一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源的製作方法

2023-11-05 22:39:37 1

本發明屬於太赫茲波技術領域，具體涉及一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源。

背景技術：

太赫茲波（Terahertz，簡稱THz），是指頻率在0.1-10THz（1THz＝1012THz）範圍內的電磁波，其波段位於電磁波譜中毫米波和紅外線之間，是光子學與電子學、宏觀理論向微觀理論的過渡區域。太赫茲波所處的特殊位置使其在物理、化學、天文學、分子光譜、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域，以及醫學成像、環境監測、材料檢測、食品檢測、射電天文、移動通訊、衛星通信和軍用雷達等應用研究領域均有重大的科學研究價值和廣闊的應用前景。太赫茲波主要應用在以下領域：

（1）成像領域

利用太赫茲波時域光譜技術可以直接測量THz電磁脈衝所產生的瞬態電磁場，可以直接測得樣品的介電常數。

（2）生物化學技術領域

由於許多生物大分子的轉動吸收譜處於太赫茲波頻段，利用對生化反應太赫茲波吸收譜的研究可以得到反應中的分子運動狀況信息。對於進一步研究生化反應提供了有力的手段。

（3）天文學領域

在宇宙中，大量的物質在發出太赫茲電磁波，碳（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在太赫茲波頻段進行探測。

（4）通信領域

太赫茲波是很好的寬帶信息載體，可以攜帶聲頻或者視頻信號進行傳輸，太赫茲波用於通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，這比當前的超寬帶技術快幾百至一千多倍。

（5）國土安全領域

在國土安全領域，由於太赫茲波的非電離性，及強穿透性，所以它能夠在機場、車站等地對隱藏的爆炸物、違禁品、武器、毒品等危險物品提供遠距離、大範圍的預警。

缺少能夠產生高功率、高質量、高效率的太赫茲波，且低成本並能在室溫下運轉的太赫茲源是目前面臨的主要問題。目前太赫茲波的產生方法主要有電子學方法和光子學方法，電子學方法一般是將電磁輻射的波長從毫米波延伸到THz波段，也就相當於一個頻率變大的過程，但是當頻率大於1THz時會遇到很大的障礙，以至於效率變的很低，同時電子學方法產生的太赫茲波輻射源體積龐大，限制了其在很多領域中的應用；而光子學方法其主要方向就是把可見光或者紅外光向THz波段轉換，此方法的優勢在於產生的太赫茲波輻射源具有很高的相干性和方向性，但是現階段產生的太赫茲波功率和效率都較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源，用以解決現有太赫茲波功率低、效率低等問題。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源，包括泵浦源、分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、……、第N+3反射鏡、第N+4反射鏡、第N+5反射鏡、第N+6反射鏡、……、第2N+2反射鏡、第一MgO:LiNbO3晶體、第二MgO:LiNbO3晶體、第三MgO:LiNbO3晶體、……、第N MgO:LiNbO3晶體、矽稜鏡、第一泵浦光回收盒和第二泵浦光回收盒；

從泵浦源出射的泵浦光經分光鏡後變為第一束泵浦光和第二束泵浦光，第一束泵浦光經第一反射鏡反射後入射第一MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大；從第一MgO:LiNbO3晶體出射的第一束泵浦光經第N+4反射鏡反射後入射第二MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大；從第二MgO:LiNbO3晶體出射的第一束泵浦光經第六反射鏡反射後入射第三MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大；如此繼續下去，第一束泵浦光入射第N MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大。若第一束泵浦光被第一泵浦光回收盒回收，則由第一束泵浦光在第N MgO:LiNbO3晶體中產生的太赫茲波由矽稜鏡耦合輸出；若第一束泵浦光被第二泵浦光回收盒回收，則第一束泵浦光在第N MgO:LiNbO3晶體中產生的太赫茲波不輸出；

第二束泵浦光經第二反射鏡反射後入射第一MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大；從第一MgO:LiNbO3晶體出射的第二束泵浦光經第五反射鏡反射後入射第二MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大；從第二MgO:LiNbO3晶體出射的第二束泵浦光經第N+5反射鏡反射後入射第三MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大，如此繼續下去，第二束泵浦光入射第N MgO:LiNbO3晶體，經光學參量效應產生Stokes光和太赫茲波，Stokes光在由第三反射鏡和第四反射鏡組成的諧振腔中振蕩放大。若第二束泵浦光被第一泵浦光回收盒回收，則由第二束泵浦光在第N MgO:LiNbO3晶體中產生的太赫茲波由矽稜鏡耦合輸出；若第二束泵浦光被第二泵浦光回收盒回收，則第二束泵浦光在第N MgO:LiNbO3晶體中產生的太赫茲波不輸出。

所述泵浦源為脈衝雷射器，波長為1064nm，重複頻率為10Hz，單脈衝能量為100mJ，偏振方向為Z軸。

所述分光鏡對波長為1064nm的泵浦光45°角半反射半透射。

所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、……、第N+3反射鏡、第N+4反射鏡、第N+5反射鏡、第N+6反射鏡、……和第2N+2反射鏡為平面鏡，第一反射鏡、第二反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、……、第N+3反射鏡、第N+4反射鏡、第N+5反射鏡、第N+6反射鏡、……和第2N+2反射鏡對第一束泵浦光和第二束泵浦光全反射，且第一反射鏡、第二反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、……、第N+3反射鏡、第N+4反射鏡、第N+5反射鏡、第N+6反射鏡、……和第2N+2反射鏡角度可調，第三反射鏡和第四反射鏡對Stokes光全反射。

所述第一MgO:LiNbO3晶體、第二MgO:LiNbO3晶體、第三MgO:LiNbO3晶體、……和第N MgO:LiNbO3晶體是完全相同的，第一MgO:LiNbO3晶體在X-Y平面為矩形，MgO摻雜濃度為5mol%。

所述第N MgO:LiNbO3晶體中，第一束泵浦光和Stokes光之間的交點與第二束泵浦光和Stokes光之間的交點重合，且上述交點緊貼在矽稜鏡的下方。

所述矽稜鏡由高阻矽材料製備，在X-Y平面為直角三角形，兩個底角分別為40°和50°，矽稜鏡緊貼在第N MgO:LiNbO3晶體的X-Z側面上。

所述第C-N太赫茲波垂直於矽稜鏡的斜邊出射。

所述第一MgO:LiNbO3晶體、第二MgO:LiNbO3晶體、第三MgO:LiNbO3晶體、……、第（N-1）MgO:LiNbO3晶體中產生的太赫茲波均不輸出。

本發明提供的一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源與現有的基於差頻或參量效應的太赫茲輻射源相比，具有以下優點：

（1）在光學參量效應中，每一塊MgO:LiNbO3晶體都可以產生Stokes光，且各塊晶體產生的Stokes光頻率相同，傳播方向相同，這樣可以極大增強Stokes光功率，從而可以有效增強THz波輸出功率。

（2）在光學參量過程中，泵浦光可以循環使用，有效提高泵浦光利用效率。

（3）通過改變泵浦光和Stokes光之間的夾角，可以得到頻率調諧的太赫茲波，調諧方式簡單，操作靈活。

附圖說明

圖1是本發明的結構原理圖。

圖2是MgO:LiNbO3晶體中泵浦光、Stokes光和太赫茲波相位匹配示意圖，圖中kp、ks、kT分別為泵浦光、Stokes光、太赫茲波的波矢，θ角為泵浦光波矢kp與Stokes光波矢ks之間的夾角。

圖3是矽稜鏡的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1-3所示，一種斯託克斯光增強的太赫茲波輻射源，包括泵浦源1、分光鏡3、第一反射鏡6、第二反射鏡7、第三反射鏡9、第四反射鏡10、第五反射鏡L-1a、第六反射鏡L-2a、第七反射鏡L-3a、……、第N+3反射鏡L-（N-1）a、第N+4反射鏡L-1b、第N+5反射鏡L-2b、第N+6反射鏡L-3b、……、第2N+2反射鏡L-（N-1）b、第一MgO:LiNbO3晶體C-1、第二MgO:LiNbO3晶體C-2、第三MgO:LiNbO3晶體C-3、……、第N MgO:LiNbO3晶體C-N、矽稜鏡11、第一泵浦光回收盒13和第二泵浦光回收盒14；

從泵浦源1出射的泵浦光2經分光鏡3後變為第一束泵浦光4和第二束泵浦光5，第一束泵浦光4經第一反射鏡6反射後入射第一MgO:LiNbO3晶體C-1，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；從第一MgO:LiNbO3晶體C-1出射的第一束泵浦光4經第N+4反射鏡L-1b反射後入射第二MgO:LiNbO3晶體C-2，經光學參量效應產生Stokes光（8）和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；從第二MgO:LiNbO3晶體C-2出射的第一束泵浦光4經第六反射鏡L-2a反射後入射第三MgO:LiNbO3晶體C-3，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；如此繼續下去，第一束泵浦光4入射第N MgO:LiNbO3晶體C-N，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大。若第一束泵浦光4被第一泵浦光回收盒13回收，則由第一束泵浦光4在第N MgO:LiNbO3晶體C-N中產生的太赫茲波為太赫茲波12，太赫茲波12由矽稜鏡11耦合輸出；若第一束泵浦光4被第二泵浦光回收盒14回收，則第一束泵浦光4在第N MgO:LiNbO3晶體C-N中產生的太赫茲波不輸出；

第二束泵浦光5經第二反射鏡7反射後入射第一MgO:LiNbO3晶體C-1，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；從第一MgO:LiNbO3晶體C-1出射的第二束泵浦光5經第五反射鏡L-1a反射後入射第二MgO:LiNbO3晶體C-2，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；從第二MgO:LiNbO3晶體C-2出射的第二束泵浦光5經第N+5反射鏡L-2b反射後入射第三MgO:LiNbO3晶體C-3，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大；如此繼續下去，第二束泵浦光5入射第N MgO:LiNbO3晶體C-N，經光學參量效應產生Stokes光8和太赫茲波，Stokes光8在由第三反射鏡9和第四反射鏡10組成的諧振腔中振蕩放大。若第二束泵浦光5被第一泵浦光回收盒13回收，則由第二束泵浦光5在第N MgO:LiNbO3晶體C-N中產生的太赫茲波為太赫茲波12，太赫茲波12由矽稜鏡11耦合輸出；若第二束泵浦光5被第二泵浦光回收盒14回收，則第二束泵浦光5在第N MgO:LiNbO3晶體C-N中產生的太赫茲波不輸出。

泵浦源1為脈衝雷射器，波長為1064nm，重複頻率為10Hz，單脈衝能量為100mJ，偏振方向為Z軸。

如圖2所示，改變第一束泵浦光4和Stokes光8、第二束泵浦光5和Stokes光8之間的夾角θ，可以得到頻率調諧的第C-N太赫茲波12。當θ角的範圍在0.3356°-1.4686°變化時，可以得到頻率範圍在0.8-3.2THz的太赫茲波，同時可以得到波長範圍在1067-1076.2nm的Stokes光8。

分光鏡3對波長為1064nm的泵浦光45°角半反射半透射。

第一反射鏡6、第二反射鏡7、第三反射鏡9、第四反射鏡10、第五反射鏡L-1a、第六反射鏡L-2a、第七反射鏡L-3a、……、第N+3反射鏡L-（N-1）a、第N+4反射鏡L-1b、第N+5反射鏡L-2b、第N+6反射鏡L-3b、……和第2N+2反射鏡L-（N-1）b為平面鏡，第一反射鏡6、第二反射鏡7、第五反射鏡L-1a、第六反射鏡L-2a、第七反射鏡L-3a、……、第N+3反射鏡L-（N-1）a、第N+4反射鏡L-1b、第N+5反射鏡L-2b、第N+6反射鏡L-3b、……和第2N+2反射鏡L-（N-1）b對第一束泵浦光4和第二束泵浦光5全反射，且第一反射鏡6、第二反射鏡7、第五反射鏡L-1a、第六反射鏡L-2a、第七反射鏡L-3a、……、第N+3反射鏡L-（N-1）a、第N+4反射鏡L-1b、第N+5反射鏡L-2b、第N+6反射鏡L-3b、……和第2N+2反射鏡L-（N-1）b角度可調，第三反射鏡9和第四反射鏡10對Stokes光8全反射。

第一MgO:LiNbO3晶體C-1、第二MgO:LiNbO3晶體C-2、第三MgO:LiNbO3晶體C-3、……和第N MgO:LiNbO3晶體C-N是完全相同的，第一MgO:LiNbO3晶體C-1在X-Y平面為矩形，MgO摻雜濃度為5mol%，晶體尺寸為40mm（X）×20mm（Y）×5mm（Z）。

第N MgO:LiNbO3晶體C-N中，第一束泵浦光4和Stokes光8之間的交點與第二束泵浦光5和Stokes光8之間的交點重合，且上述交點緊貼在矽稜鏡11的下方，這樣可以儘量減小太赫茲波在晶體中的傳播距離，從而減小晶體對太赫茲波的吸收損耗。

矽稜鏡11由高阻矽材料製備，在X-Y平面為直角三角形，兩個底角分別為40°和50°，矽稜鏡11緊貼在第N MgO:LiNbO3晶體C-N的X-Z側面上，尺寸為40mm（X）×33.6mm（Y）×5mm（Z），可以保證THz波垂直於矽稜鏡（11）出射。

改變第一束泵浦光4和Stokes光8之間的夾角，可以得到頻率調諧的第C-N太赫茲波12；改變第二束泵浦光5和Stokes光8之間的夾角，可以得到頻率調諧的第C-N太赫茲波12。在頻率調諧過程中，第一束泵浦光4與Stokes光8之間的夾角始終等於第二束泵浦光5與Stokes光8之間的夾角。

第C-N太赫茲波12垂直於矽稜鏡11的斜邊出射。

第一MgO:LiNbO3晶體C-1、第二MgO:LiNbO3晶體C-2、第三MgO:LiNbO3晶體（C-3）、……、第（N-1）MgO:LiNbO3晶體C-（N-1）中產生的太赫茲波均不輸出。

以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限於所描述的實施方式。本發明的基本思路在於上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變形的模型、公式、參數並不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護範圍內。