基于内腔参量振荡的太赫兹辐射源及应用

上一章主要介绍了外腔TPO技术的进展,与外腔TPO相比,由于具有更高的腔内泵浦功率密度,使得内腔TPO具有更高的太赫兹波能量转换效率。因此内腔TPO拥有更高的转换效率和更低的泵浦阈值。

2001年,日本的Imai科学家报道了一种采用种子注入技术来压窄太赫兹波输出线宽[62]。他们用一台输出为1 070 nm的连续光纤激光器作为种子源,并将Stokes腔的后腔镜替换为30%透射率的镜片,通过种子光注入技术,获得了线宽为200 MHz的太赫兹波输出。2002年,他们又将种子激光器替换为1 066~1 074 nm可调谐的单纵模激光器,得到了可调谐的窄线宽太赫兹波输出[63]。

2006年,英国圣安德鲁斯大学的Edwards[64]在Nd∶YAG激光器基频光谐振腔内放置一块MgO∶LiNbO3晶体,采用基频光谐振腔和Stokes光谐振腔交叉结构产生可调谐输出的太赫兹波。由于LiNbO3晶体放置在基频光谐振腔内,所以受到高功率循环泵浦光的激励。而且泵浦光和LiNbO3晶体之间不需要其他的光学耦合装置。采用这套装置,TPO阈值为1 mJ,获得了1.2~3.05 THz的太赫兹波输出,其峰值功率为1 W,线宽小于100 GHz。2008年,同一个科研小组的Stothard[65]改进了内腔TPO,取得了更佳的性能。他们在基频光谐振腔和Stokes光谐振腔内分别放置一块标准具,得到了线宽为1 GHz的太赫兹波输出,调谐范围为1~3 THz,峰值功率达到3 W。2009年,同一个科研小组的Walsh[66]采用种子注入内腔TPO实现了线宽小于100 MHz的太赫兹波输出,太赫兹波的最大单脉冲输出能量达到5 nJ以上,实验装置如图4 37所示。

图4-37　种子注入内腔TPO示意图

2007年,日本理化所的Hayashi等使用纳秒级别的调Q脉冲式Nd∶YAG激光器,泵浦掺氧化镁的铌酸锂晶体,泵浦光一次通过晶体后被黑体所吸收。整个结构没有谐振腔,产生宽带太赫兹波。通过对泵浦光斑进行整形,实现高功率的泵浦光注入,从而提高参量效率,最终的泵浦损耗率超过70%。2012年,他们在参量产生器的基础上加入种子光[67],实现了线宽小于5 GHz的窄带太赫兹波输出。他们采用的实验装置如图4-38所示,泵浦源为一台脉宽为420 ps的小型化Nd∶YAG激光器,能够输出单纵模的高质量1 064 nm脉冲激光。使用一台半导体激光器和放大器作为种子源,提供窄线宽的连续Stokes光输出,输出功率为80 mW。

图4-38　太赫兹参量产生器结构示意图

以上介绍的基于非线性光学参量方法的太赫兹波辐射源采用的是非共线相位匹配方式。由于泵浦光、Stokes光和太赫兹波三者在空间上走离,导致三者间的有效相互作用体积很小,严重限制了太赫兹波的转换效率。为了增大三者间的相互作用体积,可以选择周期极化LiNbO3晶体(PPLN)作为TPO的增益介质。PPLN可以实现泵浦光、Stokes光和太赫兹波三者中的两者或者三者共线传输,从而有效增大三者间的相互作用体积。但是采用PPLN晶体产生太赫兹波给频率调谐输出太赫兹波带来了困难,因为一个极化周期只对应一种频率的太赫兹波。2009年,德国科学家Molter[68]利用一块PPLN晶体,种子注入Stokes光,实现了频率为1.5 THz的太赫兹波输出,太赫兹波腔内平均功率为8 mW,实验装置如图4-39所示。同年,德国波恩大学的Sowade[69]采用连续泵浦光,在PPLN晶体内实现了连续太赫兹波的输出,实验装置如图4-40所示。实验中使泵浦光和Stokes光共线传输,产生的一阶Stokes光在谐振腔内共振增强,其强度可以产生下一个参量过程,这种级联TPO增强了太赫兹波的功率。实验中通过更换不同极化周期的PPLN,获得了范围为1.3~1.7 THz的太赫兹波输出,在1.35 THz处测得平均功率大于1μW。2010年,英国圣安德鲁斯大学的Walsh[70]实现了内腔准相位匹配TPO。

图4-39　种子注入准相位匹配TPO(增益介质为PPLN晶体)

图4-40　连续泵浦准相位匹配TPO

2013年,天津大学王与烨等首次将浅表面输出结构应用于内腔太赫兹参量振荡系统[71],其实验装置如图4-41所示,该系统实现了0.74~2.75 THz的太赫兹波输出,且泵浦阈值仅为12.9 mJ,在1.54 THz处取得了最大太赫兹波输出能量为283 nJ,转换效率为4.8×10-6。(www.xing528.com)

图4-41　内腔太赫兹参量振荡系统

2014年,澳大利亚麦考瑞大学Andrew J.Lee等报道了内腔连续太赫兹参量振荡源[72],其实验装置如图4-42所示,该系统实现了1.4~2.3 THz的连续太赫兹波输出,且泵浦阈值仅为2.3 W,在1.8 THz处获得最大输出功率2.3μW。

图4-42　内腔连续TPO系统

2017年,该组又报道了一种浅表面出射内腔太赫兹参量振荡源[73],通过在铌酸锂晶体的太赫兹波出射表面涂覆特氟龙保护层,从而提高了晶体的抗激光损伤阈值,其实验装置如图4-43所示,实现了1.46~3.84 THz内的太赫兹波输出,且在1.76 THz处获得最大输出功率56.8μW。

图4-43　浅表面出射内腔TPO

MgO∶LiNbO3—掺氧化镁铌酸锂晶体;M1、M2、M3—平面反射镜;Q-switch—调Q器件;OC—输出耦合器

2018年,该组提出了基于RTP晶体的内腔太赫兹参量振荡源[74],实验装置如图4-44所示,获得了3.04~3.16 THz、3.50~4.25 THz、4.57~4.75 THz和5.40~5.98 THz分立调谐的太赫兹波输出,其在4.10 THz处获得最大输出功率124.7μW。

图4-44　基于RTP晶体的内腔太赫兹参量振荡源