一种增强太赫兹波的参量振荡器
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种增强太赫兹波的参量振荡器。
背景技术
太赫兹（Terahertz，THz）波又称为远红外波，是指中心频率为1012Hz（1THz）的电磁波，在电磁波频谱中，太赫兹波段处在毫米波与红外波段之间，即波长在30-3000μm之间，频率在0.1-10 THz之间。长期以来，缺乏高能量太赫兹波辐射源和高效探测手段，对太赫兹波段的应用研究较少，使得太赫兹波段成为电磁波谱中亟需研究突破的窗口。由于太赫兹波处于电子学与光子学波谱的中间过渡区，使得太赫兹波具备许多独特优点：（1）太赫兹波量子能量低：太赫兹波无电离特性，太赫兹波光子能量较低，相比X射线更安全，1THz对应的能量仅为4.1meV。在对人体皮肤及其他生物样品检测时，不会出现光致损伤；（2）太赫兹波具备良好的穿透性：太赫兹波可以穿透多数非极性材料提取样品特征信息；（3）太赫兹波的“指纹”特性：由于许多生物大分子的振动和转动频率处于太赫兹段，因此，大部分物质在太赫兹波段包含丰富的物理和化学特征信息；（4）太赫兹波带宽较宽：太赫兹波带宽为0.1-10THz，可以高速通信传输数据。以太赫兹波为通信载体时，可以容纳更多载波信息，发挥出更高传输速率及更宽频带范围的优势作用，在无线通信领域具有广阔的应用前景。太赫兹波也得益于这些独特的优异特点，使得太赫兹波在生物学和医学检测、无线通讯、安全检测和军事领域得到较好发挥。而且，太赫兹领域现已成为具有潜力的前沿交叉学科，无论是在科学研究还是在工程应用领域，太赫兹技术都表现出了巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。
高效率高功率太赫兹辐射源是太赫兹技术得以应用的关键。目前产生太赫兹辐射源的方法主要有电子学和光子学方法。产生太赫兹波的方法主要有电子学方法和光子学方法，由于电子学方法工作机制是由低频光子进行倍频上转换输出，大部分设备主要局限于低频波段，当工作频率大于1THz时，输出功率大幅度衰减，且可调谐范围能力较弱。光子学方法主要由近红外波段向太赫兹波段延伸，基于光子学方法的太赫兹辐射源可实现连续调谐，相干性好，结构紧凑等优点，但该方法仍然存在转换效率低的问题。
发明内容
针对以上所述的太赫兹波输出功率低、可调谐范围受限的问题，本发明提出了一种增强太赫兹波的参量振荡器。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种增强太赫兹波的参量振荡器，包括泵浦源和LiNbO3晶体，泵浦源产生的泵浦光经过第一分光棱镜分光后产生第一透射泵浦光和第一反射泵浦光，第一透射泵浦光入射LiNbO3晶体，经光学参量效应产生第一信号光和第二信号光，第一信号光在第一谐振腔中振荡放大，第二信号光在第二谐振腔中振荡放大，且第一透射泵浦光经第二分光棱镜分光后产生第二透射泵浦光和第二反射泵浦光；所述第一反射泵浦光经第五反射镜反射后入射LiNbO3晶体，第一反射泵浦光与第二信号光经光学参量效应产生第四信号光和第一太赫兹波，其余第一反射泵浦光再经第六反射镜和第二分光棱镜作用后产生第三透射泵浦光和第三反射泵浦光；所述第三透射泵浦光经第七反射镜反射后入射LiNbO3晶体，第三透射泵浦光与第二信号光经光学参量效应产生第三信号光和第二太赫兹波，其余第三透射泵浦光再经第八反射镜反射后入射至第一分光棱镜，第三信号光和第四信号光均与第二信号光频率相同，第一分光棱镜、第五反射镜、第六反射镜、第二分光棱镜、第七反射镜和第八反射镜均设置在LiNbO3晶体周围，且六者组成一个闭合光路；所述第二反射泵浦光经第六反射镜反射后入射LiNbO3晶体，第二反射泵浦光与第一信号光经光学参量效应产生第六信号光和第三太赫兹波，其余第二反射泵浦光再经第五反射镜和第一分光棱镜作用后产生第五透射泵浦光和第五反射泵浦光，第五反射泵浦光射出，第五透射泵浦光经第八反射镜反射后入射LiNbO3晶体，第五透射泵浦光与第一信号光经光学参量效应产生第五信号光和第四太赫兹波，其余第五透射泵浦光再经第七反射镜反射后入射至第二分光棱镜，且第六信号光和第五信号光均与第一信号光频率相同；所述第三反射泵浦光依次入射LiNbO3晶体和第一分光棱镜。
所述LiNbO3晶体的两侧均设有硅棱镜，且第一太赫兹波、第二太赫兹波、第三太赫兹波和第四太赫兹波分别通过硅棱镜从LiNbO3晶体的表面输出。
所述硅棱镜是由高电阻率单晶硅制备而成的输出耦合棱镜，硅棱镜在x-y平面内为直角三角形，其它两个角的角度分别为64°和26°，硅棱镜设置在LiNbO3晶体的x-z两个侧面上，且第一太赫兹波、第二太赫兹波、第三太赫兹波和第四太赫兹波分别垂直于硅棱镜的斜边射出。
所述泵浦源为脉冲激光器，输出波长为1064nm，重复频率为15Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为z轴。
所述第一分光棱镜和第二分光棱镜对波长为1064nm的泵浦光45°角半反射半透射；第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜均对1064nm的泵浦光波长全反射。
所述第一谐振腔包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜对第一信号光全反射；所述第二谐振腔包括第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜和第四反射镜对第二信号光全反射。
所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的设置角度均可调。
所述第一信号光和第二信号光频率相同，且第一信号光垂直于第一反射镜和第二反射镜，第二信号光垂直于第三反射镜和第四反射镜；第一透射泵浦光、第一反射泵浦光、第二透射泵浦光、第二反射泵浦光、第三透射泵浦光、第三反射泵浦光、第五透射泵浦光、第五反射泵浦光的波长均为1064nm；第一太赫兹波、第二太赫兹波、第三太赫兹波、第四太赫兹波频率相等。
所述LiNbO3晶体在y-z平面内为矩形，且LiNbO3晶体在x轴方向上的前后两个侧面均为光学抛光面。
还包括泵浦光回收盒，泵浦光回收盒设置在第二分光棱镜的后方，第二透射泵浦光入射至泵浦光回收盒中回收。
本发明的有益效果：
（1）泵浦光经过两块分光棱镜后分成多束光在晶体内传输，增大了LiNbO3晶体内耦合波相互作用空间；
（2）信号光由泵浦光在LiNbO3晶体的多处产生，其中，相同光路上各点产生的信号光互为光学参量过程的种子光，从而增强耦合波的相位匹配过程，以提高太赫兹波的输出水平；
（3）泵浦光通过分光棱镜、反射镜的透射和反射在LiNbO3晶体中可以循环利用；
（4）调节第一信号光和第二信号光所在的第一谐振腔和第二谐振腔的位置，可以改变泵浦光与信号光的相位匹配角θ，即可以得到频率连续调谐的太赫兹波，调谐范围较宽，操作简单可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为LiNbO3晶体中泵浦光、信号光和太赫兹波的相位匹配示意图。
图3为相位匹配角θ、太赫兹波频率和信号光波长之间的关系示意图。
图4为泵浦光、太赫兹波间夹角φ和相位匹配角θ之间的关系示意图。
图中，1为激光器，2为泵浦光，3为第一分光棱镜，4为第二分光棱镜，5为第五反射镜，6为第六反射镜，7为第七反射镜，8为第八反射镜，9为LiNbO3晶体，10为第一信号光，11为第一反射镜，12为第二反射镜，13为第二信号光，14为第三反射镜，15为第四反射镜，16为泵浦回收盒，17为第一太赫兹波，18为第二太赫兹波，19为第三太赫兹波，20为第四太赫兹波。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种增强太赫兹波的参量振荡器，如图1所示，包括泵浦源1、第一分光棱镜3、LiNbO3晶体9、第二分光棱镜4、第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜14、第四反射镜15、第五反射镜5、第六反射镜6、第七反射镜7、第八反射镜8，所述LiNbO3晶体9在y-z平面内为矩形，第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜14和第四反射镜15分别设置在LiNbO3晶体9的四角，且第一反射镜11和第二反射镜12组成第一谐振腔，第三反射镜14和第四反射镜15组成了第二谐振腔；本实施例中，所述泵浦源1为脉冲激光器，输出波长为1064nm，重复频率为15Hz，单脉冲能量为100mJ，偏振方向为z轴。
泵浦源1产生的泵浦光2经过第一分光棱镜3分光后产生第一透射泵浦光和第一反射泵浦光，第一透射泵浦光沿x轴正向垂直射入LiNbO3晶体9，在LiNbO3晶体9的中间点经光学参量效应产生第一信号光10、第二信号光13、第五太赫兹波和第六太赫兹波，且第五太赫兹波和第六太赫兹波均不输出；所述第一信号光10在第一谐振腔中振荡放大，且第一反射镜11和第二反射镜12对第一信号光10全反射；第二信号光13在第二谐振腔中振荡放大，且第三反射镜14和第四反射镜15对第二信号光13全反射；第一透射泵浦光经第二分光棱镜4分光后产生为第二透射泵浦光和第二反射泵浦光，第二分光棱镜4的后方设有泵浦光回收盒16，第二透射泵浦光沿着x轴正向入射至泵浦回收盒16回收。
所述第一反射泵浦光沿y轴正向传播，经第五反射镜5反射后沿x轴正向垂直射入LiNbO3晶体9内，第一反射泵浦光与第二信号光13经光学参量效应产生第四信号光和第一太赫兹波17，其余第一反射泵浦光再经第六反射镜6反射后沿y轴负向入射至第二分光棱镜4，在第二分光棱镜4的作用下产生第三透射泵浦光和第三反射泵浦光；所述第三透射泵浦光沿y轴负向射出，经第七反射镜7反射后沿x轴负向垂直入射至LiNbO3晶体9中，第三透射泵浦光与第二信号光13经光学参量效应产生第三信号光和第二太赫兹波18，其余第三透射泵浦光再经第八反射镜8反射后沿y轴正向入射至第一分光棱镜3，在第一分光棱镜3的作用下变为第四透射泵浦光和第四反射泵浦光；所述第三信号光和第四信号光均与第二信号光13频率相同，第三信号光和第四信号光与第二信号光13一样均在第二谐振腔中振荡放大，第三信号光和第四信号光与第二信号光13互相叠加，可以起到增强耦合波的相互作用；第一分光棱镜3、第五反射镜5、第六反射镜6、第二分光棱镜4、第七反射镜7和第八反射镜8均设置在LiNbO3晶体9周围，且六者组成一个闭合循环光路；所述第三反射泵浦光沿x轴负向垂直射入LiNbO3晶体9内，然后再沿x轴负向入射至第一分光棱镜3变为第六透射泵浦光和第六反射泵浦光。
所述第二反射泵浦光沿y轴正向传播，经第六反射镜6反射后沿x轴负向垂直射入LiNbO3晶体9中，第二反射泵浦光与第一信号光10经光学参量效应产生第六信号光和第三太赫兹波19；其余第二反射泵浦光再经第五反射镜5反射后，沿y轴负向射入第一分光棱镜1产生为第五透射泵浦光和第五反射泵浦光，第五反射泵浦光沿x轴负向射出，不再参与相互作用；第五透射泵浦光沿y轴负向射入第八反射镜8，经第八反射镜8反射后，沿x轴正向垂直射入LiNbO3晶体9内，第五透射泵浦光与第一信号光10经光学参量效应产生第五信号光和第四太赫兹波20，其余第五透射泵浦光再经第七反射镜7反射后，沿y轴正向入射至第二分光棱镜4；所述第六信号光和第五信号光均与第一信号光10的频率相同，第六信号光和第五信号光与第一信号光10一样均在第一谐振腔中振荡放大，第六信号光和第五信号光与第一信号光10互相叠加，可以起到增强耦合波的相互作用。
第四透射泵浦光与第一反射泵浦光的路径相同，第四反射泵浦光与第一透射泵浦光的路径相同；第六反射泵浦光与第五透射泵浦光的路径相同，第六透射泵浦光与第五反射泵浦光的路径相同。
按照上述的路径往复，在满足相位匹配的条件下，第一信号光10在第一谐振腔中不断放大，与LiNbO3晶体9周围的沿坐标轴逆时针传播的泵浦光发生太赫兹参量效应，利用增强的第一信号光10和增大的耦合波相互作用区域可以提高第三太赫兹波19和第四太赫兹波20的输出；同样地，第二信号光13在第二谐振腔中不断放大，与LiNbO3晶体9周围的沿坐标轴顺时针传播的泵浦光发生太赫兹参量效应，利用增强的第二信号光13和增大的耦合波相互作用区域可以提高第一太赫兹波17和第二太赫兹波18的输出。
由于太赫兹波在LiNbO3晶体9中的折射率较大，折射率n大于5，容易在LiNbO3晶体与空气的交界面处发生反射，影响太赫兹波的输出；因此在沿z轴方向的LiNbO3晶体9表面的两侧均设有硅棱镜，以增大晶体与空气交界面处的全反射角，利于太赫兹波的射出；所述硅棱镜与第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20一一对应，方便第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20分别通过各自所对应的硅棱镜从LiNbO3晶体9的表面输出。所述LiNbO3晶体9的在x轴方向上的前后两个侧面为通光面，所述通光面为光学抛光面。
所述硅棱镜是由高电阻率单晶硅材料制备而成的太赫兹波输出耦合棱镜，且高电阻率单晶硅的折射率约为3.4；所述硅棱镜在x-y平面内均为直角三角形，其它两个角的角度分别为64°和26°，硅棱镜紧贴在LiNbO3晶体9沿z轴方向的前后两个侧面上，且第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20分别垂直于各自的硅棱镜的斜边射出。
所述第五反射镜5、第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8均对波长为1064nm的泵浦光全反射；第一分光棱镜3和第二分光棱镜4对波长为1064nm的泵浦光45°角半反射半透射。
所述的第一信号光10和第二信号光13的频率相同，且第一信号光10、第六信号光和第五信号光均垂直于第一反射镜11和第二反射镜12，第二信号光13、第三信号光和第四信号光均垂直于的第三反射镜14和第四反射镜15；第一透射泵浦光、第一反射泵浦光、第二透射泵浦光、第二反射泵浦光、第三透射泵浦光、第三反射泵浦光、第四透射泵浦光、第四反射泵浦光、第五透射泵浦光、第五反射泵浦光、第六透射泵浦光、第六反射泵浦光的波长均为1064nm。第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19、第四太赫兹波20的频率均相等。
所述第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜14和第四反射镜15的设置角度均可调，通过调节第一反射镜11和第二反射镜12的放置角度可以调节第一谐振腔的角度，以产生连续可调谐输出的太赫兹波，同样地，通过调节第三反射镜14和第四反射镜15的放置角度也可以调节第二谐振腔的角度，同样产生连续可调谐输出的太赫兹波。
本实施例中，x轴与泵浦源1所出射的泵浦光2的方向平行，泵浦源所出射的朝向第一分光棱镜3的泵浦光的方向为x轴正向；y轴与LiNbO3晶体的设有硅棱镜的晶体表面相平行，且第一分光棱镜3所射出的朝向第五反射镜5的泵浦光的方向为y轴正向；z轴垂直与y轴和x轴所组成的平面，也即z轴与LiNbO3晶体的设有硅棱镜的晶体表面相垂直；y-z平面为y轴和z轴所组成的平面。
如图2所示，kp为泵浦光的波矢，kT1、kT2、kT3、kT4分别为第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20的波矢，ks1、ks2、ks3、ks4是与第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20分别相对应的第四信号光、第三信号光、第六信号光和第五信号光的波矢，θ角为泵浦光波矢和信号光波矢之间的夹角，即为相位匹配角，φ角为泵浦光与太赫兹波之间的夹角，θ角和φ角均为锐角。
如图3所示，泵浦源1的波长为1064nm，其中泵浦光2在LiNbO3晶体中采用type-0类即e→e+e的相位匹配方式。当相位匹配角θ从0.05-2°变化时，可以得到频率范围在0.1-4THz的第一太赫兹波17、第二太赫兹波18、第三太赫兹波19和第四太赫兹波20，同时对应参量过程中所产生的第一信号光10、第二信号光13、第三信号光、第四信号光、第五信号光和第六信号光的波长范围为1.065-1.079μm。
如图4所示，为泵浦光与太赫兹波之间的夹角φ和相位匹配角θ之间的关系示意图，具体设计过程中，通过替换硅棱镜的方式使硅棱镜的较大锐角和泵浦光与太赫兹波之间的夹角φ相等，保持太赫兹波垂直于硅棱镜所在的直角三角形的斜边出射。
本发明的原理：
从脉冲激光器出射的泵浦光经过分光棱镜变为透射泵浦光和反射泵浦光两部分，透射泵浦光垂直入射至LiNbO3晶体，当满足相位匹配条件下，泵浦光在LiNbO3晶体内部通过参量过程产生信号光和太赫兹波，信号光分别在两个谐振腔中振荡放大。同时，在分光棱镜和反射镜的作用下，部分反射泵浦光和透射泵浦光在闭合循环光路内形成振荡，从而利用泵浦光与信号光在光学参量的作用下在LiNbO3晶体的内部产生多束太赫兹波，进而实现泵浦光到太赫兹波转换效率的提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
