上面两节主要讨论的是低重频宽带可调谐太赫兹辐射源。在本节中,我们将讨论高重频太赫兹脉冲辐射源。与低重频太赫兹脉冲相比,高重频太赫兹脉冲在高速采样成像等方面具有明显的优势。利用声光调Q可实现高重频的激光脉冲输出,再经过差频可产生高重频太赫兹脉冲。在2010年,赵普等利用单块Nd∶YLF产生的双波长经过差频实现了频率为1.64 THz的太赫兹脉冲输出[32],实验装置如图5-46所示。
Nd∶YLF可产生垂直偏振的双波长激光(1 053 nm和1 047 nm),并且双波长的受激发射截面不同。他们利用布儒斯特片和不同反射率的输出镜实现了双波长激光输出,输出镜的反射率分别为75%(1 047 nm OC1)和80%(1 053 nm OC2)。双波长激光的输出功率和总功率随LD泵浦功率变化关系如图5-47所示。
两束泵浦光束在空间上和时间上重合并聚焦到15 mm长的GaSe晶体,经过差频后,泵浦光束被白色聚乙烯片阻挡和反射,产生的太赫兹光束经过两个离轴抛面镜聚焦后入射到Si.Bolometer。测量的相位匹配外角为11.5°,这与理论计算值11°非常接近。太赫兹功率随泵浦功率变化如图5 48所示,通过一个硅基标准具测量到输出波长为183.3μm。实心曲线对应于数据点的二次拟合,这与差频的特征一致。
图5-46 基于Nd∶YLF的差频太赫兹源实验装置
图5-47 双波长激光的输出功率和总功率随LD泵浦功率变化关系
后来他们改进了实验装置,通过两个LD分别泵浦两块激光晶体实现双波长激光输出并进行差频,实验装置如图5-49所示[33]。
两块激光晶体都是Nd∶YLF(a-cut 4 mm×4 mm×10 mm)晶体,输出镜对1 053 nm和1 047 nm的反射率都为75%,双波长激光的输出功率随LD泵浦功率变化关系如图5 50所示。
图5-48 太赫兹功率随泵浦功率变化图
图5-49 基于双LD泵浦产生双波长差频的太赫兹实验装置
图5-50 基于双LD泵浦的双波长激光输出功率随LD泵浦功率变化关系
与图5 46的差频太赫兹源相比,此改进的实验装置将太赫兹输出功率提高了近5倍。太赫兹输出功率随双波长泵浦功率变化如图5-51所示,另外他们还测量了太赫兹辐射的偏振方向。基于双LD泵浦产生双波长差频的太赫兹源具有很好的灵活性,此共轴泵浦结构可以通过改变激光晶体组合来实现不同的双波长激光输出,进而差频产生不同频率的太赫兹。
图5-51 太赫兹输出功率随双波长泵浦功率变化
我们设计了一种共轴泵浦双波长激光器实现了双波长激光的输出,此激光器具有结构紧凑、灵活多样、价格低廉等优点。通过改变泵浦光的波长或聚焦点位置平衡两块晶体的增益,可以实现自由掌控两个波长的功率比。另外通过改变泵浦光的波长和聚焦点位置,也可以实现调谐双波长脉冲之间的脉冲间隔,实现双波长脉冲的同步输出。
利用共轴泵浦双波长差频的实验装置如图5-52所示。两块激光晶体分别为1%掺杂的a-cut Nd∶YLF晶体(3 mm×3 mm×10 mm)和1%掺杂的c-cut Nd∶YLF晶体(3 mm×3 mm×4 mm),尽可能地将两块激光晶体靠近,两者的间隙为0.2~0.3 mm。输出镜对1 053 nm和1 047 nm的透射率都为10%。
利用偏振分束器将激光器输出的激光分成垂直偏振与平行偏振两束,并分别测量其输出功率和光谱。双波长激光在不同偏振方向的输出功率随LD泵浦功率变化关系如图5-53所示。
图5-52 基于共轴泵浦双波长差频的太赫兹源实验装置
图5-53 水平偏振和垂直偏振的激光输出功率以及总功率随LD泵浦功率变化关系
我们通过光谱仪测量了不同偏振方向的激光光谱,发现双波长激光实现了垂直偏振输出,即垂直偏振方向的激光为1 047 nm,水平偏振方向的激光为1 053 nm。正常来说,c-cut Nd∶YLF产生的1 053 nm激光并不具有偏振特性,而我们在实验中观察到输出的1 053 nm激光具有偏振特性。这主要是由增益诱导效应引起的,尽管大部分1 053 nm激光是由c-cut Nd∶YLF产生的,但a-cut Nd∶YLF可以产生的偏振1053 nm激光可以影响每一个1053 nm激光脉冲的产生,使得在1 053 nm脉冲建立过程中具有偏振特性的1 053 nm激光占据优势,在c-cut Nd∶YLF里引导增益被同偏振消耗,所以产生线性偏振的1 053 nm激光是可能的。
通过改变LD泵浦光聚焦点位置z可以实现双波长功率比例的调谐。利用之前的理论推导[34],可得到理论计算的双波长功率随z变化曲线。图5 54是实验(分离符号)和理论计算(曲线)的双波长激光输出功率随LD泵浦光聚焦点位置z变化关系。理论和实验存在偏差主要是因为a-cut Nd∶YLF产生的反转粒子数有一部分被1 053 nm消耗。随着z的增加,1 053 nm增益更强,偏差更明显,但是总的双波长功率变化趋势与理论计算结果是一致的。
图5-54 实验(分离符号)和理论计算(曲线)的双波长激光输出功率随LD泵浦光聚焦点位置z变化关系(www.xing528.com)
将空间上和时间上重合的两束泵浦光束直接入射到8 mm长未镀膜的CaSe晶体上,用Ge片和黑色的聚乙烯片滤掉泵浦光,使得产生的太赫兹入射到Si.Bolometer。图5-55是太赫兹输出功率随双波长泵浦功率变化图,实心曲线对应于数据点的二次拟合。此共轴泵浦结构也可以通过改变激光晶体组合来实现不同的双波长激光输出,进而差频产生不同频率的太赫兹。
以上我们主要讨论了实现高重频、单色的太赫兹脉冲的实验方法。下面我们主要介绍实现高重频、宽带可调谐的太赫兹脉冲的实验方法。利用内腔OPO产生高重频、可调谐的双波长激光脉冲,再通过差频可实现高重频、宽带可调谐的太赫兹脉冲输出。
图5-55 太赫兹输出功率随双波长泵浦功率变化
图5-56是高重频、宽带可调谐的太赫兹实验装置。通过工作在二类相位匹配的双谐振PPLN OPO可产生垂直偏振的2μm双波长激光,准相位匹配可以消除走离效应的影响,通过控制PPLN的温度可实现双波长激光的调谐。
图5-56 高重频、宽带可调谐的太赫兹实验装置
双波长PPLN OPO的输出特性如图5-57所示,PPLN晶体长为55 mm,输出镜在2 000~2 300 nm的透射率为25%。去掉PPLN晶体和M2,将M3换成1 064 nm透射率为12.5%的输出镜,可测得基频波的输出特性。
图5-57 PPLN OPO的输出特性
图5-58展示了PPLN OPO的温度调谐特性,工作温度从90℃变化到142℃,波长调谐范围为2 072~2 186 nm,可以提供0~7.5 THz的频率间隔。
图5-58 PPLN OPO的温度调谐特性
不同频率下的太赫兹输出电压如图5 59所示,在1.57 THz时得到最大输出电压(522 mW),对应的平均功率为1.8μW。图5-59(a)是旋转线栅时太赫兹强度透过的变化;图5-59(b)是通过示波器记录的太赫兹典型信号。
图5-59 不同频率下的太赫兹输出电压
上面讨论了通过温度调谐的高重频内腔OPO差频太赫兹源,下面介绍一下利用角度调谐的高重频内腔OPO差频太赫兹源。基于补偿走离结构的内腔OPO差频太赫兹源如图5-60所示,通过角度调谐可实现双波长的调谐。KTP晶体的切角为θ=51.18°,φ=0°。
图5-60 基于补偿走离结构的内腔OPO差频太赫兹源
2μm双波长KTP OPO输出特性和去掉OPO基波的输出特性如图5 61所示,KTP晶体的切角为θ=51.18°,φ=0°。
图5-61 KTP OPO的输出特性和去掉OPO基波的输出特性
图5-62展示了KTP OPO的角度调谐特性,对称地将KTP晶体的内相位匹配角从50.98°调整到51.69°,双波长激光的调谐范围覆盖2 088~2 171 nm,可以提供0~5.5 THz的频率间隔,与文献[35]有关数据相比有很大的提升。
图5-62 KTP OPO的角度调谐特性
经过差频后得到不同频率下的太赫兹输出电压如图5-63所示。在1.54 THz时得到最大输出电压(352 mW),对应的平均功率为1.2μW。
图5-63 不同频率下的太赫兹输出电压
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