專利名稱：一種基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲波參量振蕩器。
背景技術(shù)：
太赫茲波是指頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波(lTHz=1012Hz)，其波段位于電磁 波譜中毫米波和遠(yuǎn)紅外光之間。太赫茲波頻段是一個(gè)非常具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值但尚未充分 研究開發(fā)的電磁輻射區(qū)域。由于物質(zhì)在太赫茲波頻段的發(fā)射、反射和透射光譜中包含有 豐富的物理和化學(xué)信息，并且太赫茲波輻射具有低能性、高穿透性等特性，因此它在物 理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及安全檢査、醫(yī)學(xué)成像、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢驗(yàn)、射電天文、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有巨大的科 學(xué)研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。然而，太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)與十分成熟的微波、 光學(xué)技術(shù)相比仍然十分落后，這就成為限制現(xiàn)代太赫茲技術(shù)發(fā)展的最主要因素之一。因 此，研制出性能優(yōu)良的太赫茲波輻射源，已經(jīng)成為科研工作者追求的目標(biāo)和迫切需要解 決的實(shí)際問題。
產(chǎn)生太赫茲波輻射的方法很多，而利用非線性光學(xué)方法產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)諧、相干窄帶 太赫茲波輻射的方法憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，逐漸為科研工作者所青睞。基于受激電磁耦子 散射過程的太赫茲波參量振蕩器，是一種性能優(yōu)良的太赫茲波輻射源，可以產(chǎn)生具有高 相干性、連續(xù)可調(diào)諧、單色性好的太赫茲波。與利用非線性差頻方法產(chǎn)生太赫茲波輻射 相比，它只需一個(gè)固定波長(zhǎng)的泵浦源和一塊價(jià)格相對(duì)低廉的非線性晶體(如LiNbCb晶 體)，并且非線性轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，頻率調(diào)諧簡(jiǎn)單迅速，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更為簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)更 為緊湊、成本低，因此近十幾年來倍受人們所矚目，逐漸成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。目前， 眾多國(guó)內(nèi)外科研工作者分別對(duì)基于LiNb03晶體及其摻雜晶體MgO: LiNb03晶體組成的 太赫茲波參量振蕩器，進(jìn)行了詳細(xì)而大量的創(chuàng)新性研究工作，實(shí)現(xiàn)了 l-3THz的調(diào)諧范 圍，峰值功率達(dá)到百毫瓦量級(jí)，并利用它們作為輻射源成功進(jìn)行了很多的應(yīng)用性研究， 充分證明了太赫茲波參量振蕩器是一種性能優(yōu)良、實(shí)用性很強(qiáng)的太赫茲波波輻射源。太赫茲波參量振蕩器是基于極性晶體(如LiNbCb晶體)在前向拉曼散射過程中， 其晶格振動(dòng)模電磁耦子的角度色散特性來實(shí)現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào)諧受激輻射的。基于此 原理，目前太赫茲波參量振蕩器通常采用角度調(diào)諧技術(shù)來實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率調(diào)諧，即 通過在一個(gè)很小角度范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)放置太赫茲波參量振蕩器諧振腔的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以改 變?nèi)肷浔闷止馀c太赫茲波參量振蕩器諧振腔腔軸夾角的方法，來實(shí)現(xiàn)太赫茲波的連續(xù)調(diào) 諧輸出。在此調(diào)諧過程中，泵浦光、振蕩的斯托克斯光以及太赫茲波滿足非共線相位匹 配過程。
太赫茲波參量振蕩器的諧振腔通常采用平面鏡組成的直腔型結(jié)構(gòu)，即諧振腔一端為 平面全反鏡，另一端為平面部分透過率鏡。平-平腔型的太赫茲波參量振蕩器雖然具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀，振蕩光模體積較大，比較容易獲得單模振蕩等優(yōu)點(diǎn)，但平-平腔型對(duì) 于太赫茲波參量振蕩器這種非共線參量振蕩過程來說，調(diào)整精度要求極高，在通過機(jī)械 方式轉(zhuǎn)動(dòng)放置諧振腔的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)諧輸出時(shí)，諧振腔很容易受到諸如振動(dòng)、 沖擊或溫度突變等外界因素的干擾而導(dǎo)致其嚴(yán)重失調(diào)，其苛刻的諧振腔平行度嚴(yán)重影響 了太赫茲波參量振蕩器的工作穩(wěn)定性，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工作穩(wěn)定性高，諧振腔無(wú)需整體 轉(zhuǎn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)諧輸出的太赫茲波參量振蕩器。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其諧振腔由直角三面體角錐棱鏡 3-l和輸出鏡9構(gòu)成，直角三面體角錐棱鏡3-l能繞諧振腔的光軸旋轉(zhuǎn)；諧振腔內(nèi)設(shè)有 MgO:LiNb03晶體6， MgO:LiNb03晶體6表面安放有硅棱鏡陣列，在直角三面體角錐棱 鏡3-1與MgO丄iNb03晶體6間按布儒斯特角放有偏振鏡4;泵浦光入射諧振腔，激勵(lì) MgO:LiNb03晶體6產(chǎn)生太赫茲波7和振蕩的斯托克斯光8，太赫茲波7通過硅棱鏡陣 列出射，偏振鏡4保證振蕩的斯托克斯光8的線偏振方向。
所述輸出鏡9為多半圓形。
所述直角三面體角錐棱鏡3-l固定于半圓形金屬卡具3-2上，兩者的圓心重合，半圓形金屬卡具3-2固定于可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)鏡架上。
本發(fā)明與常見的太赫茲波參量振蕩器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 無(wú)需整體旋轉(zhuǎn)太赫茲波參量振蕩器諧振腔，只需轉(zhuǎn)動(dòng)輸出鏡9就可實(shí)現(xiàn)太赫茲波 調(diào)諧輸出，調(diào)諧方法更為簡(jiǎn)單、迅捷；
(2) 由于該諧振腔的腔型結(jié)構(gòu)具有自準(zhǔn)直、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、抗失調(diào)性高等顯著特點(diǎn)， 使得太赫茲波參量振蕩器能在"干擾"條件下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；
(3) 由于角錐棱鏡3-l具有全內(nèi)反平行反射和準(zhǔn)相位共軛的特性，使得角錐棱鏡諧振 腔能克服工作物質(zhì)MgO丄iNb03晶體6內(nèi)部因摻雜濃度不均勻所導(dǎo)致的折射率、 密度、應(yīng)力等不均勻性和參量增益非對(duì)稱性所造成的增益分布不均勻，利用其"勻 光效應(yīng)"可對(duì)腔內(nèi)增益進(jìn)行重新分配，從而可改善太赫茲波參量振蕩器的運(yùn)轉(zhuǎn)特 性；
(4) 在不改變泵浦光能量的前提下，通過沿諧振腔腔軸旋轉(zhuǎn)角錐棱鏡裝置3來控制腔 內(nèi)斯托克斯光偏振性，就可以改變輸出太赫茲波的強(qiáng)度、脈寬等特性，為改變太 赫茲波輸出特性提供了 一種有效手段。


圖1是本發(fā)明原理示意圖，圖1 (a)為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (b)為 三波非共線相位匹配示意圖2是硅棱鏡切割方式示意圖； 圖3是晶體與硅棱鏡安裝方式；
圖4是角錐棱鏡裝置示意圖5是多半圓形輸出鏡示意圖。
圖中，l為Nd: YAG激光器，2為望遠(yuǎn)鏡縮束系統(tǒng)，3為角錐棱鏡裝置，4為偏振 鏡，5為硅棱鏡，6為MgO:LiNb03晶體，7為出射的太赫茲波，9為多半圓形輸出鏡。 其中，3-l為角錐棱鏡，3-2為角錐棱鏡卡具。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳述。
圖1 (a)為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖，利用電光調(diào)Q脈沖Nd: YAG激光器1的基頻 光(1064nm)輸出作為太赫茲波參量振蕩器的泵浦源，其泵浦光的偏振方向平行于太赫
5茲波參量振蕩器的工作物質(zhì)MgO: LiNb03晶體6 (摻雜濃度為5%mol)的Z軸方向。利 用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)2將泵浦光光斑直徑縮束成2-3mm，然后沿X軸方向垂直入射工作物質(zhì) MgO: LiNb03晶體6，并盡量靠近MgO: LiNb03晶體6用作太赫茲波輸出的X-Z面，以 縮短太赫茲波在晶體中的傳輸路徑。
MgO: LiNb03晶體6切割方式及尺寸為60mm (X軸)xiOmm (Y軸)x5mm (Z 軸)，對(duì)兩個(gè)Y-Z通光面進(jìn)行光學(xué)拋光，并鍍中心波長(zhǎng)為1070nm增透膜；晶體6的兩 個(gè)X-Z面亦進(jìn)行光學(xué)拋光。由于在太赫茲波參量振蕩過程中，泵浦光A一、振蕩的斯托 克斯光& 和產(chǎn)生的太赫茲波A^滿足非共線相位匹配過程(如圖1 (b)所示)，因此 產(chǎn)生的太赫茲波7將從MgO: LiNb03晶體6的用作太赫茲波輸出的X-Z面處出射。
為了避免太赫茲波在晶體中發(fā)生全反射，提高其輸出效率，利用高電阻率硅 (H0KQ，cm'1)制成的棱鏡5組成的陣列作為太赫茲波輸出耦合器。如圖2所示，硅棱 鏡按90°、 50。和40。切割，棱鏡底面長(zhǎng)度為10mm，厚度為5mm，對(duì)斜面和50°角所對(duì) 的直角面進(jìn)行光學(xué)拋光。將由多個(gè)硅棱鏡組成的陣列固定于金屬板上，將MgO:LiNbCb 晶體6用作太赫茲波出射的X-Z面緊貼于硅棱鏡陣列的底面，并用螺絲固定，如圖3所 示。此時(shí)，耦合輸出的太赫茲波7將基本垂直于硅棱鏡50。角所對(duì)的直角面輸出。
將由直角三面體角錐棱鏡裝置3和輸出鏡9組成的諧振腔調(diào)節(jié)平行，并相對(duì)于泵浦 光方向成1.5。放置，腔長(zhǎng)為160mm。泵浦光一次性通過晶體6，而不通過角錐棱鏡裝置 3和輸出鏡9。角錐棱鏡裝置3由角錐棱鏡3-1和半圓形金屬卡具3-2組成，兩者的圓心 重合，然后將角錐棱鏡裝置固定于光學(xué)鏡架上，且可繞圓心旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。角錐棱 鏡3-l的圓形弦面直徑為5mm,鍍中心波長(zhǎng)為1070nm的增透膜。輸出鏡9鍍中心波長(zhǎng) 為1070nm的部分透過率膜，透過率為5%，其形狀為多半圓形(如圖5所示)，直徑為 20mm，其弦長(zhǎng)在15mm-20mm之間。采用這種形狀的輸出鏡，便于泵浦光在緊挨多半 圓形輸出鏡9的弦邊通過時(shí)，振蕩的斯托克斯光和泵浦光可以有效分離。在角錐棱鏡裝 置3和MgO: LiNb03晶體6之間按布儒斯特角放置一偏振鏡4，使得腔內(nèi)振蕩的斯托克 斯光8始終為沿Z軸方向的線偏振光，以提高其三波轉(zhuǎn)換效率。
角錐棱鏡3-1具有如下光學(xué)性能從多半圓形輸出鏡9反射的振蕩斯托克斯光8入 射至角錐棱鏡時(shí)，經(jīng)過三個(gè)直角面反射出后，其方向仍與入射光方向平行，也就是說， 只要入射光方向不變，無(wú)論角錐棱鏡繞其頂點(diǎn)或其頂點(diǎn)附近如何晃動(dòng)，其反射光始終與入射光平行。因此，在調(diào)節(jié)諧振腔時(shí)，只需將多半圓形輸出鏡9與角錐棱鏡3-l的弦面 近似平行即可。此外，在太赫茲波參量振蕩器中，三波的偏振方向都與Z軸方向平行， 此時(shí)具有最大的三波轉(zhuǎn)換效率。由于角錐棱鏡所特有的退偏效應(yīng)，因此當(dāng)入射光為線偏 振光時(shí)，其反射光將變?yōu)闄E圓偏振光，而當(dāng)角錐棱鏡繞諧振腔光軸方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從角錐 棱鏡出射的斯托克斯光8經(jīng)過偏振鏡4后，其在Z軸方向的分量將發(fā)生周期性的變化。 因此，此時(shí)產(chǎn)生的太赫茲波的輸出特性(如能量、脈寬等)也將發(fā)生周期性的變化，這 就為在不改變泵浦光特性情況下，調(diào)節(jié)太赫茲波參量振蕩器輸出特性提供了一種有效手 段。
由于由MgO: LiNb03晶體組成太赫茲波參量振蕩器，是基于晶體Ai對(duì)稱性晶格振 動(dòng)模(A?！?50cm'1)受激電磁耦子散射過程，在Y軸方向具有一定的空間角度色散特 性，并滿足三波非共線相位匹配條件。因此，當(dāng)多半圓形輸出鏡9繞Z軸方向在一定小 角度內(nèi)(-±1°)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同波長(zhǎng)的斯托克斯光8將在角錐棱鏡裝置3與輸出鏡9之間 形成穩(wěn)定的參量振蕩。根據(jù)能量守恒條件和動(dòng)量守恒條件，這時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)l-3THz的 太赫茲波連續(xù)調(diào)諧輸出。
本發(fā)明所提出的基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，不僅可使其在"干擾" 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作運(yùn)轉(zhuǎn)，而且提供了一種更為簡(jiǎn)潔、便利的太赫茲波頻率調(diào)諧輸出方 法。本發(fā)明所涉及的這種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)可調(diào)諧的全固態(tài)太赫茲波相干輻射源， 可廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷、精細(xì)光譜分析、生物醫(yī)學(xué)成像、太赫茲通訊等太赫茲光電技術(shù)領(lǐng) 域。
需要說明的是，這里以本發(fā)明的實(shí)施例為中心展開了詳細(xì)的說明，所描述的優(yōu)選方 式或某些特性的具體體現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)理解為本說明書僅僅是通過給出實(shí)例的方式來描述發(fā) 明。實(shí)際上在組成、構(gòu)造和使用的某些細(xì)節(jié)上會(huì)有所變化，包括部件的組合和組配，這 些變形和應(yīng)用都應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其諧振腔由直角三面體角錐棱鏡(3-1)和輸出鏡(9)構(gòu)成，直角三面體角錐棱鏡(3-1)能繞諧振腔的光軸旋轉(zhuǎn)；諧振腔內(nèi)設(shè)有MgO:LiNbO3晶體(6)，MgO:LiNbO3晶體(6)表面安放有硅棱鏡陣列，在直角三面體角錐棱鏡(3-1)與MgO:LiNbO3晶體(6)間按布儒斯特角放有偏振鏡(4)；泵浦光入射諧振腔，激勵(lì)MgO:LiNbO3晶體(6)產(chǎn)生太赫茲波(7)和振蕩的斯托克斯光(8)，太赫茲波(7)通過硅棱鏡陣列出射，偏振鏡(4)保證振蕩的斯托克斯光(8)的線偏振方向。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其特征在 于，通過繞MgO:LiNb03晶體(6)的Z軸方向旋轉(zhuǎn)輸出鏡(9)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率調(diào) 諧。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其特征在 于，所述旋轉(zhuǎn)輸出鏡(9)的旋轉(zhuǎn)角度為±1°。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其特 征在于，所述輸出鏡(9)為多半圓形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其特 征在于，所述直角三面體角錐棱鏡(3-1)固定于半圓形卡具(3-2)上，兩者的圓心重 合，半圓形卡具(3-2)固定于可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)鏡架上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于角錐棱鏡諧振腔的太赫茲波參量振蕩器，其諧振腔由直角三面體角錐棱鏡和輸出鏡構(gòu)成，直角三面體角錐棱鏡能繞諧振腔的腔軸旋轉(zhuǎn)；諧振腔內(nèi)設(shè)有MgO:LiNbO₃晶體，MgO:LiNbO₃晶體表面安放有硅棱鏡陣列，在直角三面體角錐棱鏡與MgO:LiNbO₃晶體之間按布儒斯特角放置偏振鏡；泵浦光入射諧振腔，激勵(lì)MgO:LiNbO₃晶體產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波通過硅棱鏡陣列出射。本發(fā)明無(wú)需整體旋轉(zhuǎn)諧振腔，只需旋轉(zhuǎn)輸出鏡就可實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻率調(diào)諧輸出。本發(fā)明是一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定性高、連續(xù)可調(diào)諧的全固態(tài)太赫茲波相干輻射源，可廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷、精細(xì)光譜分析、生物醫(yī)學(xué)成像、太赫茲通訊等太赫茲光電子技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101609243SQ20091006326
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者劉勁松, 姚建銓, 博 孫 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)