫茲波。本發明提供的裝置體積小，光學元件少因而易集成，調諧範圍大，調諧效率高，太赫茲產生效率高。
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 優先權日2011年4月21日
發明者歐陽徵標, 祁春超 申請人:歐陽徵標, 深圳大學