除了耦合输出方式和晶体选择的进展之外,学者们也从腔型结构的优化设计方面来改进太赫兹波参量振荡器的性能。
2001年,日本Imai等[54]利用腔外注入种子光(Stokes光)的方式来实现窄线宽的太赫兹波输出,采用的实验装置如图4-29所示。泵浦源为种子注入1 064 nm脉冲激光器,脉宽16 ns,频率10 Hz。种子源为掺镱的光纤激光器,波长1 070 nm,线宽小于1 MHz,他们将后腔镜的透射率换成30%透射率的镜片,同时加入隔离器防止光纤激光器损坏。在获得线宽小于200 MHz的太赫兹波输出的同时,这种方法也降低了太赫兹参量振荡源的阈值。
图4-29 腔外注入种子光(Stokes光)窄线宽太赫兹波输出实验装置
在以往的设计中,为了避免晶体对生成的太赫兹波的强吸收,泵浦光和Stokes光的相互作用区域相对固定,在进行角度调谐时转动整个谐振腔来实现不同角度的相位匹配。2001年,日本Imai等[55]设计了一种结构实现了太赫兹波频率的快速调谐输出。他们使用望远镜系统和扫描振镜来实现太赫兹波频率的快速调谐,装置如图4-30所示,调谐范围为1~2 THz。这种结构虽然实现了太赫兹波频率快速调谐,但其望远镜系统会对泵浦光光束质量带来一定影响,同时其结构也相对较大。
图4-30 望远镜系统快速调谐太赫兹参量振荡源实验方案
图4-31 环形腔结构硅棱镜耦合输出方式太赫兹参量振荡源
2009年,日本Minamide等[56]进一步改进了腔型结构,设计了基于环形腔结构的硅棱镜耦合太赫兹波参量振荡器,如图4-31所示。通过参考罗兰圆光栅的结构,这种环形腔结构能够通过转动振镜改变腔内允许谐振的Stokes光波长,而泵浦光和晶体的角度固定。这种结构采用多硅棱镜耦合方式输出太赫兹波,调谐范围0.93~2.7 THz,它进一步减小了快速调谐结构的体积,但其最大脉冲输出能量只有nJ量级。
2009年,日本Dong Ho Wu等[57]报道了一种循环泵浦结构以实现更高的能量转换效率。在一般的太赫兹参量振荡器中,泵浦光在一次入射晶体后就会被黑体吸收,能量转换效率很低。他们设计的结构如图4-32所示,将泵浦光进行循环利用,输出的太赫兹波功率提升了接近4倍。
图4-32 泵浦循环结构太赫兹波参量振荡源(www.xing528.com)
2011年,华中科技大学孙博等[58]提出了使用直角棱镜(CCP)和平面反射镜组成的谐振腔来实现太赫兹波频率的调谐,结构如图4-33所示。通过旋转直角棱镜,可以选择腔内允许谐振的Stokes光波长,从而实现太赫兹波输出频率的调谐。这种结构和以往旋转整个谐振腔的调谐方式相比调谐过程中太赫兹波稳定性提高了1~2个量级。但这种结构由于腔长较长,角锥棱镜三边和顶角带来的衍射损耗也较大致使腔损耗较大,从而影响太赫兹波输出。
图4-33 直角棱镜谐振腔结构的太赫兹参量振荡源
2016年,天津大学姚建铨院士课题组闫超等[59]报道了利用532 nm激光作为泵浦源来拓宽太赫兹参量振荡器的调谐范围,如图4-34所示。太赫兹参量振荡器通常使用波长为1 064 nm的激光器作为泵浦源,在以往的报道结果中,使用KTP晶体和1 064 nm波长泵浦源的太赫兹参量振荡器的调谐范围在3.17~6.13 THz。他们报道的基于532 nm脉冲式纳秒激光泵浦的太赫兹参量振荡器的调谐范围为5.7~13.5 THz,大幅度拓宽了调谐范围,而且使用波长更小的泵浦源能够获得更高的拉曼效率,从而提高了太赫兹参量振荡源的能量转换效率。
图4-34 532 nm泵浦KTP晶体的太赫兹波参量振荡源输出特性
2016年,天津大学姚建铨院士课题组报道了一种基于环形腔结构的快速可调谐太赫兹参量振荡源,如图4-35所示[60]。通过使用环形腔结构,得到的太赫兹波输出是普通平行平面腔结构的3.29倍,调谐范围在0.7~2.8 THz,调谐速度为600μs,最大太赫兹输出能量达到12.9μJ/pulse。采用的泵浦源为闪光灯泵浦多模Nd∶YAG激光器,脉宽为15 ns,重复频率为10 Hz,M2因子小于5。这种结构有效地提高了太赫兹波的脉冲输出能量,比以往报道的太赫兹波输出能量高了一个数量级,同时精确快速调谐的特性使得它能得到更快速精细的测量结果。
图4-35 环形腔浅表面垂直出射结构的太赫兹参量振荡源
2012年,日本S.Hayashi科学家在理论上分析了当泵浦功率越高时,其太赫兹波增益越大,但晶体对纳秒脉冲的损伤阈值有限,为了进一步提高泵浦光利用效率,他们采用亚纳秒激光脉冲进行泵浦太赫兹参量产生器,获得高峰值功率的太赫兹波输出,其峰值功率大于120 W[61]。2013年,日本科学家Yuma Takida成功实现了可调谐的皮秒太赫兹参量振荡器(ps-TPO),在实验中,分别采用了硅棱镜耦合输出和浅表面耦合输出两种方式,如图4-36所示,对应地在2 THz处获得的约20 nW最大功率输出和2 THz处获得的约40 nW最大功率输出[46]。
图4-36 皮秒太赫兹参量振荡器
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