CO₂激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法

专利名称：CO₂激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹波差频和中红外激光领域，具体涉及一种在扇形周期性结构晶体中利用双波长输出可调谐(X)2激光差频产生可调谐太赫兹波的方法。
背景技术：
太赫兹波(Terahertz-wave，THz波)是指频率在0. I-IOTHz范围内的电磁波 (ITHz = IO12THz),相应的波长为3mm到30μπι，其波段位于电磁波谱中微波和红外波之间。 该波段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。物质在THz波段的频率响应包含有丰富的物理、化学和生物信息，如凝聚态物质中载流子的灵敏响应，小分子的转动频率，蛋白质等生物大分子依赖于整体结构并和其生理状态有关的合作振动等都在THz波段。并且太赫兹波辐射具有低能性、高穿透性等特性，因此太赫兹波在物理、化学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及宽带通信、医学成像、环境监测、药物检测和安全检查等应用研究领域均有巨大的研究价值和广阔的应用前景。但由于长波段微波方向主要依靠电子学技术，短波段的红外波方向主要依靠光学技术，使得在两波之间的THz波源的问题一直未得到很好的解决，这就成为限制现代THz波技术发展的最主要因素之一。 因此，研制出性能优良的THz波辐射源，已经成为科研工作者的努力方向和迫切需要解决的实际问题。如何有效的产生高能量、高效率且能在室温下稳定运转、可调谐的THz波辐射源， 已经成为THz技术与应用领域研究及发展的关键。THz波辐射产生的方法主要有电子学方法和光子学方法。目前，电子学方法的转换效率都很低，而且体积庞大，造价和运行成本都很高，对运行的环境要求高。利用非线性光学差频产生THz波方法凭借其能产生宽范围连续可调谐、相干窄带的THz波等优点，逐渐为科研工作者所青睐。目前，利用非线性光学差频产生THz波方法通常采用相位匹配和角度调谐来实现 THz波的频率调谐，即通过转动晶体或改变入射光的方向来实现THz波的频率调谐输出，这种方法有直观的优点，但也具有明显的缺点，如不能够有效利用晶体的通光范围，为了获得高频THz波而增大相位匹配角时，三波有效相互作用长度将变小，还有在一些晶体双折射相位匹配中不能够利用最大非线性系数等因素导致转换效率降低。准相位匹配能够克服相位匹配的各种问题，准相位匹配是指利用晶体的非线性极化率的周期性调制来补偿三波相位失配，使整个反转周期长度内实现非线性光学转换效率持续增加，这样能够利用晶体的最大非线性系数和最大晶体长度，提高了转换效率。准相位匹配时非线性晶体制作成周期性反转结构。另外目前大量文献中差频产生THz波用到的激光器大都是用固体激光器，波长较短，根据Manley-Rowe关系，波长越长转换效率越高，如果利用中红外(X)2激光差频，转换效率将提高，并且(X)2激光有很大的调谐范围。

发明内容
本发明为克服背景技术中存在的问题，而提供了一种(X)2激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法，该方法克服了角度调谐中的缺点。本发明提供的一种(X)2激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步、利用一台可调谐双波长输出的CO2激光器，产生两束可调谐的中红外激光；第2步、使两束中红外激光传播方向共线；第3步、将非线性晶体放置在激光束的光路上，该非线性晶体为周期性反转的扇形结构，晶体的反转周期长度是连续变化的，非线性晶体反转周期的长度满足准相位匹配条件；第4步、改变(X)2激光器所输出的中红外激光束的波长，连续平移扇形结构非线性晶体，以改变晶体的周期，实现THz波的可调谐输出。上述技术方案可以采用下述方式中的一种或多种进行改进，第1步中所述两束中红外激光波长范围在9 μ m到11 μ m ；上述非线性晶体包括GaAS、GaP、Gak和SiGeP2晶体。本发明方法是利用一台双波长输出可调谐CO2激光在扇形结构非线性晶体中差频，通过平移改变扇形结构非线性晶体的周期长度，实现太赫兹波可调谐输出。具体而言， 本发明具有以下优点(1)仅利用一台可调谐CO2激光器可实现可调谐THz输出；(2)通过简单的平移周期性结构晶体改变周期的长度来实现宽范围THz波的频率调谐。


图1是本发明实施例的扇形周期性结构晶体示意图；图2是本发明实施例的实现装置示意图；图3是本发明基于泵浦波长固定，THz波在100-1000 μ m(0. 3-3THz)范围内THz波波长与扇形周期性结构晶体周期长度关系的示意图。
具体实施例方式下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。本发明是基于两束不同波长的光通过周期性结构的非线性晶体(如周期反转的 GaAs晶体)二阶非线性效应来实现可调谐THz波的。在此过程中，两束波长接近的泵浦光 THz波同时满足能量守恒条件和准相位匹配条件。在准相位匹配中扇形周期性反转晶体的结构如图1所示。本实施例采用一阶准相位匹配，周期性反转的晶体为GaAs晶体(适用于其它非线性晶体GaP、GMe* SiGeP2)。晶体的周期根据能量守恒定律如公式(1)和准相位匹配条件如公式O)
其中λρ，入3和λ τ分别为两束泵浦光和差频光THz波的波长，Λ是倒格矢为极化反转周期，np、ns和ητ分别为两束泵浦光和差频光的折射率。在共线准相位匹配时，利用上面公式联立可以计算所需要的周期性反转GaAs晶体的周期长度。可调谐THz输出通过调节CO2激光波长，但波长变化后，由式(2)可知反转周期发生了变化，即扇形周期性结构晶体的周期是连续变化的。因此，利用CO2激光输出的两束不同波长Xs的光共线入射到周期性反转晶体上，就可以产生可调谐THz波。实施例扇形周期性结构晶体的差频产生可调谐太赫兹波装置的泵浦源利用可调谐(X)2激光器。如图2所示，利用一台可调谐CO2激光器产生两束泵浦光输出，可调谐(X)2激光器腔外光栅1，2是产生两束可调谐波长范围在9 μ m到11 μ m的中红外激光的装置，通过改变光栅的角度可以改变波长。3是可调谐(X)2激光器放电腔，使两束(X)2激光的能量达到100mJ。 全反射镜4和布儒斯特窗5是使两束光共线，全反射镜是使(X)2激光发生全反射，布儒斯特窗是使一束泵浦光透射，透射率大于90%，使另一束泵浦光反射，反射率大于90%。工作物质6固定于可控平移平台7上，工作物质是周期经过计算的扇形周期性结构非线性晶体，如周期性反转GaAs晶体(适用于其它非线性晶体GaP、GMe* SiGeP2)通过可控平移平台的移动，在非线性晶体中入射的共线光在扇形非线性晶体中作用的周期可以连续改变，两束共线光通过扇形非线性晶体中作用后产生THz波。8为太赫兹窗口，可以滤过(X)2激光而透射太赫兹。通过在平台上连续平移扇形结构非线性晶体而改变晶体的周期满足准相位匹配条件来实现THz波的可调谐输出。该实施例具有结构紧凑，安装调试简单和室温下运转等显著特点。图3为在该实验实施例情况下，泵浦光为9. 552 μ m[9P (20)]，通过改变信号光波长产生THz波的晶体周期长度和THz波的理论调谐曲线图，GaAs晶体周期长度从0. 2mm连续变化至到4mm，从图中可以看出随着非线性晶体向周期增大方向平移调谐，产生的THz波沿波长增大方向调谐。本发明所提出的通过平移改变扇形结构非线性晶体的周期长度在双波长输出可调谐CO2激光中差频产生可调谐太赫兹波方法，在本实施例中不仅可以克服现行技术的主要缺点，还可以产生转换效率更高的THz波。该发明产生的THz波在医学诊断、环境监测、 安全检查、药物检测和太赫兹通讯等领域展示了更为广阔的应用前景。需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明。实际上在组成、 构造和使用细节上的变化都应属于本发明的范围以内。
权利要求
1.一种CO2激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步、利用一台可调谐双波长输出的(X)2激光器，产生两束可调谐的中红外激光；第2步、使两束中红外激光传播方向共线；第3步、将非线性晶体放置在激光束的光路上，该非线性晶体为周期性反转的扇形结构，晶体的反转周期长度是连续变化的，非线性晶体反转周期的长度满足准相位匹配条件；第4步、改变(X)2激光器所输出的中红外激光束的波长，连续平移扇形结构非线性晶体，以改变晶体的周期，实现THz波的可调谐输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第1步中所述两束中红外激光波长范围在 9 μ m 至Ij 11 μ m0
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述非线性晶体包括GaAS、GaP、GaSe 和SiGeP2晶体。
全文摘要
本发明公开了一种CO2激光在扇形周期性晶体中产生可调谐太赫兹波的方法，步骤为①利用一台可调谐双波长输出的CO2激光器，产生两束可调谐的中红外激光；②使两束中红外激光传播方向共线；③将非线性晶体放置在激光束的光路上，该非线性晶体为周期性反转的扇形结构，晶体的反转周期长度是连续变化的，非线性晶体反转周期的长度满足准相位匹配条件；④改变CO2激光器所输出的中红外激光束的波长，连续平移扇形结构非线性晶体，以改变晶体的周期，实现THz波的可调谐输出。本发明调谐范围广，能够利用晶体的最大非线性系数和最大晶体长度，提高了转换效率。基于此调谐技术的太赫兹源，可广泛应用于医学成像、安全检查、环境监测、药物检测和太赫兹通讯等领域。
文档编号H01S1/02GK102412495SQ201110267368
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者卢宏, 王新兵, 程祖海, 饶志明 申请人:华中科技大学