[发明专利]基于周期极化晶体光学整流太赫兹频率梳装置及调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学频率变换，属于太赫兹辐射源技术与光学频率梳技术的交叉领域。特别涉及基于周期极化晶体光学整流太赫兹频率梳装置及调制方法。

背景技术

频率梳的频谱具有多波长、窄线宽和等间距的特点，可广泛应用于频率计量学、应用光谱学、光学原子钟、光学任意波形合成，以及光通信系统中的波分复用等领域。频率梳技术在光学波段已取得了较大的进展，发展出3种较为成熟的频率梳辐射源。2005年，John Hall和因其在基于飞秒频率梳的精密计量领域的成就获得了诺贝尔物理奖。这种方法是目前最常用、技术最成熟的方法。国内相关的课题组，如计量科学研究院和中科院物理所等，大都是采用这种方法。锁模半导体激光器已经作为多信道波分复用的辐射源，被大量应用在光通系统中。

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于物质在THz波段的发射、反射和透射光谱中包含了丰富的物理和化学信息，因此THz波在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。

长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz频段的电磁波未得到充分的研究和应用。因此，THz辐射源是THz领域科技发展的关键核心技术。而输出特性为梳状谱的THz辐射源，到目前为止只有一种方法。2006年S.Yokoyama等人利用锁模飞秒光学频率梳触发光导天线获得了THz波段的频率梳。但这种方法产生的频率梳频谱范围有限，自由光谱范围较窄，在很多领域的应用中受到限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频率梳装置及调制方法，采用该方案放宽了对频率梳泵浦源的要求，实现0.2～3.5THz范围的宽频谱输出，自由光谱范围可达0.5THz，并能够在室温下稳定运转。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于周期极化晶体光学整流的太赫兹频率梳装置，由激光器、周期极化晶体和接收探测系统组成，所述激光器为钛宝石锁模fs激光器；周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体；激光器与周期极化晶体之间还配置有分束镜和玻璃凸透镜；在周期极化晶体与探测器之间还设置有聚乙烯透镜；产生的THz波垂直于晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集；接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线，光电导天线探测器探测聚乙烯透镜的输出，计算机控制器用于读取电流信号并控制延迟线，实现扫描探测，测得电流信号由计算机系统读取并进行傅立叶变换，得到梳状频谱，即频率梳。

所述的fs激光器使用MaiTai钛宝石锁模激光器，输出中心波长为800nm，偏振态为线偏振，脉宽为150fs。

所述的分束镜的分束比为10∶1，较小的部分用于触发探测。

所述的玻璃凸透镜为K9玻璃平凸透镜，用于聚焦泵浦超短脉冲，焦距为100mm。

所述的周期极化晶体为5mol％的MgO:LiNbO₃晶体，长方体，长度约15mm，极化周期为500μm。泵浦光沿水平方向通光，晶体侧表面抛光，光轴方向平行于泵浦脉冲的偏振方向。

所述的聚乙烯透镜材料为白色聚乙烯，用于收集产生的THz波。

所述的接收探测系统包括光电导天线探测器、计算机控制器和延迟线，光电导天线探测器的材料是低温生长的砷化镓半导体。

基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳调制方法，借助于权利要求1所述的基于周期极化晶体光学整流产生太赫兹频率梳实现，包括以下过程：采用钛宝石锁模fs激光器输出的超短脉冲，经分束镜分束后，较小的一部分经过延迟线，触发光电导探测器，较大的一部分由K9玻璃透镜聚焦至周期极化晶体。聚焦脉冲在周期极化晶体中，通过光学整流效应产生垂直辐射的THz波，THz波从晶体侧面输出，由聚乙烯透镜收集，利用光电导天线探测，测得电流信号由计算机系统读取，计算机系统控制延迟线，实现扫描探测，测得波形为周期性THz脉冲串，再经过傅立叶变换，得到梳状频谱，即频率梳。

本发明具有如下特点：

本发明由于采用新的辐射机理，放宽了对泵浦源的要求，不再需要复杂的光学频率梳作泵浦，并且能够产生更宽的THz频率梳频谱范围和自由光谱范围；