一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太赫兹辐射源研究技术领域，尤其是一种阶梯形结构的强太赫兹脉冲 发射源及设计方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹光谱技术以其独特的光谱特性和穿透性，在物理、化学、生物医学、安检等 领域都具有广泛的应用，而强脉冲太赫兹源的发展对太赫兹瞬态探测技术研究、极端条件 下材料的性质改变研究、太赫兹生物非热效应研究等都具有重要意义。但是目前，无论是光 子学方法还是电子学方法，都难于获得足够强的脉冲太赫兹辐射光源。采用高能量飞秒激 光栗浦具有高非线性系数的铌酸锂晶体是产生强脉冲太赫兹辐射的一种有效途径，然而由 于受到晶体吸收和色散的影响，太赫兹脉冲强度的进一步提高受到了极大的限制。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题，提供一种阶梯形结构 的强太赫兹脉冲发射源及设计方法。利用高能量飞秒激光栗浦阶梯形结构铌酸晶体产生强 太赫兹脉冲输射的太赫兹光源，并给出了利用相位匹配材料实现高强度的单个太赫兹脉冲 辐射输出的方法。利用具有高损伤阈值的反射光栅对栗浦飞秒激光波束前沿进行整形、采 用阶梯形铌酸锂晶体作为工作介质并利用聚四氟乙烯等材料作为相位匹配材料，产生高强 度太赫兹脉冲(简称强太赫兹脉冲）。本发明适用于利用飞秒激光栗浦铌酸锂晶体产生强太 赫兹脉冲辐射的光学太赫兹源，以及采用该太赫兹源作为系统光源的太赫兹光谱成像系 统。
[0004] 本发明采用的技术方案如下：
[0005] -种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源包括：
[0006] 飞秒激光波前整形模块，用于对栗浦飞秒激光进行整形，使栗浦飞秒激光的波前 在阶梯形铌酸锂晶体倾斜角度为α，使得栗浦飞秒激光与阶梯形铌酸锂晶体产生的强太赫 兹波实现非共线相位匹配；
[0007] 阶梯形铌酸锂晶体，用于将栗浦飞秒激光转换为i个太赫兹脉冲;将楔形铌酸锂晶 体沿底面裁剪成阶梯形结构的铌酸锂晶体，即为阶梯形铌酸锂晶体;其中楔形铌酸锂晶体 的侧面作为阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体底面与相位匹配结构底面重合;阶 梯形铌酸锂晶体中挖空部分远离阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形机构 的台阶面与楔形铌酸锂晶体底面平行;阶梯形铌酸锂晶体有i个台阶；
[0008] 相位匹配结构，用于消除阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲的相对时间延 迟，将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲；相位匹配结构 是阶梯结构，所述阶梯结构底面作为相位匹配结构底面;相位匹配结构有i_l个台阶;相位 匹配结构第1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第2个阶梯台阶底面重合，直到相位匹配结构第i-1 台阶与阶梯形铌酸锂晶体第i个阶梯台阶底面重合；
[0009]当经过飞秒激光波前整形模块的栗浦飞秒激光，垂直入射于阶梯形铌酸锂晶体端 面时，栗浦飞秒激光覆盖整个阶梯形铌酸锂晶体端面，在阶梯形铌酸锂晶体底面等间距形 成i个太赫兹脉冲;然后所述i个太赫兹脉冲中从第2个太赫兹脉冲到第i个太赫兹脉冲经过 相位匹配结构中i-Ι个台阶耦合成一个强太赫兹脉冲;所述阶梯形铌酸锂晶体端面指的是 垂直于阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形结构台阶面的端面;太赫兹脉冲出射方向与相位匹配结 构的底面垂直。
[00?0] 进一步的，所述相位匹配结构中每个阶梯结构的台阶高度dP = tan( γ )*(ηι_1)* cU/(nP-l);其中γ =α，γ为阶梯形铌酸锂晶体底面与阶梯形铌酸锂晶体端面夹角；相位匹 配结构中第1个到第i-Ι个阶梯结构的台阶长度对应等于阶梯形铌酸锂晶体第2个到第i个 楔形侧面长度;m指的是铌酸锂晶体在栗浦飞秒激光波段的折射率。办指的是相位匹配材料 在太赫兹波段的折射率。
[00?1 ]进一步的，所述阶梯形银酸锂晶体阶梯高度分别为di，d2、d3......di，其中i> = 2; 其中 d2 = d3 =......=di = di_0 · 5~1 · 5mm;di 范围 2 ~5mm。
[0012] 进一步的，所述飞秒激光波前整形模块包括反射光栅、两个透镜;栗浦飞秒激光通 过光栅后，依次通过两个成像透镜后入射至整个阶梯形铌酸锂晶体端面;两个成像透镜组 成望远镜系统;其中栗浦飞秒激光的光栅入射角在光栅的闪耀角Θ附近，光栅入射角范围为
Γ其中，S为光栅入射角，β为光栅出射角，λ为栗 浦飞秒激光入射光波长，fi、f2分别两个透镜的焦距，m为铌酸锂晶体在入射光波段的折射 率;N是光栅刻线密度。相位匹配结构材质为聚四氟乙烯或聚乙烯。
[0013] 进一步的，所述γ的范围是63° ±1°。
[0014] -种阶梯形结构的强太赫兹脉冲发射源设计方法包括：
[0015] 步骤1:通过飞秒激光波前整形模块对栗浦飞秒激光进行整形，使栗浦飞秒激光的 波前在阶梯形铌酸锂晶体倾斜角度α，使得栗浦飞秒激光与阶梯形铌酸锂晶体产生的强太 赫兹波实现非共线相位匹配；
[0016] 步骤2:通过阶梯形铌酸锂晶体将栗浦飞秒激光转换为i个太赫兹波;将楔形铌酸 锂晶体沿底面裁剪成阶梯形结构的铌酸锂晶体，即为阶梯形铌酸锂晶体;其中楔形铌酸锂 晶体的侧面作为阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体底面与相位匹配结构底面重 合;阶梯形铌酸锂晶体中挖空部分远离阶梯形铌酸锂晶体底面，阶梯形铌酸锂晶体中阶梯 形结构的台阶面与楔形铌酸锂晶体底面平行;阶梯形铌酸锂晶体有i个台阶；
[0017] 步骤3:通过相位匹配结构消除阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲的相对 时间延迟，将阶梯形铌酸锂晶体产生的多个太赫兹脉冲耦合为一个强太赫兹脉冲；相位匹 配结构是阶梯结构，所述阶梯结构底面作为相位匹配结构底面;相位匹配结构有i-Ι个台 阶;相位匹配结构第1台阶与阶梯形铌酸锂晶体第2个阶梯台阶底面重合，直到相位匹配结 构第i-Ι台阶与阶梯形铌酸锂晶体第i个阶梯台阶底面重合；
[0018] 步骤4:当经过飞秒激光波前整形模块的栗浦飞秒激光，垂直入射于阶梯形铌酸锂 晶体端面时，栗浦飞秒激光覆盖整个阶梯形铌酸锂晶体端面，在阶梯形铌酸锂晶体底面等 间距形成i个太赫兹脉冲;然后所述i个太赫兹脉冲中从第2个太赫兹脉冲到第i个太赫兹脉 冲经过相位匹配结构中i-Ι个台阶耦合成一个强太赫兹脉冲;所述阶梯形铌酸锂晶体端面 指的是垂直于阶梯形铌酸锂晶体中阶梯形结构台阶面的端面;太赫兹脉冲出射方向与相位 匹配结构的底面垂直。
[0019] 进一步的，所述相位匹配结构中每个阶梯结构的台阶高度dP = tan( γ )*(ηι_1)* cU/(nP-l);其中γ =α，γ为阶梯形铌酸锂晶体底面与阶梯形铌酸锂晶体端面夹角；相位匹 配结构中第1个到第i-Ι个阶梯结构的台阶长度对应等于阶梯形铌酸锂晶体第2个到第i个 楔形侧面长度;m指的是铌酸锂晶体在栗浦飞秒激光波段的折射率。办指的是相位匹配材料 在太赫兹波段的折射率。
[0020]进一步的，所述阶梯形银酸锂晶体阶梯高度分别为di，d2、d3......di，其中i> = 2; 其中 d2 = d3 = =di = di_0 · 5~1 · 5mm;di 范围 2 ~5mm。
[0021 ]进一步的，所述飞秒激光波前整形模块包括反射光栅、两个透镜;栗浦飞秒激光通 过光栅后，依次通过两个成像透镜后入射至整个阶梯形铌酸锂晶体端面;两个成像透镜组 成望远镜系统;其中栗浦飞秒激光的光栅入射角在光栅的闪耀角Θ附近，光栅入射角范围为
;其中，S为光栅入射角，β为光栅出射角，λ为栗 浦飞秒激光入射光波长，fi、f2分别两个透镜的焦距，m为铌酸锂晶体