泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源

摘要

本发明公开了一种泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源。该泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源包括：光子晶体光纤飞秒激光放大器、光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器、复用腔腔长匹配控制系统、泵浦光复用腔、复用腔腔长调节器和太赫兹辐射脉冲发射器。本发明的优点在于：采用子晶体光纤飞秒激光放大器为泵浦光源，利用多通式腔结构和光栅对色散补偿、光束脉冲波面倾斜方法提高了泵浦光利用率，克服了由泵浦光向THz辐射转换效率极低的理论极限，实现了高功率运转，而且整体结构简单，稳定性好，运行费用低。

权利要求

1.一种泵浦光复用产生太赫兹辐射脉冲源，该太赫兹辐射脉冲源包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大器(1)和复用腔腔长匹配控制系统(5)，所述复用腔腔长匹配控制系统包括快速光电二极管、频谱分析仪和计算机；所述光子晶体光纤飞秒激光放大器输出的大量光功率注入泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器(2)，所述光子晶体光纤飞秒激光放大器1％的输出光注入所述快速光电二极管，泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器(2)输出的泵浦光注入泵浦光复用腔(3)，泵浦光复用腔(3)通过复用腔腔长调节器(4)调节其长度，复用腔腔长调节器(4)的指令信息来自复用腔腔长匹配控制系统(5)，太赫兹辐射脉冲发射器(6)置于泵浦光复用腔，所述的光子晶体光纤飞秒激光放大器(1)的工作波长1.04μm，脉冲重复率大于50MHz，输出平均功率大于10W，其特征在于：

1)上述泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器(2)采用600～1200线/m的反射式光栅，两光栅平行放置，两光栅之间间距2～4cm；

2)上述复用腔腔长调节器由压电陶瓷驱动的微位移平台和背向反射镜组组成；

3)上述泵浦光复用腔内设置四棱柱sLN非线性晶体太赫兹辐射脉冲发射器，太赫兹辐射脉冲发射器相邻两侧各设置一个二分之一波片(P1、P2)，每个二分之一波片的外侧设置一个伽利略望远镜(3-1-2、3-1-3)，两个伽利略望远镜的目镜相对，泵浦光复用腔内还设置太赫兹辐射脉冲发射器所引入的正色散的色散补偿器(3-2)，该色散补偿器由两对棱镜对构成，两个伽利略望远镜的注入和输出泵浦光路与色散补偿器光路之间光路上还设置折转反射镜和背向反射镜组。

2.按权利要求1所述的泵浦光复用产生太赫兹辐射脉冲源，其特征在于：注入泵浦光的伽利略望远镜的反射物镜的曲率半径为1200mm，口径为30～50mm，目镜的焦距取7～10mm；输出泵浦光的伽利略望远镜的反射物镜的曲率半径为1000mm，口径为30～50mm，目镜焦距为5～7mm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源，属于太赫兹(THz)辐射技术。

背景技术

太赫兹波(又称THz波)是指频谱范围为0.1-10THz(1THz＝1012Hz)的电磁波。早在上世纪20年代，科学家就提请人们关注THz波。历史上，人们只是在天文学领域(用于探测宇宙大爆炸的辐射背景)和激光等离子体诊断中了解THz波。1981年，飞秒激光的诞生，为THz辐射脉冲的产生提供了理想的泵浦光源；接着又发明了基于飞秒激光的THz时域频谱技术(THz-TDS)。该技术能同时探测电磁波的相位和振幅信息。THz辐射脉冲的问世，将THz波的绚丽前景展现于人类面前。国际上极具影响力的网络刊物“The VirtualJournal of Terahertz Science and Technology”，自2001年1月至2008年4月收录了包括Nature在内的国际重要刊物上发表的关于THz科学技术的学术论文1000余篇，其中50％的论文涉及THz辐射脉冲及THz-TDS，THz辐射脉冲及THz-TDS已成为人类在物理、化学等基础学科研究领域，以及材料科学、生物医学、通讯技术等广阔应用科学领域重要技术手段。光子学手段产生THz波，由于光频为1015，而THz波为1012，所以其理论极限的量子效率也不过为1/10000。因此，现行的THz辐射脉冲系统的THz辐射平均功率极低(一般在纳瓦，10-9W，级)。THz辐射脉冲系统的极低的辐射功率极大制约了当前THz波科学技术发展。提高超快THz辐射源的脉冲能量是克服瓶颈效应，促进发展的关键。
目前，提高THz辐射脉冲能量有几种途径：(1)采用自由电子激光器；(2)利用高功率飞秒激光激发大口径光电导开关：(3)采用高功率飞秒激光激发大面积非线性晶体产生THz辐射脉冲。虽然自由电子激光可产生10-100μJ的超快THz辐射脉冲，但其体积庞大，使其普及应用受到极大限制；采用高功率飞秒激光激发大口径光电导开关，其辐射的中心频率仅在0.5THz处；采用钛宝石飞秒激光放大器为激发光源，可产生nJ级的THz脉冲，但泵浦源体积庞大且十分昂贵；采用高平均功率光纤飞秒激光为激发源，能产生pJ超快THz辐射脉冲，但系统的总体效率仍然很低。
对于光泵浦的THz辐射脉冲源，设法提高其总体辐射效率是提高系统的辐射脉冲能量的关键。

发明内容

本发明旨在提出一种泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源。该太赫兹辐射脉冲源结构简单，产生的太赫兹辐射脉高效高功率。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种泵浦光复用高效产生高功率太赫兹辐射脉冲源，该太赫兹辐射脉冲源包括：高功率光子晶体光纤飞秒激光放大器1，它输出的大量光功率注入泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器2，极少的光注入复用腔腔长匹配控制系统5，泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器2输出的泵浦光注入泵浦光复用腔3，泵浦光复用腔3通过复用腔腔长调节器4调节其长度，泵浦光复用腔腔长调节器4的指令信息来自泵浦光复用腔腔长匹配控制系统5，太赫兹辐射脉冲发射器6置于泵浦光复用腔，所述的光子晶体光纤飞秒激光放大器1的工作波长1.04μm，脉冲重复率大于50MH，输出平均功率大于10W，其特征在于：
上述泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器2采用600～1200线/mm的反射式光栅，两光栅平行放置，两光栅之间间距2～4cm。
上述泵浦光复用腔腔长匹配控制系统包括快速光电二极管、频谱分析仪和计算机构成。
上述泵浦光复用腔腔长调节器为压电陶瓷驱动的微位移平台和背向反射镜组组成。
上述泵浦光复用腔内设置四棱柱sLN非线性晶体太赫兹辐射脉冲发射器，太赫兹辐射脉冲发射器相邻两侧设置二分之一波片P1、P2，每个二分之一波片的外侧设置伽利略望远镜3-1-2、3-1-3，两个伽利略望远镜的目镜相对，泵浦光复用腔内还设置太赫兹辐射脉冲发射器所引入的正色散的色散补偿器3-2，该色散补偿器由两对棱镜对构成，两个伽利略望远镜的注入和输出泵浦光路与色散补偿器光路之间光路上还设置折转反射镜和背向反射镜组。
上述注入泵浦光伽利略望远镜的反射物镜的曲率半径为1200mm，口径为30～50mm。目镜的焦距取7～10mm；输出泵浦光的伽利略望远镜的反射物镜的曲率半径为1000mm，口径为30～50mm，目镜焦距为5～7mm。
上述的四棱柱sLN非线性晶体太赫兹辐射脉冲发射器的晶体切割取Z轴垂直纸面。
本发明的优点在于：(1)采用光子晶体光纤飞秒激光放大器为泵浦光源，这不仅使本发明可以实现THz辐射脉冲的高功率运转，而且使整体结构简单，稳定性好，运行费用低；(2)本发明与光子晶体光纤放大器合用一对光栅实现色散补偿和光束脉冲波面倾斜，实际已提高了50％的泵浦光利用率；(3)本发明提出多通式腔结构(如图3)，充分利用泵浦光能量，克服由泵浦光向THz辐射转换效率极低的理论极限，提高总体转换效率的同时，实现高功率运转。

附图说明

图1为本发明的结构框图。
图中：1高功率光子晶体光纤飞秒激光放大器；2泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器；3泵浦光复用腔；4复用腔腔长调节器，其中4-1为背向反射镜组，4-2为压电陶瓷驱动的微位移平台；5复用腔腔长匹配控制系统；6太赫兹辐射脉冲发射器。
图2为泵浦光束脉冲波面倾斜器兼用色散补偿器光路图。
图3为泵浦光复用腔结构示意图。
图中：3-1-1为耦合反射镜；3-1-2为注入伽利略望远镜，其中3-1-2-1为注入伽利略望远镜的凹面反射镜，3-1-2-2为注入伽利略望远镜的目镜；3-1-3为输出伽利略望远镜，其中3-1-3-1为输出伽利略望远镜的凹面反射镜，3-1-3-2为输出伽利略望远镜的目镜；3-2-1、3-2-2为色散补偿器第一对棱镜对，3-2-3、3-2-4为色散补偿器第二对棱镜对；3-1-6、3-1-7为折转反射镜；3-1-8为背向反射镜组；P1为输入出二分之一波片、P2为输出二分之一波片。
图4为图1中6太赫兹辐射脉冲发射器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细说明。
光子晶体光纤飞秒激光放大器，如图1部件1所示，工作波长1.04μm，脉冲重复率大于50MH，输出平均功率大于10W，脉冲宽度100fs。将原来光子晶体光纤飞秒激光放大器用于色散补偿光栅对的往复两次通过的方式，改造成一次通过的方式，采用600～1200线/mm的光栅，两光栅之间间距2～4cm。适当调整光栅对的间距，使来自光子晶体光纤飞秒激光放大器没有被色散补偿的光束一次通过该光栅对后，除补偿所携带的放大器的色散外，同时实现扩展光束并倾斜脉冲波面，以便满足THz辐射脉冲发射器(见图3中的部件6)相位匹配的要求。
由光栅对出射的泵浦光束经过耦合反射镜3-1-1，平行于注入泵浦光伽利略望远镜的光轴入射在望远镜的反射物镜3-1-2-1上，3-1-2-1对于泵浦光全反射，其曲率半径为1200mm，口径30～50mm。由目镜3-1-2-2(焦距7～10mm)出射的泵浦光束被压缩且仍保持平行于望远镜光轴。由目镜3-1-2-2出射的光束经二分之一波片P1，使泵浦光的偏振方向平行于THz辐射脉冲发射器的Z轴。透过P1的泵浦光束垂直入射于THz辐射脉冲发射器6。根据切伦科夫(Cherenkov)辐射理论选取θ角，确保被倾斜的泵浦光束的脉冲波面在THz辐射脉冲发射器中传播时，始终与所产生的THz辐射波前平行且同步传播。由THz辐射脉冲发射器出射的剩余泵浦光束平行于原入射光束，但有一微小平移。该出射光束透过二分之一波片P2从出射伽利略望远镜的目镜3-1-3-2(焦距为5～7mm)入射，再由出射伽利略望远镜的物镜3-1-3-1(曲率半径1000mm)出射，路经复用腔腔长控制系统4，并经过棱镜对色散补偿器3-2，抵消路经THz辐射脉冲发射器所引入的正色散，与伽利略望远镜的光轴平行，再次入射到注入泵浦光伽利略望远镜。如此泵浦光束按上述过程在复用腔内往复多次，实现泵浦光束复用激发产生THz辐射脉冲。适当选取两个伽利略望远镜的物镜参数，使入射到THz辐射脉冲发射器中的复用泵浦光束之间互相平行且保持一定间隔，该间隔的大小足以使所激发产生的THz辐射脉冲之间能通过交叉相位调制实现相干合成叠加，实现高效产生高功率太赫兹辐射脉冲。
这里要特别强调的是，为使泵浦光复用所激发产生的THz波能相干叠加，必需严格控制复用腔的腔长与泵浦光脉冲重复频率相匹配。这个任务由复用腔腔长匹配控制系统5来完成。取光子晶体光纤飞秒激光放大器1％的输出光入射到快速光电二极管，以便获取该激光束的脉冲重复序列电脉冲信号作为复用腔腔长控制系统的参考信号，快速光电二极管所探测到的泵浦光在复用腔内往返一次的脉冲信号与参考信号一起输入频谱分析仪，获取复用腔失谐的比较信号，再由计算机输出对复用腔的校准信号，将校准信号输入复用腔腔长控制系统4，控制压电晶体驱动的微位移平台4-2，移动背向反射镜组4-1，调整复用腔腔长，使其处于严格匹配运转状态。
为消除泵浦光在THz辐射脉冲发射器上的菲涅耳反射损耗，THz辐射脉冲发射器的泵浦光入射、出射端面镀有泵浦光的增透膜。
THz辐射脉冲发射器采用掺氧化鎂的化学剂量比的铌酸锂(sLN)，这种晶体非线性系数大。为多次复用泵浦光束，sLN采用Z轴垂直于纸面切割成菱形棱柱(如图4所示)。θ角根据泵浦光波长并依据切伦科夫辐射理论确定。对于1.04μm的泵浦光，θ角取640。本发明也适合选用其它满足切伦科夫辐射理论的非线性晶体。