在微腔中产生可调谐太赫兹波的装置的制作方法

本实用新型涉及太赫兹波差频和中红外激光领域，具体涉及一种在微腔中通过腔相位匹配技术差频产生高效率可调谐太赫兹波的装置。

背景技术：

太赫兹波(Terahertz-wave,THz波)是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，相应的波长为0.03mm～3mm，位于电磁波谱中微波和红外波之间。其在物理、化学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及宽带通信、医学成像、环境监测、药物检测和安全检查等应用研究领域均有巨大的研究价值和广阔的应用前景。

THz波辐射产生的方法主要有电子学方法和光子学方法。目前，电子学方法的转换效率都很低，而且体积庞大，造价和运行成本都很高，对运行的环境要求高。利用非线性光学差频产生THz波方法凭借其能产生宽范围连续可调谐、相干窄带的THz波等优点，逐渐为科研工作者所青睐。

非线性光学差频技术中一个关键的问题在于如何实现相位匹配。传统的双折射相位匹配存在材料特性限制，且不能应用晶体的最大非线性系数和晶体的通光范围等缺点。准相位匹配也存在周期性反转非线性晶体制作工艺复杂，排列结构较大等缺点。因此一种在制作工艺、结构上更加简单小巧的相位匹配技术逐渐进入人们的视野，即腔相位匹配(CPM)技术。CPM 的原理是利用法布里-帕罗微腔对激光的全反射引入额外的π相位来实现相位匹配的，这与准相位匹配利用非线性系数反转来实现π相位的转换非常相似，不同之处在与腔相位匹配只改变了波的传播方向而没有改变晶体的非线性系数。但在目前人们的研究范围内，主要是针对泵浦光正入射到法布里-帕罗微腔中实现光参量震荡放大等一些问题展开讨论。在这些讨论中，泵浦光通常都是单程增益，即使是双程增益，对于泵浦光的利用率也是极其低下，这也是在目前的腔相位匹配中非线性转换效率低下一个非常重要的原因，如果能够提高对泵浦光的利用率，那么腔相位匹配技术将比准相位匹配技术拥有更大的优势。

技术实现要素：

本实用新型为克服背景技术中存在的问题，提供了一种CO₂激光从微腔的边缘进入腔中进行差频，再对整个微腔进行定点旋转引起入射光偏转角度的改变，使得腔相位匹配的周期发生改变来实现可调谐太赫兹波的产生，从而克服准相位匹配以及目前腔相位匹配中的缺点。

本实用新型采用以下技术方案实现上述目的。一种在微腔中产生可调谐太赫兹波的装置，包括可调谐CO₂激光器放电腔，所述可调谐CO₂激光器放电腔的左侧并列设置有两个腔外光栅，腔外光栅和可调谐CO₂激光器放电腔构成可调谐双波长输出激光器，在可调谐CO₂激光器放电腔的右侧设置有全反射镜和布儒斯特窗，且全反射镜和布儒斯特窗分别与腔外光栅对应；在布儒斯特窗的外侧依次设置有微腔和接收窗口，所述微腔的下方设置有定点旋转装置，定点旋转装置的一端设置有定点；可调谐双波长输出激光器产生两束泵浦光，其中一束泵浦光经过全反射镜反射至布儒斯特窗并与另一束泵浦光共线射至微腔，形成太赫兹波射至接收窗口。

进一步，所述泵浦光的波长范围为9um～11um。

上述对该微腔进行定点旋转的定点位于泵浦光在微腔中的入射点，与传统的角度相位匹配中通过改变角度来满足不同波长其折射率之间的相位匹配条件不同，在这里入射泵浦光偏转角度的连续变化实际上是连续改变了腔相位匹配过程中的周期，从而达到产生可调谐太赫兹的目的，与角度相位匹配调谐技术有本质的区别。

本实用新型中微腔的设置对CO₂激光的利用率非常高，调谐范围广，非线性转换效率显著增加；通过简单的对微腔整体进行定点旋转即可实现太赫兹波的可调谐输出；在微腔定点旋转的情况下，由于泵浦光的入射方向一直是水平方向，因此所产生的太赫兹波也是固定水平输出，如此便对产生的太赫兹波进行探测带来了便利；整个系统制作简单且结构简单小巧方便，容易集成，可室温下运转，是未来太赫兹辐射源发展的一种趋势。

附图说明

图1是本实用新型实施例的实现装置示意图；

图2是本实用新型实施例泵浦光λp、λs在某一偏转角度时的微腔结构和光路示意图；

图3是本实用新型实施例基于腔长和一束泵浦光(λp)波长固定，入射光偏转角度在 0-90°范围内与产生的太赫兹波长的关系示意图。

图中：1、2.腔外光栅，3.可调谐CO₂激光器放电腔，4.全反射镜，5.布儒斯特窗，6. 微腔，7.定点，8.旋转装置，9.接收窗口。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详述。参见图1至图3，一种在微腔6中产生可调谐太赫兹波的装置，包括可调谐CO₂激光器放电腔3，所述可调谐CO₂激光器放电腔 3的左侧并列设置有腔外光栅1、2，腔外光栅1、2和可调谐CO₂激光器放电腔3构成可调谐双波长输出激光器10，在可调谐CO₂激光器放电腔3的右侧设置有全反射镜4和布儒斯特窗5，且全反射镜4和布儒斯特窗5分别与腔外光栅1、2对应；在布儒斯特窗5的外侧依次设置有微腔6和接收窗口9，所述微腔6的下方设置有定点旋转装置8，定点旋转装置8的一端设置有定点7；可调谐双波长输出激光器10产生二束泵浦光λp、λs，其中一束泵浦光λs经过全反射镜4反射至布儒斯特窗5并与另一束泵浦光λp共线射至微腔6，形成太赫兹波射至接收窗口9。所述泵浦光λp、λs的波长范围为9um～11um。

本实用新型在微腔6中产生可调谐太赫兹波的方法，其步骤如下：

1)利用可调谐双波长输出激光器10，产生两束可调谐的泵浦光λp、λs；

2)使两束泵浦光λp、λs的传播方向水平共线；

3)微腔6的边缘放置在激光束的光路上；所述微腔6的两壁在泵浦光λp、λs频段均为高反，反射率高达99％，左壁在太赫兹频段为高反，反射率高达99％，右壁在太赫兹频段为高透射，两壁之间是各向同性的非线性晶体，晶体的长度与入射泵浦光λp、λs偏转角度θ余弦的比值满足腔相位匹配条件。所述入射泵浦光λp、λs的偏转角度θ是指激光的传播方向与微腔边缘的夹角(参见图2，泵浦光λp、λs在某一偏转角度时的光路示意图)。所述非线性晶体包括GaP、InP、CdTe和ZnGeP2晶体。

4)通过对所述微腔6进行定点旋转引起入射泵浦光λp、λs的偏转角度发生变化，从而改变腔相位匹配的周期，实现太赫兹波的可调谐输出。

本实用新型是基于两束不同波长的泵浦光λp、λs水平入射到定点旋转的微腔6中，根据腔相位匹配的条件，由微腔6的定点旋转导致入射泵浦光λp、λs偏转角度的变化来引起腔相位匹配周期的变化，从而产生可调谐太赫兹波。在此过程中，两束波长接近的泵浦光λp、λs和太赫兹波同时满足能量守恒条件和腔相位匹配条件，腔相位匹配是指在微腔中三波耦合传播到相位失配为π的时候，利用微腔两壁对泵浦光的全反射，引入了额外的π相位来补偿相位失配，使得在整个微腔长度L范围内实现非线性光学转换效率持续增加。这个过程与准相位匹配的过程十分相似，不同之处在于腔相位匹配不需要改变非线性晶体的非线性光学系数的符号而是改变波的传播方向。在腔相位匹配中微腔6的结构如图1所示，L是微腔6 的长度。本实施例采用一阶腔相位匹配，该微腔中的非线性晶体为GaP晶体(适用于其它非线性晶体InP、CdTe和ZnGeP2等)。微腔6的长度根据能量守恒定律如公式(1)和腔相位匹配条件如公式(2)决定：

ΔK＝k_p-k_s-k_T； (3)

其中：λp，λs为波长接近的两束泵浦光，λ_T为生成光THz波的波长,k_p、k_s、k_T分别是泵浦光、信号光和THz波的波矢，(x＝p,s,T),θ是偏转角度，如图1所示。在对微腔6进行定点旋转时会引起入射光偏转角度的变化，而偏转角度的改变将引起腔相位匹配周期的变化，在一道泵浦光(λp或λs)和腔长L确定的情况下，根据式(1)和(2) 便可实现可调谐太赫兹波的输出。

实施例：

如图1所示，利用一台可调谐双波长输出激光器10产生泵浦光λp、λs，腔外光栅1、 2产生两束可调谐波长范围在9um到11um的泵浦光，通过改变腔外光栅1、2的角度可以改变泵浦光λp、λs的波长。泵浦光λp、λs经过可调谐CO₂激光器放电腔3进行功率放大。泵浦光λs经全反射镜4反射至布儒斯特窗5，布儒斯特窗5使泵浦光λp透射，透射率大于90％，使泵浦光λs反射，反射率大于90％，最终两束泵浦光λp、λs在方向水平共线，与微腔6边缘的初始位置持平。定点7(如图1所示)，在微腔6中的是各向同性非线性晶体，如GaP晶体(也适用于其他各向同性的非线性晶体)，通过旋转装置8引起入射泵浦光λp、λs的偏转角度发生变化，从而改变腔相位匹配的周期，根据式(1)和(2)便可以实现太赫兹波的可调谐输出，是太赫兹波的接收窗口9。该实施例具有转换效率高，结构简单小巧，制作方便，室温下运转等显著特点。

图3为在该实施例的情况下，泵浦光λp＝9.4731um(9P10支线)，微腔的腔长L＝500um，通过改变泵浦光λs的波长时，入射泵浦光λp、λs的偏转角度与产生的太赫兹波长的理论调谐曲线图。从图3中可以看出，入射光的偏转角度在0°到90°的范围内连续变化时，产生的太赫兹波长随着入射泵浦光λp、λs偏转角度的增大而增大。