高功率太赫兹差频谐振辐射源系统的制作方法

1.本发明涉及太赫兹应用技术领域，更具体地说，它涉及高功率太赫兹差频谐振辐射源系统。


背景技术：

2.太赫兹波，作为微波与红外之间的桥梁，由于其独特的光谱特性，受到人们的强烈重视。基于此的太赫兹技术，被誉为“改变未来世界的十大关键技术之一”，在科学研究、民用经济、国土安全等领域发挥着独特且关键的作用。
3.太赫兹科学及技术研究，经过数十年，尤其近二十年的快速发展，已经逐渐形成了其独特的太赫兹生态圈，研究领域涉及太赫兹辐射源、新型高灵敏太赫兹探测器件、太赫兹波传输功能元器件等，将在未来以光谱分析、成像应用、高清通讯等领域为核心的多应用领域大放光彩。
4.高功率的太赫兹辐射源研究，一直是太赫兹应用技术领域的核心与根本，它和高灵敏的太赫兹探测器一起制约着太赫兹应用技术体系的功效范畴与应用极限。然而，基于由微波电子学倍频链技术衍生发展拓展的太赫兹辐射源，在高太赫兹频段辐射功率依然薄弱，无法满足实际应用体系的需求条件。另一方面，由非线性光学频率下转化产生的太赫兹辐射源途径，一般具有宽波段辐射特性，且在高太赫兹频段具有较高的功率水平，将具有满足实际应用需求的潜在能力，其典型成功代表为满足光谱应用分析需求的太赫兹时域光谱仪系统。
5.然而，由于飞秒超短脉冲激发实现的太赫兹辐射源为宽波段太赫兹辐射，在根本上难以克服自由空间中水汽对太赫兹的强吸收这一难题，因而无法实现自由空间中太赫兹波的远距离传输及应用。面向这一特殊应用需求，尤其是针对太赫兹遥感、太赫兹雷达以及太赫兹通讯等应用，亟须发展新型高峰值功率、高频、窄线宽的太赫兹辐射源技术。
6.基于纳秒窄线宽脉冲特性的近红外差频技术，将为上述太赫兹远距离应用提供潜在途径。但是目前主要的太赫兹差频辐射源，其非线性晶体还是主要以硒化镓、铌酸锂、磷化镓、砷化镓、磷锗锌以及有机晶体dast、oh1等材料为核心，基本属于近红外泵浦光束“单次辐射”太赫兹光波，还停留在太赫兹“行波产生”阶段，尚未进入太赫兹“多次回波辐射”谐振放大阶段，因而尚无法实现高转化效率、更高功率的太赫兹波辐射。这一问题的根源在于，目前对于太赫兹波段材料光电性质的认识还不够深入，尚未建立满足太赫兹波段薄膜功能材料体系的关键光电属性参数数据库、理论框架以及工艺条件等认知体系，实现满足太赫兹波段高反、近红外波段高透的介质功能结构膜系困难巨大。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供高功率太赫兹差频谐振辐射源系统，利用近红外和太赫兹光束的波长显著差异，通过在非线性晶体外部构建一对衍射光学元件，对腔内太赫兹衍射光束传输行为特征进行调控，最终实现太赫兹回波谐振放大。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：高功率太赫兹差频谐振辐射源系统，包括1064nm纳秒激光器、第一近红外光束延迟线模块、近红外光学参量振荡器、第二近红外光束延迟线模块、近红外偏振耦合棱镜、太赫兹衍射谐振腔模块、太赫兹聚焦镜、太赫兹探测器、示波器、精密电机控制系统和计算机；所述第一近红外光束延迟线模块靠近1064nm纳秒激光器的发射端，所述第二近红外光束延迟线模块靠近近红外光学参量振荡器的发射端，所述第一近红外光束延迟线模块和第二近红外光束延迟线模块分别靠近近红外偏振耦合棱镜的两相邻侧；所述太赫兹衍射谐振腔模块靠近近红外偏振耦合棱镜远离第一近红外光束延迟线模块的侧面，所述太赫兹聚焦镜靠近太赫兹衍射谐振腔模块的发射端；所述太赫兹探测器靠近太赫兹聚焦镜的发射端，所述太赫兹探测器和计算机均与示波器电性连接，所述计算机和太赫兹衍射谐振腔模块均与精密电机控制系统电性连接。
9.通过采用上述技术方案，采用1064nm纳秒激光器，可以提供太赫兹差频源所需要的高功率近红外泵浦源；设置第一近红外光束延迟线模块，可以为1064nm纳秒脉冲激光提供合适的脉冲延迟；设置近红外光学参量振荡器，可以提供太赫兹差频源所需要的另一波长泵浦光束；设置第二近红外光束延迟线模块，可以对近红外光学参量振荡器发射的提供合适的脉冲延迟；设置近红外偏振耦合棱镜，用于将1064nm纳秒激光器和近红外光学参量振荡器输出的光束耦合成一束光；设置太赫兹衍射谐振腔模块，用于对太赫兹光信号放大；通过设置太赫兹聚焦镜，一方面用来阻挡吸收红外泵浦光束，另一方面将太赫兹光聚焦至太赫兹探测器中；设置太赫兹探测器，用于对太赫兹光电转化；设置示波器，用于对太赫兹电学信号的采样显示；设置精密电机控制系统，用于对太赫兹谐振腔长的精细调节；设置计算机，用于对太赫兹辐射源系统的控制软件进行集成。
10.本发明进一步设置为：所述太赫兹衍射谐振腔模块包括第一太赫兹谐振腔镜、非线性太赫兹晶体和第二太赫兹谐振腔镜；所述第一太赫兹谐振腔镜靠近近红外偏振耦合棱镜，所述第二太赫兹谐振腔镜靠近太赫兹聚焦镜，所述非线性太赫兹晶体位于第一太赫兹谐振腔镜和第二太赫兹谐振腔镜之间，所述第二太赫兹谐振腔镜与精密电机控制系统电性连接。
11.通过采用上述技术方案，设置第一太赫兹谐振腔镜和第二太赫兹谐振腔镜均是用于实现对近红外泵浦光束进行透射，同时还能实现对腔内太赫兹光的全部反射；设置非线性太赫兹晶体，用于实现太赫兹差频辐射。
12.本发明进一步设置为：所述第一太赫兹谐振腔镜的中心处为空白区域，所述第一太赫兹谐振腔镜的空白区域外围处为镀金属膜区域。
13.通过采用上述技术方案，将第一太赫兹谐振腔镜的中心处设置为空白区域，用于实现近红外泵浦光束的透射；第一太赫兹谐振腔镜的镀金属膜区域实现对腔内太赫兹光全部反射。
14.本发明进一步设置为：所述第二太赫兹谐振腔镜的中心处为空白区域；所述第二太赫兹谐振腔镜的空白区域外围处为开有多个空白圆环的镀金属膜区域。
15.通过采用上述技术方案，第二太赫兹谐振腔镜的中心处设置为空白区域，用于实现近红外泵浦光束的透射；第二太赫兹谐振腔镜的外围系列金属膜分布区域实现对腔内太赫兹光场的反射进行调节。
16.本发明进一步设置为：所述太赫兹聚焦镜采用高密度聚乙烯材料。
17.通过采用上述技术方案，一方面用来阻挡吸收近红外泵浦光束，另一方面将太赫兹光聚焦至太赫兹探测器中。
18.综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明采用高功率1064nm激光器以及波长可调谐近红外光学参量振荡器作为太赫兹差频泵浦源。这两束近红外泵浦光束经一系列光学元件(反射镜、半波片、偏振片、偏振耦合棱镜)后，在空间和时间上达到完全共线重合，最终入射至太赫兹谐振腔模块中，实现一系列特定波长的太赫兹光增强放大。该太赫兹谐振腔模块，一方面将两束近红外泵浦光束在非线性太赫兹晶体中经差频相互作用实现单程太赫兹光辐射，另一方面将此时产生的单时序太赫兹光信号再次叠加至同一脉冲下一时序的太赫兹光信号中，进一步增强太赫兹差频三波相互作用转化效率，从而实现太赫兹光功率放大。
附图说明
19.图1是本发明实施例中高功率太赫兹差频谐振辐射源系统的产生示意图；
20.图2是本发明实施例中第一太赫兹谐振腔镜的几何结构示意图；
21.图3是本发明实施例中第二太赫兹谐振腔镜的几何结构示意图。
22.图中：1、1064nm纳秒激光器；2、第一近红外光束延迟线模块；3、近红外光学参量振荡器；4、第二近红外光束延迟线模块；5、近红外偏振耦合棱镜；6、第一太赫兹谐振腔镜；7、非线性太赫兹晶体；8、第二太赫兹谐振腔镜；9、太赫兹聚焦镜；10、太赫兹探测器；11、示波器；12、精密电机控制系统；13、计算机。
具体实施方式
23.以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
24.实施例：高功率太赫兹差频谐振辐射源系统，如图1至图3所示，包括1064nm纳秒激光器1、第一近红外光束延迟线模块2、近红外光学参量振荡器3、第二近红外光束延迟线模块4、近红外偏振耦合棱镜5、太赫兹衍射谐振腔模块、太赫兹聚焦镜9、太赫兹探测器10、示波器11、精密电机控制系统12和计算机13；第一近红外光束延迟线模块2靠近1064nm纳秒激光器1的发射端，第二近红外光束延迟线模块4靠近近红外光学参量振荡器3的发射端，第一近红外光束延迟线模块2和第二近红外光束延迟线模块4分别靠近近红外偏振耦合棱镜5的两相邻侧；太赫兹衍射谐振腔模块靠近近红外偏振耦合棱镜5远离第一近红外光束延迟线模块2的侧面，太赫兹聚焦镜9靠近太赫兹衍射谐振腔模块的发射端；太赫兹探测器10靠近太赫兹聚焦镜9的发射端，太赫兹探测器10和计算机13均与示波器11电性连接，计算机13和太赫兹衍射谐振腔模块均与精密电机控制系统12电性连接。
25.在本实施例中，1064nm纳秒激光器1采用高功率窄线宽1064nm纳秒脉冲调qnd:yag激光器，激光器频率为10hz，脉宽8ns，线宽为0.003cm-1
；另外一束泵浦光束采用由此1064nm光束泵浦的三倍频(355nm)激发产生的窄线宽角度可调谐近红外光学参量振荡器3，该近红外光学参量振荡器3的波长调谐范围为1050-1080nm，具有辐射波长连续可调，频率10hz，脉宽4ns，窄线宽0.075cm-1
，以及高辐射功率(1070nm附近最高可达150mw)等优点；太赫兹聚焦镜9采用黑色高密度聚乙烯材料；1064nm泵浦光束经第一近红外光束延迟线模块2后，水平偏振正入射至近红外偏振耦合棱镜5；近红外光学参量振荡器3输出1064nm附近波段的近红
外光(如1070nm波长)，经第二近红外光束延迟线模块4后垂直入射至近红外偏振耦合棱镜5中；这两束近红外泵浦激光光束(如1064nm激光以及1070nm激光)经近红外偏振耦合棱镜5后，最终在光束传播空间、时间上完全重合；随后这两束泵浦近红外激光垂直入射至太赫兹衍射谐振腔模块后，实现太赫兹光信号放大，随后该太赫兹光信号被太赫兹聚焦镜9汇聚至太赫兹探测器10中，而剩余出射的近红外泵浦光信号则被太赫兹聚焦镜9阻挡吸收；太赫兹光学信号经太赫兹探测器10探测转化为电学脉冲信号，最终被示波器11采集显示；在太赫兹差频谐振过程中，所需要满足太赫兹波在谐振腔中的稳定谐振增强条件，其腔长距离则通过精密步进电机控制系统进行调节，最终通过终端计算机13实现太赫兹差频谐振辐射源的软件系统集成；由于太赫兹光波长与近红外光波长相差2-3个数量级，因此其太赫兹光与近红外光具有显著的衍射特征差异；根据瑞利判据，太赫兹光束发散角为近红外光束发散角的2-3个数量级，远大于近红外光束发射角。
26.太赫兹衍射谐振腔模块包括第一太赫兹谐振腔镜6、非线性太赫兹晶体7和第二太赫兹谐振腔镜8；第一太赫兹谐振腔镜6靠近近红外偏振耦合棱镜5，第二太赫兹谐振腔镜8靠近太赫兹聚焦镜9，非线性太赫兹晶体7位于第一太赫兹谐振腔镜6和第二太赫兹谐振腔镜8之间，第二太赫兹谐振腔镜8与精密电机控制系统12电性连接。
27.在本实施例中，两束泵浦近红外激光经近红外偏振耦合棱镜5后，依次穿过第一太赫兹谐振腔镜6、非线性太赫兹晶体7和第二太赫兹谐振腔镜8，从而实现太赫兹光信号放大；非线性太赫兹晶体7双表面均为高精度抛光，从而实现太赫兹差频辐射。
28.第一太赫兹谐振腔镜6的中心处为空白区域，第一太赫兹谐振腔镜6的空白区域外围处为镀金属膜区域。
29.在本实施例中，如图2所示，该腔镜基于太赫兹透明材料表面镀金属膜而形成，中心空白区域为无任何材料，整体中空，也为近红外泵浦光束光斑的有效泵浦空间区域，而外围的黑色区域为镀金属膜区域，为谐振腔回波太赫兹的有效反射区域，该第一太赫兹谐振腔镜6将太赫兹光束全部反射至腔内空间。
30.第二太赫兹谐振腔镜8的中心处为空白区域；第二太赫兹谐振腔镜8的空白区域外围处为开有多个空白圆环的镀金属膜区域。
31.在本实施例中，如图3所示，该第二太赫兹谐振腔镜8比第一太赫兹谐振腔镜6在几何结构上稍显复杂，它也是基于太赫兹透明材料表面镀金属膜而成，中心空白区域与第一太赫兹谐振腔镜6一致，也是整体中空，为近红外泵浦光束光斑的有效泵浦空间区域；外围的黑色区域为镀金属膜区域，空白区域为未镀膜区域，底部由太赫兹透明基底进行支撑；这一系列外围空白圆环区域，将调制该太赫兹谐振腔镜透射率，从而实现腔内太赫兹谐振增强光场能量的外部有效输出的目的。
32.太赫兹聚焦镜9采用黑色高密度聚乙烯材料。
33.在本实施例中，太赫兹聚焦镜9采用黑色高密度聚乙烯材料，一方面用来阻挡吸收近红外泵浦光束，另一方面将太赫兹光聚焦至太赫兹探测器10中。
34.工作原理：本发明采用高功率1064nm激光器以及波长可调谐近红外光学参量振荡器作为太赫兹差频泵浦源。这两束近红外泵浦光束经一系列光学元件(反射镜、半波片、偏振片、偏振耦合棱镜)后，在空间和时间上达到完全共线重合，最终入射至太赫兹谐振腔模块中，实现一系列特定波长的太赫兹光增强放大。该太赫兹谐振腔模块，一方面将两束近红
外泵浦光束在非线性太赫兹晶体7中经差频相互作用实现单程太赫兹光辐射，另一方面将此时产生的单时序太赫兹光信号再次叠加至同一脉冲下一时序的太赫兹光信号中，进一步增强太赫兹差频三波相互作用转化效率，从而实现太赫兹光功率放大。
35.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。