论全固态波参量振动改善描绘.doc

论全固态波参量振动改善描绘早在20世纪60年代,大家就开端重视与电磁耦子关联的光学参量技能发生可调谐相干远红外辐射的研讨.1963年,LoudonR.1经过理论核算证 明,能够运用晶格和分子本身的共振频率完成THz波的参量震动和扩大.20世纪70年代初,斯坦福大学的YarboroughJ.M.2和 JohnsonB.C.3等人运用调Q红宝石激光器作为泵浦源,在室温下激起LiNbO3晶体参加受激电磁耦子散射进程的A1晶格振动模(振动频率 T0=248cm-1),发生的THz波在0?426THz和1?54?5THz规模内调谐,并在泵浦峰值功率为1MW和6MW的情况下,得到 THz波的峰值功率高达3W和5W.1976年,因为亚毫米分子气体激光器的呈现就再也没有关于该研讨方向的报导.直到1996年,日本理化学研讨所 (RIKEN)的ShikataJ.4等人曾经人工作为基础,又将此项技能进一步展开和立异,初次研制成功根据LiNbO3晶体的受激电磁耦子散射特 性、室温工作、宽带可调谐的全固态THz波参量振动器.这些年,运用调QNd:YAG脉冲5和飞秒超短脉冲激光器6作为泵源完成相干THz波辐 射,但较少重视皮秒脉冲激光器作为泵源完成相干THz波辐射.而全固态皮秒激光用具有线宽窄与飞秒激光器、重复频率高与调QNd:YAG脉冲激光器的特 色,紧凑的蝴蝶型腔布局能够有用下降TPO振动阈值和紧缩泵浦皮秒脉冲谱宽.跟着非线性晶体生长技能和加工技能的进步及全固态皮秒激光技能的完善和老练, 根据极性晶体晶格振动模受激电磁耦子散射进程的THz波参量振动,逐步变成一种十分有用的THz波辐射源.它具有体积小、布局紧凑、调谐简略、可室温工 作、非线性变换功率高级特色.因而,这种老练牢靠、功能优秀的相干可调谐THz波辐射源广泛应用于高精密THz频谱7、THz多谱成像8等科学研 讨和实践应用领域.这篇文章作者以全固态Nd:YAG皮秒锁模激光器的基频光作为泵浦源,泵浦根据MgO:LN晶体构成的TPO.Stokes光能够在蝴 蝶型外腔谐振,其功率跟着泵浦光功率的进步而增强.经过转变MgO:LN晶体放置的高精度平移台,改动相位匹副角,完成THz波调谐输出.采纳优化描绘晶 体掺杂浓度、耦合输出办法、最佳晶体长度和晶体内的聚集光斑及进步THz波转化功率等办法,完成了全固态皮秒THz波参量振动器的高功能工作. 1试验设备全固态皮秒THz波参量振动器布局示意图,如图1所示.以全固态Nd:YAG皮秒锁模激光器输出波长1064nm、脉宽10ps、重复频率 80MHz、平均功率最大值8W的激光脉冲作为泵浦源.由平平镜M1(HT1064nm,HR10651078nm)、 M2(HR10641078nm)平和凹镜M3(HR10641078nm,R=500mm)、 M4(HR10641078nm,R=500mm)构成蝴蝶型腔,其间M3、M4用来改动泵浦光在晶体内的聚集光斑巨细,然后进步THz波的转化功 率.腔长为1?87m,使泵浦光在腔内往复一次的时刻等于泵浦光脉冲距离.发生的THz波大约在与腔轴成65方向耦合输出,后边放置THz波聚集镜,进 步THz波功率密度,非常好地呼应勘探系统的灵敏度. 2振动器的优化描绘 2?1MgO:LN晶体参数的挑选及描绘晶体的优化描绘首要包含以下几个方面展开:掺杂浓度;耦合办法;晶体最佳长度.1)掺杂MgO的LN晶体较 未掺杂LN晶体,具有高的光损伤阈值和高的非线性变换功率,并且掺杂能够使拉曼散射截面添加和声子模损耗减小,所以用MgO:LN晶体替代LN晶体构成的 TPO,其输出功率比未掺杂的LN晶体构成的TPO高出5倍9.MgO:LN的与LN的色散曲线根本一样,因而由它们构成TPO的调谐特性和THz波 的输出规模根本一样.已有关联文献报导9-10,经过试用多种浓度掺杂的MgO:LN,发现由掺杂浓度为5%molMgO:LN晶体构成的TPO具有 最大的THz波输出功率和调谐规模.2)在MgO:LN晶体中,三波相互作用的功率比较高,可是晶体在THz波段具有较大的吸收系数和较大的折射率,所发 生的THz波大多数是被晶体吸收或悉数被反射回晶体内部.为了进步THz波输出耦合功率和方向性,咱们首要选用以下3种耦合办法:切角耦合 (AngledSurfaceCoupler)10,即在晶体输出端切下一角,使发生的THz波以根本平行于该切角平面法线的方向输出,其辐射发散角 随辐射波长的改动率为/-0?017(deg/m).光栅耦合(GratingCoupler)11,即在晶体旁边面刻光栅的办法,来 添加THz波耦合功率.但因为光栅耦合的色散特性及非共线相位匹配本身的特色,THz波输出辐射角在40余度到80余度之间改动,方向性较差12,其 辐射发散角随辐射波长的改动率为/0?65(deg/m),且该耦合办法需求很高的光栅描写技能,受国内加工条件的约束,晶体加工很难完 成.棱镜耦合(PrismCoupler)5,即晶体输出端压接高电导率硅棱镜作为THz波的输出耦合器,高电导率硅棱镜在THz波段具有较大折射 率、低色散、吸收系数小等特性,然后有用消除THz波光束在悉数波长调谐规模内的方向偏移,其辐射发散角随辐射波长的改动率为/- 0?00018(deg/m).但该技能需求很高的压接技能,并且高电导率硅棱镜会致使THz波的损耗增大,使勘探的难度加大.思考辐射发散角、晶体加 工及试验勘探条件,咱们结尾挑选晶体输出端切角耦合法.3)因为晶体本身的吸收和色散特性,描绘晶体长度是试验胜败的要害要素.咱们选用龙格-库塔法求解 三波耦合方程13,数值核算THz波的输出功率密度与晶体长度的联系见图2.在晶体长度35mm以下,THz波输出功率随晶体长度的添加而线性添加, 但当晶体长度超越38mm,THz波输出功率呈现饱满效应,故晶体的最佳长度是35mm.以下是数值模仿所选用的参数:THz波频率T=1THz,有用 非线性系数deff=5?3pm/V14,泵浦光功率密度IP(max)=20MW/cm2,Stokes光功率密度IS(max)=1MW /cm2,泵浦光波长P=1064nm,Stoke光波长S=1067nm,泵浦光折射率ne(P)=2?1474,Stokes光折射率 ne(S)=2?1472,THz波折射率ne(T)=5?1,晶体在THz波段的吸收系数T=0?61cm-1,THz波波长 T=200m9,15,0为真空介电常数,c为真空中的光速. 2?2MgO:LN晶体内的聚集光斑在泵浦光平均功率必定的条件下,MgO:LN晶体内的聚集光斑直接影响到泵浦光峰值功率密度,改动THz波转化功率, 是描绘蝴蝶型腔的重要参数,也是挑选市售晶体关于损伤阈值的重要目标.1)最佳聚集光斑的描绘是根据Boyd-Klein-man16第5节差频条件 下的聚集函数联系:optimal=THzL/2ne(T),THz波波长T=200m,其间聚集参数=L/bcp=2,对应bcp最佳 聚集因子、晶体长度L=35mm(由2?1节核算给出).MgO:LN晶体内的聚集光斑直径大约是optimal=360m.对应最佳聚集光斑半 径,运用ABCD矩阵,得到蝴蝶型腔中光学元器件及腔内光斑半径的散布,如图3所示.2)当泵浦光脉冲宽度为10ps和10ns量级时,MgO:LN晶体 的损伤阈值分别为0?8GW/cm217和25MW/cm217,前面核算得到的最佳光斑直径optimal=370m,联系泵浦源输出脉冲 激光的参数,核算可得损伤阈值的极大值为27MW/cm2,低于市售MgO:LN的标定损伤阈值. 2?3THz波转化功率在试验进程中,是经过旋转晶体放置的高精度平移台完成视点相位匹配,但在非抱负匹配条件下,ps-TPOs中的THz波增益仍然存 在,其间失配函数的方法sin2(kL/2),对应相位失配量=P-S-T.因为泵浦光和Stokes光波长附近,泵浦光和Stokes光的 吸收系数相抵消,故吸收系数改动量=|P-S-T|=|T|,中远红外参量振动器差频发生THz波峰值功率公式修正为18式中:PP和 PS分别是泵浦光、Stokes光的峰值功率;r是晶体内的聚集光斑半径;T1,T2和T3是菲涅尔透射系数 T1,2,3=4nP,S,T/(nP,S,T+1)2.思考发生Stokes光的峰值功率(蝴蝶型腔内振动),THz波转化功率界说为=PTHz /PPPS,由式(1)可得到由式(1)和式(2)可知,MgO:LN晶体内的聚集光斑与THz转化联系如图4所示.为优化THz波的转化功率,首要可经 过调理平凹镜M3、M4的方位,然后改动晶体能的聚集光斑尺度,可是要思考到晶体损伤阈值的约束;其次,进步泵浦光的平均功率,在光斑半径必定的条件下, 相当于一起进步泵浦光和Stokes光的峰值功