差频技术的可调谐太赫兹辐射源及应用

基于差频技术的可调谐脉冲太赫兹源可实现较高能量、相干、可调谐的单频太赫兹波输出。选择合适的可调谐双波长激光器与非线性增益介质,可以实现可调谐脉冲太赫兹波的输出。利用近简并点的光学参量振荡器,使得在简并点附近的信号光与闲频光同时共振,并通过改变非线性晶体材料的相位匹配角度,调谐两波长谱线的间距,经过差频后可实现太赫兹频率的调谐。例如利用低重复频率532 nm的绿光激光器作为泵源,泵浦Ⅱ类相位匹配的近简并点KTP光学参量振荡器,在1 064 nm附近的信号光与闲频光同时共振,两波长的谱线间距为十几个纳米,通过非线性晶体材料KTP的相位匹配的角度可以使谱线的间距从2 nm调谐到13 nm,根据能量守恒,这时差频可以得到太赫兹频率的调谐范围为0.6~3 THz,因此可以通过改变KTP晶体的相位匹配角来实现太赫兹波的宽调谐输出。

利用近简并点KTP OPO输出双波长差频产生太赫兹的实验装置如图5-14所示,其中①为电光调Q Nd∶YAG倍频532 nm绿光激光器,重复频率为10 Hz,脉冲宽度为10 ns,光束直径为6 mm;②为532 nm泵浦的双共振KTP OPO,工作在1 064.5 nm简并点附近,为获得最大的注入能量和KTP相位匹配的有效非线性系数,我们采用切割角为θ=90°,φ=24.5°,晶体的尺寸为5 mm×6 mm×21 mm,采用Ⅱ类相位匹配方式,其理论调谐曲线如图5-15所示,信号光与闲频光的简并点约在23.3°,右侧纵轴为理论上得到的相应的太赫兹波输出,在KTP晶体匹配角度变化4°的范围内,理论上可以得到0~4 THz的太赫兹波输出。

图5-14　KTP近简并点双共振OPO差频产生太赫兹实验装置

YAG—钇铝石榴石晶体;KTP—磷酸钛氧钾晶体;M1—OPO输入镜;M2—OPO输出镜;F1—滤波镜;L1、L2—聚乙烯透镜,聚距分别为50 mm和60 mm;F2—锗Ge片

图5-15　KTP OPO的理论调谐曲线与相应太赫兹波频率

当532 nm的光垂直入射到KTP时,即KTP晶体的调谐角为24.5°时,理论输出的双波长为1 061.35 nm和1 066.96 nm,实验测得的双波长的能量随泵浦能量的关系曲线如图5-16所示,双波长的最高能量约为30 mJ,当泵浦能量为60.4 mJ时,相应的转换效率约为50%。

图5-16　输出的双波长的能量随532 nm泵浦能量的变化情况

实验用KTP晶体固定在两维调节架上,我们在ϕ=5.24°附近±5°范围内微调KTP晶体角度以改变泵浦光入射方向,同时用Agilent公司生产的86142B型光谱分析仪测量OPO的输出光谱图,得到光参量振荡器输出波长随角度的调谐曲线,如图5 17所示,图中实线为理论值,点表示实验中实际测到的数值,从图中我们看出改变KTP晶体的调谐角度时,实验结果与理论计算的结果吻合较好。在垂直入射条件下,测得的双波长为1 067.06 nm和1 061.69 nm。当KTP晶体的相位匹配角从23.42°变化到25.5°时,相应的信号光与闲频光的调谐范围为1 063.65~1 057.73 nm和1 065.18~1 070.35 nm,频率间隔的变化范围为1.53~12.62 nm。

图5-17　KTP双波长OPO调谐曲线

图5-18为在KTP OPO调谐的过程中注入GaSe晶体中参量的变化情况。可以看出,同样在532 nm光垂直入射到KTP晶体时,双波长输出的能量最大,由于KTP晶体表面没有镀增透膜,因此随着KTP晶体调谐角度的增加,在晶体表面的菲涅耳损耗增大,使得输出的功率减小。

图5-18　双波长能量随信号光波长的变化情况

KTP OPO产生的双波长激光入射到GaSe晶体上进行差频作用,调节GaSe晶体的角度可以满足o-e→e(o-ee)类差频的相位匹配条件。由于GaSe晶体的有效非线性系数正比于cos3φ,在实验中我们使晶体沿x轴旋转来调节相位匹配角θ,同时使φ=0(cos3φ=1)以保证晶体的有效非线性系数最大。实验中使用的GaSe晶体的尺寸为Φ16 mm×10 mm,z向切割,晶体的端面未镀膜,整个晶体封装在铝套中。KTP OPO采用Ⅱ类相位匹配方式,得到的信号光与闲频光的偏振方向相互垂直,可以满足GaSe晶体的o-ee类相位匹配。实验装置如图5-14所示,得到的太赫兹信号采用聚乙烯透镜进行聚焦,透镜L1和L2的焦距分别为50 mm和60 mm,并用Ge片进行滤波;用液氮液氦冷却的红外热辐射测量计Bolometer对太赫兹信号进行采集,其工作温度为4 K。

当改变KTP OPO输出的信号光与闲频光的双波长频率间隔时,可以得到太赫兹波的调谐输出,根据能量守恒,调谐的范围应为0.41~3.33 THz,其调谐曲线如图5-19所示,点线为实验测得的相位匹配角度,在此调谐范围内相应的GaSe晶体的角度的变化范围为5.6°~19.2°;实线为根据GaSe晶体在中红外波段的色散方程计算得到的相位匹配角与太赫兹波频率调谐曲线。可以看出,尽管使用的GaSe色散方程为中红外波段的方程,但是理论结果与实验结果符合得很好,这说明方程可以延伸到远红外乃至太赫兹波段使用。

图5-19　GaSe差频产生太赫兹波的调谐曲线

图5-20为在太赫兹波调谐的过程中实际测得的太赫兹峰值功率随太赫兹频率的变化情况,在1.422 THz时具有最大的太赫兹能量输出,输出的峰值功率最大为1.7~3 mW。由于目前对Bolometer的准确标定存在困难,国际上对标定的结果也尚有争议,这里用重复频率10 Hz、波长为16.1μm的中红外光源对Bolometer进行了标定。

图5-20　太赫兹波强度随太赫兹波频率的变化情况

根据差频过程中的量子转化效率式：

式中,ωTHz和ωInf分别代表产生的太赫兹波和近红外光圆频率,可知参与差频过程的双波长,波长越长,量子效率越高。一方面,我们除了利用1.064μm附近的双波长进行差频产生太赫兹外,将利用2.128μm附近双波长作为泵浦源,比利用1.064μm附近双波长的量子转化效率高2倍;另一方面,在2μm处GaSe的吸收系数较1μm处的吸收系数小。因此,我们从实验上对2.1μm的双波长差频产生太赫兹波进行研究。(www.xing528.com)

双波长差频产生太赫兹波的实验装置如图5-21所示,采用电光调Q内腔泵浦的2.1μm KTP光学参量振荡器作为差频产生太赫兹波的泵浦源,光学参量振荡器放置于1.064μm谐振腔内,采用内腔泵浦。M1、M3为1 064μm谐振腔,M1为1.064μm高反,M2、M3为内腔KTP光学参量振荡器,M2为1.064μm高透、2.1μm高反介质膜片,M3为1.064μm高反、2.1μm附近部分透射率约为50%;EO为磷酸二氘钾KD*P电光调Q晶体。此光学参量振荡器为双信号谐振,重复频率为10 Hz。采用KTP晶体为非线性晶体,KTP晶体的尺寸为7 mm×9 mm×15 mm,切割角度θ为50.5°,晶体的端面未镀介质膜。

图5-21　双波长(21.28μm)差频产生太赫兹波的实验装置

图5-22为实验中得到的调谐曲线与理论计算结果的比较,输出的信号光和闲频光的调谐范围分别为1.926~2.128μm和2.380~2.130μm,相应的KTP晶体角度改变从48.1°到51.0°,此2.1μm KTP内腔光学参量振荡器输出波长的调谐速率比较快,信号光和闲频光的频率间隔可以从2 nm调谐到454 nm。此外,信号光与闲频光的偏振方向为正交偏振,可以满足GaSe晶体中o-ee类相位匹配方式。

图5-22　KTP晶体调谐特性(实线为理论曲线)

采用硒化镓晶体为非线性差频晶体,晶体的尺寸同样为Φ16 mm×10 mm,z向切割。实验中我们获得了0.147~3.65 THz的太赫兹波输出,即82~2 041μm的宽调谐相干太赫兹输出,在此调谐范围内,相应的GaSe晶体的相位匹配角的变化范围为6.88°~35.07°,因此,可以看出与1.064μm附近的双波长差频相比,GaSe晶体需要更大的调谐角度,其相位匹配曲线如图5-23所示,从图中可以看出实验结果与理论计算基本吻合。

图5-23　相位匹配曲线(实线为理论曲线)

实验中,输出的太赫兹波信号用曲率半径f=60 mm的白色聚乙烯透镜进行聚焦,用黑色的聚乙烯对1.064μm附近的双波长进行滤波,这两个聚乙烯透镜对0.5~3 THz的太赫兹波的吸收率约为90%,即实际测得的太赫兹信号约为差频输出的10%。图5-24为实际测得的太赫兹波信号强度随太赫兹波输出频率的变化情况,在1.25 THz时获得了最大的能量输出,峰值功率为10~16 mW,在低频阶段输出功率随太赫兹波频率的增加而增加,在高频阶段,由于GaSe晶体对太赫兹波吸收的增加而导致输出功率降低。但是可以看出用2μm左右的双波长进行差频比用1μm的双波长差频得到的太赫兹能量高5倍。

图5-24　太赫兹波信号强度随太赫兹波输出频率的变化情况

双波长KTP OPO可以包含一块或两块完全相同的KTP晶体。当使用一块KTP晶体时,由于光在晶体内的走离效应限制了信号光和闲频光的重合度,而这种不完全的重合将影响后面的差频互作用,当光束直径较小时影响更为严重。当使用两块KTP晶体时,使KTP2沿由传播方向确定的实验室坐标系的x轴旋转π角度与KTP1对称放置,每次光通过KTP1时e光产生的走离恰好可以在KTP2中得到补偿,而且在此过程中有效非线性系数的方向保持不变。这样与使用一块KTP晶体相比较,双波长光束的空间分离被消除,同时增加了增益介质长度,提高了转换效率。因为经过KTP1产生的信号光或闲频光可以为KTP2中的参量过程提供种子源,所以这种走离补偿的实验方案还可以降低OPO的振荡阈值,提高OPO的输出稳定性。我们对利用走离补偿实验方案的差频太赫兹源进行了研究。基于走离补偿结构差频产生的连续可调谐相干太赫兹辐射源如图5-25所示。

双波长激光依然由1 064 nm脉冲激光器泵浦的KTP OPO产生,为了提高差频泵浦光的功率密度,在基频光谐振腔内加入了一个小孔光阑来减小泵浦光束尺寸,省去了对OPO输出光进行聚焦的环节。基频光谐振腔长度为350 mm,OPO谐振腔长度为55 mm。用一个对1.06μm高反、对1.8~2.5μm高透的滤波镜来滤除KTP OPO输出的双波长激光中的剩余基频光。双波长激光在GaSe晶体中差频可以产生太赫兹波,经白色聚乙烯透镜(L)聚焦及镀有1.8~2.5μm高反膜的锗片滤波后入射到Bolometer探测器的窗口来探测能量大小,Bolometer的工作温度为4.2 K。图5-26为实验中得到的调谐曲线与理论计算结果的比较。

图5-25　差频产生太赫兹辐射的实验装置示意图

图5-26　KTP OPO的角度调谐特性及相应走离角的大小

图5-27所示的实心圆为实验测得的太赫兹波长(频率)与相位匹配外角的关系,实线为理论计算结果,理论与实验符合得很好。当OPO的两束泵浦光的波长调节范围分别为2.101~2.127 2μm(o光)和2.157~2.13μm(e光)时,可以获得波长为81~1 617μm(频率0.186~3.7 THz)的可调谐太赫兹波输出。一方面,由于随着波长增加,太赫兹光子的能量减小,受到探测器响应灵敏度的限制,太赫兹波的长波方向只能探测到大约1 600μm;在短波端,由于GaSe晶体的吸收系数随着太赫兹频率的增加而迅速增加,而且随着相位匹配角的增大,有效非线性系数降低,晶体端面的菲涅耳反射损耗增大,走离角变大,允许角减小。另一方面,探测器Bolometer自身的滤波片对高频太赫兹波的透射率几乎为零,这些因素导致能探测到的最短波长只能达到约81μm。

图5-27　GaSe差频产生太赫兹波的角度调谐曲线

图5-28是不同条件[GaSe晶体长度、不同泵浦能量以及是否采用走离补偿(双KTP晶体)]下太赫兹波的输出能量与频率的关系。当使用8 mm长的GaSe晶体、泵浦能量为9 mJ、采用走离补偿的方案时,太赫兹波在频率为1.68 THz(波长为178.7μm)时Bolometer的最大输出电压约为489 V,按0.1 nJ/V标定,太赫兹波的最大能量为48.9 nJ,相应的能量转换效率为5.4×10-6,光子转换效率为0.09%。考虑到双波长激光的脉冲宽度,我们认为产生的太赫兹波脉冲宽度为4.5 ns,这样就可以计算出太赫兹波的峰值功率约为11 W。太赫兹波频率在0.186 THz和3.7 THz时的输出能量分别为0.39 nJ和0.29 nJ。实验中太赫兹波的能量在3 THz附近开始出现明显下降,这是由于Bolometer窗口滤波片的截止波长约为100μm,实际产生的频率大于3 THz的太赫兹辐射的脉冲能量应大得多。

图5-28　不同条件下实验测得的太赫兹输出能量与频率的关系