[发明专利]连续倾斜脉冲波面泵浦铌酸锂产生太赫兹波的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光光学整流法产生太赫兹波的方法，特别是一种采用双反射镜构成的平行平面反射器实现连续波面倾斜泵浦铌酸锂产生太赫兹的方法。

背景技术

目前采用光学整流方法产生超快太赫兹波是太赫兹技术领域中的重要光子学手段之一[1]。光学整流方法产生超快太赫兹波的主要机理是利用非线性晶体的二阶非线性效应。当飞秒脉冲作用于非线性晶体时，脉冲中的单色分量不再独立传播，而是发生了混频现象。其中和频效应产生频率接近于二次谐波的光波，而差频效应则会产生一个低频振荡的电极化场，此电极化场能够辐射出处于太赫兹波段的低频电磁波。因此，利用光学整流效应产生太赫兹波的能量主要来源于入射激光脉冲的能量，而其能量转换效率主要依赖于：介质的二阶非线性系数、介质对太赫兹波的吸收系数以及激光脉冲与太赫兹波之间的相位匹配情况。当非线性晶体选定之后，相位匹配条件就是唯一考虑的可操控的因素。飞秒激光与非线性晶体作用时的相位匹配越好，则泵浦脉冲与产生的太赫兹波在晶体中可以作用的距离越长，太赫兹波的光-光转换效率就更高。

在光学整流法产生太赫兹波的研究中，需要具有较大非线性系数的非线性晶体，而目前能够匹配激光源波段产生太赫兹波的非线性晶体是有限的。其中具有较高非线性系数的铌酸锂(LiNbO3)晶体是目前使用最广泛的晶体之一。但是该晶体中的THz波段折射率大于泵浦光的折射率，因此常规泵浦条件下只能以“切伦科夫辐射”的形式发出太赫兹波，并用硅棱镜导出或者沿THz波出射方向切割晶体面。在这种条件下，由于泵浦光和太赫兹波的“空间走离”效应和“切伦科夫辐射”[2]的太赫兹波的锥形发射面，使得采用LiNbO3晶体的太赫兹源的产生效率较低和太赫兹波质量较差。

直到2002年，匈牙利的Hebling等[3]提出在LiNbO3晶体中采用倾斜脉冲波面泵浦(TPFP)的新方法，可以提供泵浦光在太赫兹波方向具有速度分量，并维持与太赫兹波速度同步，这样就克服了“时、空走离效应”，明显增加了转换效率；并使得太赫兹波由“切伦科夫辐射”的锥面发射变为单向平面发射，太赫兹波的有效使用率也大大提升。从此该项技术的研究与应用获得了快速发展。目前TPFP技术中实现脉冲波面倾斜的方法是利用衍射光栅提供的角色散，再利用透镜成像系统将倾斜波面脉冲成像于LiNbO3晶体棱镜的出射面内侧。

因此，在倾斜脉冲波面泵浦LiNbO3晶体产生太赫兹波的技术中，倾斜脉冲波面的质量对太赫兹波的产生过程和质量至关重要。原则上讲，倾斜脉冲波面的方法除了提供脉冲波面倾斜的效果之外，不应该对原有泵浦脉冲的时、空、频域等特性带来影响，否则产生太赫兹波的时、空、频域特性必将不同于非倾斜脉冲波面的方法。然而，在采用衍射光栅角色散实现TPFP的过程中，必然对原泵浦飞秒脉冲引入时间和空间啁啾；同时由于光栅结构的存在，对脉冲作用的结果是时、频分散，即倾斜波面后的脉冲波面不再是连续的，即是由光束中各个时、频分离的小脉冲集合而成，而且光束也是发散光，这给后面成像的准确性和产生太赫兹过程带来明显影响。

此外，目前能够实现精确满足LiNbO₃晶体棱镜出射角度(铌酸锂晶体内产生太赫兹波的切伦科夫波面)的倾斜脉冲波面所需衍射光栅参数很难与现有商用光栅参数匹配。如果定制光栅费用高昂。一般都是采购参数相近的商用光栅，这样必然引入了倾斜角度误差。因此，对于TPFP铌酸锂晶体产生太赫兹波技术领域，研究和发展一种连续倾斜泵浦脉冲波面，又不引起泵浦脉冲的时、空、频域等特性畸变的新技术是非常必要的。

[1]许景周、张希成，太赫兹科学技术和应用，北京大学出版社，2007.

[2]D.H.Auston,K.P.Cheung,J.A.Valdmanis,and D.A.Kleinman,Cherenkov radiation from femtosecond optical pulses in electro-optic media,Phys.Rev.Lett.1984,53:1555.

[3]Hebling J,Almasi G,Kozma I Z,et al.Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz-pulse generation[J].Optics Express,2002,10(21):1161.

发明内容