CN102868080A - 一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，在飞秒激光器的出口处放置可移动的斜劈对，泵浦激光通过输入耦合器进入由输入耦合器、平面镜、凹面镜组形成的外腔式共振谐振腔内，泵浦激光经过倍频晶体产生倍频光，倍频光和剩余的基频光在凹面镜组共焦点处形成空气等离子体，产生的太赫兹脉冲被双色镜反射进入太赫兹探测系统。在不达到腔镜和倍频晶体的损伤阈值的情况下，可以获取高强度的太赫兹波；通过改变可移动斜劈对的插入量，可以调节泵浦激光脉冲的脉冲宽度，从而连续调节所产生的太赫兹脉冲的中心波长和频谱宽度，操作简便；由于外腔式共振增强只和泵浦激光的重复频率有关，不需要反复对外腔进行调整，应用范围广泛，实用性强。

Description

一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置

技术领域

本发明涉及一种太赫兹技术，特别涉及一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置。

背景技术

太赫兹波是一种有很多独特优点的电磁波,其频率在0.1到10 THz范围(波长在0.03到3 mm范围)，它在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段与红外线相重合，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹技术便是一个涉及太赫兹波产生、传播、控制以及探测的先进技术，属于非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。虽然各国在太赫兹领域投入了大量的人力物力，但是到目前为止，太赫兹波源的强度仍然很低，限制了太赫兹波科学技术的发展，使其应用潜能未能全部发挥出来。

目前作为太赫兹辐射的产生方法，利用电离化气体的非线性效应产生强太赫兹脉冲已经得到了广泛的应用。其主要原理是利用泵浦激光在空气中拉丝，产生等离子体激发四波混频现象，如果在激光汇聚点的前方加上一个倍频晶体，就会使得频率为                                               

的超快激光脉冲基频光及其倍频光2

同时在空气中聚焦，使空气电离，产生强的太赫兹辐射。而当总的泵浦激光脉冲能量超过空气等离子体的形成阈值时，太赫兹辐射场的振幅与基频光

的脉冲能量成正比，与倍频光2

的脉冲能量的开方成正比。利用该机制产生太赫兹辐射最大的优点是实验设备简单，结构紧凑，且可在常温下工作。与在晶体中产生太赫兹辐射相比，该方法理论上不存在损伤阈值问题，即无泵浦激光强度上限要求。所以如果采用高功率超短脉冲激光聚焦使空气电离，就可以得到功率很高的太赫兹波的辐射源。

但是，由于目前泵浦激光器的输出脉冲强度受到功率或脉宽的限制，使得可以产生的太赫兹脉冲的强度和频谱上的可调谐范围都非常有限，不利于其后期的广泛应用。

发明内容

本发明是针对现在可以产生的太赫兹脉冲的强度和频谱上的可调谐范围都非常有限的问题，提出了一种通过外腔共振增强装置产生强太赫兹脉冲的方法。该装置不仅可以通过外腔式共振大幅提高泵浦激光的峰值功率，从而得到高强度的太赫兹脉冲，还能通过自由改变腔外斜劈对的插入量，改变初始脉冲的脉冲宽度，从而实现太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度的连续调节。

本发明的技术方案为：一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，由飞秒激光器、可移动的斜劈对、输入耦合器、平面镜、第一凹面镜、倍频晶体、双色镜、第二凹面镜和太赫兹探测系统组成，其中第一凹面镜、第二凹面镜是一对共焦点的凹面镜，第一凹面镜、第二凹面镜对放，焦点落在同一点上，输入耦合器和平面镜对放，倍频晶体位于第一凹面镜与共焦点之间，双色镜位于共焦点与第二凹面镜之间，输入耦合器、平面镜、第一凹面镜和第二凹面镜组成外腔式共振谐振腔，在飞秒激光器的出口处放置可移动的斜劈对，从斜劈对输出的泵浦激光通过输入耦合器进入外腔式共振谐振腔，泵浦激光经过倍频晶体后产生倍频光，倍频光和剩余的基频光在第一凹面镜和第二凹面镜共焦点处形成空气等离子体，产生太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲被双色镜反射进入太赫兹探测系统。

所述输入耦合器、平面镜、第一凹面镜、第二凹面镜均镀有与泵浦激光相匹配的高反膜。所述泵浦激光经过倍频晶体后，剩余的泵浦激光被双色镜透射，继续在外腔中共振增强，剩余的倍频光在外腔中自行损耗。

所述斜劈对可选熔石英或K9玻璃，斜劈对的插入量或倾斜角可根据所需太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度计算得出。

本发明的有益效果在于：本发明是一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，在不达到腔镜和倍频晶体的损伤阈值的情况下，可以获取高强度的太赫兹波；通过改变可移动斜劈对的插入量，可以调节泵浦激光脉冲的脉冲宽度，从而连续调节所产生的太赫兹脉冲的中心波长和频谱宽度，操作简便，应用性强；由于外腔式共振增强只和泵浦激光的重复频率有关，改变泵浦激光的其它参数不会对共振增强产生影响，不需要反复对外腔进行调整，应用范围广泛，实用性强。

附图说明

图1为本发明通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置结构示意图，由飞秒激光器1、可移动的斜劈对2、输入耦合器3、平面镜4、第一凹面镜5、倍频晶体6、双色镜7、第二凹面镜8和太赫兹探测系统9组成，其中第一凹面镜5、第二凹面镜8是一对共焦点的凹面镜，第一凹面镜5、第二凹面镜8对放，焦点落在同一点上，输入耦合器3和平面镜4对放，倍频晶体6位于第一凹面镜5与共焦点之间，双色镜7位于共焦点与第二凹面镜8之间，输入耦合器3、平面镜4、第一凹面镜5、第二凹面镜8组成外腔式共振谐振腔，在飞秒激光器1的出口处放置可移动的斜劈对2，从斜劈对2输出的泵浦激光通过输入耦合器3进入外腔式共振谐振腔，泵浦激光经过倍频晶体6产生倍频光，倍频光和剩余的基频光在第一凹面镜5和第二凹面镜8共焦点处形成空气等离子体，产生太赫兹脉冲。产生的太赫兹脉冲被双色镜7反射进入太赫兹探测系统9，剩余的泵浦激光被双色镜7透射，继续在外腔中进行共振增强。由于输入耦合器3、平面镜4和凹面镜组均是镀有与泵浦激光相匹配的高反膜，剩余的倍频光不会在外腔中形成共振，而是在外腔中自行损耗，不影响泵浦激光的共振增强。

通过自由改变腔外斜劈对的插入量，可以根据以下公式改变初始脉冲的脉冲宽度，从而实现太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度的连续调节。脉冲展宽的公式：

，其中

是脉冲展宽的变化量，L是斜劈对插入量，

是斜劈对色散材料的群速度色散参量，

是泵浦光脉冲的光谱宽度，

是斜劈对的倾斜角度。

在下面的实施例中，以输出光中心波长为800 nm的激光器为例，其他波段与该波段的实施方法一致。

激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为35 fs（频谱范围为760-840 nm），重复频率1 KHz，以BBO倍频晶体6获得400 nm的倍频光，输入耦合器3有0.1%的透射率为例，具体实现外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的调节过程如下：由飞秒激光器1输出光脉冲，通过可移动的斜劈对2，移动其中一个斜劈对，改变其插入量，从而改变初始脉冲的脉冲宽度（以倾斜角为10°，材料为熔石英的斜劈对为例（熔石英在800 nm波长处的群速度色散参量约为35 

），斜劈插入量从1到10 mm变化时，初始脉冲的脉冲宽度的变化范围为1.4到14.0 fs，）。然后泵浦激光通过输入耦合器3进入外腔式共振谐振腔。泵浦激光通过BBO倍频晶体 6产生400 nm的倍频光，倍频光和剩余的800 nm泵浦激光在凹面镜5、8的共焦点处形成空气等离子体，产生太赫兹波。800 nm泵浦激光、400 nm倍频光和产生的太赫兹波经过双色镜7，太赫兹波被反射进入太赫兹探测系统9，800 nm泵浦激光则被透射，继续在外腔中进行共振增强。由于输入耦合器3和平面镜4和凹面镜组均是镀有与800 nm泵浦激光相匹配的高反膜，剩余的400 nm的倍频光不会在外腔中形成共振，会在外腔中自行损耗，不影响泵浦激光的共振增强。这里斜劈对2除了熔石英，还可选K9玻璃和其他透明色散材料。

在整个实验过程中，外腔要求输入耦合器、平面镜和凹面镜组必须精确放置，保证泵浦激光可以在外腔中进行共振增强。另外，实验中的调控参数为：可移动的斜劈2的插入量。以倾斜角为10°，材料为熔石英的斜劈对为例（熔石英在800 nm波长处群速度色散参量约为35 

），斜劈插入量从1到10 mm变化时，初始脉冲的脉冲宽度的变化范围为1.4到14.0 fs，）。太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度的改变可以通过斜劈对插入量的改变精确计算得出。

我们在飞秒激光器1的出口处放置可移动的斜劈对2，斜劈对2可以自由改变插入量，使初始脉冲的脉冲宽度改变，从而连续调节后期产生的太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度。脉冲宽度可调谐的泵浦激光通过输入耦合器3进入由外腔式共振谐振腔，得到共振增强，其峰值强度被大幅度提高。再通过倍频晶体6，倍频光和剩余的基频光在凹面镜组5、8共焦点处聚焦，使空气电离，产生强太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲经过双色镜7时被反射至太赫兹探测系统，而剩下的泵浦激光透射通过双色镜7，在外腔中继续进行共振增强。由于输入耦合器3、平面镜4和凹面镜组均是镀有与入射激光相匹配的高反膜，剩余的倍频光会在外腔中自行损耗，不影响泵浦光的共振增强。

Claims (4)

1.一种通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，其特征在于，由飞秒激光器（1）、可移动的斜劈对（2）、输入耦合器（3）、平面镜（4）、第一凹面镜（5）、倍频晶体（6）、双色镜（7）、第二凹面镜（8）和太赫兹探测系统（9）组成，其中第一凹面镜（5）、第二凹面镜（8）是一对共焦点的凹面镜，第一凹面镜（5）、第二凹面镜（8）对放，焦点落在同一点上，输入耦合器（3）和平面镜（4）对放，倍频晶体（6）位于第一凹面镜（5）与共焦点之间，双色镜（7）位于共焦点与第二凹面镜（8）之间，输入耦合器（3）、平面镜（4）、第一凹面镜（5）和第二凹面镜（8）组成外腔式共振谐振腔，在飞秒激光器（1）的出口处放置可移动的斜劈对（2），从斜劈对（2）输出的泵浦激光通过输入耦合器（3）进入外腔式共振谐振腔，泵浦激光经过倍频晶体（6），倍频光和剩余的基频光在第一凹面镜（5）和第二凹面镜（8）共焦点处形成空气等离子体，产生太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲被双色镜（7）反射进入太赫兹探测系统（9）。

2.根据权利要求1所述通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，其特征在于，所述输入耦合器（3）、平面镜（4）、第一凹面镜（5）、第二凹面镜（8）均镀有与泵浦激光相匹配的高反膜。

3.根据权利要求2所述通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，其特征在于，所述泵浦激光经过倍频晶体（6）后，剩余的泵浦激光被双色镜（7）透射，继续在外腔中共振增强，剩余的倍频光在外腔中自行损耗。

4.根据权利要求1所述通过外腔共振增强产生强太赫兹脉冲的装置，其特征在于，所述斜劈对（2）可选熔石英或K9玻璃，斜劈对（2）的插入量或倾斜角可根据所需太赫兹脉冲的中心频率和频谱宽度计算得出。