李忠洋 邴丕彬 徐德剛 曹小龍 姚建銓

1)(華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院,鄭州 450011)

2)(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,激光與光電子研究所,天津 300072)

1 引言

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1-10 THz的電磁波,其波段介于毫米波和紅外波之間.THz波在與物質(zhì)相互作用時(shí)包含了豐富的物理和化學(xué)信息,因此THz波在物理、化學(xué)、光譜學(xué)、生命科學(xué)和天文學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,以及醫(yī)學(xué)成像、材料檢測、環(huán)境監(jiān)測、射電天文、衛(wèi)星通信和軍用雷達(dá)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有重大的科學(xué)研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1-8].基于THz波參量振蕩器(TPO)產(chǎn)生的THz波輻射源具有可調(diào)諧、相干、線寬窄、結(jié)構(gòu)緊湊、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn),近十年來得到了國內(nèi)外廣泛的重視[9-16].但從TPO的基本原理以及已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,由近紅外的抽運(yùn)光(約為1μm)抽運(yùn)摻氧化鎂鈮酸鋰(MgO:LiNbO3)晶體產(chǎn)生THz輻射,能量轉(zhuǎn)換效率低于0.01%[17-19].提高THz波轉(zhuǎn)換效率是THz輻射得以應(yīng)用的關(guān)鍵.

光學(xué)參量效應(yīng)產(chǎn)生THz波輻射的原理是:功率足夠強(qiáng)的抽運(yùn)光與晶體中同時(shí)具有紅外活性和拉曼活性的晶格振動模耦合,激發(fā)出Stokes光子和電磁耦子,在電磁耦子色散曲線上小波矢處的受激電磁耦子散射就是THz波輻射.從THz波參量效應(yīng)基本原理可以看出,提高THz波能量轉(zhuǎn)換效率主要有以下幾種方法:1)提高抽運(yùn)光強(qiáng)度;2)使用波長更長的抽運(yùn)光;3)降低增益介質(zhì)對THz波的吸收.但這幾種方法也各有不足:抽運(yùn)光強(qiáng)度過高很容易損傷晶體,所以不能無限制地增加抽運(yùn)光功率;中紅外(3-10μm)抽運(yùn)光雖然能增大THz波能量轉(zhuǎn)換效率,但是中紅外抽運(yùn)光功率密度難以達(dá)到TPO閾值;由于MgO:LiNbO3晶體對THz波的吸收系數(shù)很大,1.5 THz處THz波吸收系數(shù)高達(dá)45 cm-1,THz波在MgO:LiNbO3晶體中傳輸0.5 mm能量損失91%[17].為了從實(shí)質(zhì)上提高TPO產(chǎn)生THz波的轉(zhuǎn)換效率,本文將探索一種新的THz波參量機(jī)理--THz波級聯(lián)參量效應(yīng).

2 THz波級聯(lián)參量效應(yīng)原理

級聯(lián)參量振蕩的原理是:抽運(yùn)光在周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體中參量振蕩產(chǎn)生一階信號光和一階閑頻光,此一階信號光經(jīng)過諧振腔放大再次抽運(yùn)PPLN晶體產(chǎn)生二階信號光和二階閑頻光,此二階閑頻光的頻率處在THz波段.由于一階和二階信號光波長相近,通過合理設(shè)計(jì)諧振腔參數(shù),可以同時(shí)滿足二者振蕩放大.經(jīng)過放大的二階信號光又一次抽運(yùn)PPLN晶體產(chǎn)生三階信號光和三階閑頻光,此三階閑頻光的頻率也處在THz波段.同理,三階信號光可以產(chǎn)生更高階的THz輻射.若此過程一直延續(xù)下去,一個(gè)抽運(yùn)光子可以產(chǎn)生多個(gè)THz光子,突破Manley-Rowe條件的限制,從而大大提高THz波的量子轉(zhuǎn)換效率.

級聯(lián)參量效應(yīng)原理如圖1所示.抽運(yùn)光λp在PPLN晶體中滿足前向參量過程,產(chǎn)生一階信號光和一階閑頻光,如圖1(a)所示.此過程滿足能量守恒條件和動量守恒條件:

諧振腔中振蕩放大的一階信號光抽運(yùn)PPLN晶體產(chǎn)生二階信號光和二階閑頻光,此二階閑頻光的頻率在THz波段.此過程可以同時(shí)滿足兩種相位匹配方式,前向參量過程滿足相位匹配條件:

后向參量過程滿足相位匹配條件:

諧振腔中振蕩放大的二階信號光再一次抽運(yùn)PPLN晶體,可以產(chǎn)生三階信號光和三階閑頻光,此三階閑頻光頻率也在THz波段.若此過程可以一直持續(xù)下去,從而一個(gè)抽運(yùn)光子會產(chǎn)生多個(gè)THz波光子.

圖1 級聯(lián)參量效應(yīng)示意圖

3 PPLN晶體級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生頻率調(diào)諧THz波的理論分析

3.1 一階參量效應(yīng)

基于光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生THz輻射的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以通過改變相位匹配條件得到頻率連續(xù)調(diào)諧輸出的THz波.由(1)和(2)式可知,改變抽運(yùn)波長,以及改變PPLN晶體極化周期、工作溫度等參數(shù)可以改變相位匹配條件,進(jìn)而可以得到頻率調(diào)諧輸出的一階信號光.圖2表示室溫下一階信號光和一階閑頻光的波長與抽運(yùn)波長之間的變化關(guān)系,假設(shè)極化周期Λ=30μm.室溫下MgO:LiNbO3晶體在紅外波段和THz波段的折射率參考已報(bào)道的數(shù)據(jù)[20,21].抽運(yùn)波長λp從1-1.96μm連續(xù)地調(diào)諧,可以得到一階信號光的波長范圍為1.5-3.85μm,一階閑頻光波長范圍為2.12-4.73μm.在一階參量振蕩過程中,不但得到了頻率調(diào)諧的一階信號光,而且得到了寬調(diào)諧的一階閑頻光,即中紅外輻射.頻率調(diào)諧的一階信號光可以得到頻率調(diào)諧輸出的THz波輻射.

圖3表示室溫下一階信號光和一階閑頻光的波長與PPLN晶體極化周期之間的關(guān)系,假設(shè)λp=1064 nm.極化周期Λ從20-32.6μm連續(xù)地調(diào)諧,可以得到一階信號光的波長范圍為1.26-2.13μm,一階閑頻光波長范圍為2.13-6.78μm.一階信號光和一階閑頻光的波長對PPLN晶體極化周期的變化比較敏感,所以可以通過改變極化周期來得到調(diào)諧輸出的一階信號光和一階閑頻光.

圖2 室溫下一階信號光和一階閑頻光的波長與抽運(yùn)波長之間的關(guān)系,Λ=30μm

圖3 室溫下一階信號光和一階閑頻光的波長與PPLN晶體極化周期Λ之間的關(guān)系,λp=1064 nm

圖4 一階信號光和一階閑頻光的波長與PPLN晶體工作溫度之間的關(guān)系,λp=1064 nm,Λ=31.6μm

改變PPLN晶體的工作溫度可以改變抽運(yùn)光、各階信號光和各階閑頻光的折射率,從而改變相位匹配條件以得到頻率調(diào)諧輸出的光輻射.圖4表示一階信號光和一階閑頻光的波長與PPLN晶體工作溫度之間的關(guān)系,λp=1064 nm,Λ=31.6μm.晶體溫度范圍為40-177.3?C,得到一階信號光的波長為1.69-2.13μm,對應(yīng)一階閑頻光波長為2.13-2.87μm.

3.2 二階參量效應(yīng)

由(3)和(4)式可知,改變一階信號光波長,以及改變PPLN晶體極化周期、工作溫度等參數(shù)可以改變相位匹配條件,進(jìn)而可以得到頻率調(diào)諧輸出的二階閑頻光,也就是THz輻射.圖5表示室溫下當(dāng)PPLN晶體極化周期Λ=20μm時(shí)THz波頻率與一階信號光波長之間的關(guān)系.當(dāng)一階信號光波長范圍在1-2μm變化時(shí),后向級聯(lián)參量效應(yīng)得到的THz波頻率范圍在2.056-2.067 THz,前向級聯(lián)參量效應(yīng)得到的THz波頻率范圍在4.268-4.478THz.THz波的頻率調(diào)諧幅度很小,所以在PPLN極化周期固定不變的情況下,通過改變一階信號光的波長并不能得到寬調(diào)諧輸出的THz波.

圖5 室溫下THz波頻率與一階信號光波長之間的關(guān)系,Λ=20μm

圖6表示室溫下THz波頻率與PPLN晶體極化周期Λ之間的關(guān)系,λs1=1.55μm.極化周期變化范圍為10-80μm,得到后向參量過程產(chǎn)生的THz波頻率范圍為0.52-3.80 THz,前向參量過程產(chǎn)生的THz波頻率范圍為1.30-6.17 THz.在一階信號光波長固定時(shí),THz波頻率對PPLN晶體極化周期變化較敏感,通過二階前向和后向參量過程,可以得到范圍在0.52-6.17 THz的寬調(diào)諧THz波輸出.

圖6 室溫下THz波頻率與PPLN晶體極化周期Λ之間的關(guān)系,λs1=1.55μm

圖7表示THz波頻率與PPLN晶體工作溫度之間的關(guān)系,λs1=1.55μm,Λ=30μm.晶體溫度范圍為40-170?C,得到后向參量過程產(chǎn)生的THz波頻率范圍為1.344-1.385 THz,前向參量過程產(chǎn)生的THz波頻率范圍為3.016-3.112 THz.THz波在PPLN晶體中的折射率隨溫度的變化情況參考已報(bào)道數(shù)據(jù)[22].改變工作溫度對THz波頻率調(diào)諧影響很微小.但值得注意的是,在PPLN晶體中受激散射產(chǎn)生THz波的過程中,溫度的改變會影響晶格振動線寬.溫度降低會導(dǎo)致晶格振動線寬變窄[23],THz波的增益系數(shù)變大.而且隨著振動線寬的變窄,PPLN晶體對THz波的吸收系數(shù)變小,所以PPLN晶體應(yīng)工作在較低溫度下以得到高功率的THz波輻射.

圖7 THz波頻率與PPLN晶體溫度之間的關(guān)系,λs1=1.55μm,Λ=30μm

4 PPLN晶體級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生THz波的增益分析

PPLN晶體中利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)可以有效地增大抽運(yùn)光、信號光、閑頻光之間的相互作用,從而提高THz波的轉(zhuǎn)換效率.根據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)推導(dǎo)出的非共線相位匹配條件下THz波在MgO:LiNbO3晶體中的增益和吸收表達(dá)式[24],推導(dǎo)了二階參量振蕩過程中,三波共線振蕩產(chǎn)生THz波的增益和吸收表達(dá)式:

其中g(shù)0為低損耗極限情況下的參量增益,αT為THz波在頻率ωT處的吸收系數(shù),ns1,ns2,nT分別為二階參量過程中一階信號光、二階信號光和THz波的折射率,Is1為一階信號光抽運(yùn)功率密度,=16πd33與二階非線性參量過程有關(guān),

圖8 THz波增益系數(shù)和吸收系數(shù)與THz波頻率之間的關(guān)系,λs1=1.55μm,抽運(yùn)功率密度Is1分別為200,400,800 MW/cm2

5 PPLN晶體級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生THz波的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述分析,PPLN晶體對THz波的吸收系數(shù)很大,所以采用淺表垂直輸出方式耦合輸出THz波,可以極大減少PPLN晶體對THz波的吸收,從而可以有效提高THz波輸出功率.PPLN晶體可以滿足抽運(yùn)光、信號光和閑頻光三者共線振蕩,有效增大三者間的相互作用體積,從而提高光學(xué)轉(zhuǎn)換效率.級聯(lián)參量振蕩可以有效重復(fù)利用抽運(yùn)光子,從而提高THz波量子轉(zhuǎn)換效率.基于以上分析,設(shè)計(jì)了PPLN晶體級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生THz波的實(shí)驗(yàn),如圖9所示.抽運(yùn)源采用分布反饋摻鐿光纖激光器,功率為20 mW,波長為1064 nm,線寬小于100 kHz[25,26],經(jīng)過MOPA系統(tǒng)放大可以輸出15 W功率.抽運(yùn)光經(jīng)過非球面鏡準(zhǔn)直,經(jīng)過光學(xué)隔離器,聚焦到PPLN晶體中心,聚焦點(diǎn)尺寸為100μm.諧振腔有兩片凹透鏡M1,M2和兩片平面鏡M3,M4組成.所有腔鏡對信號光鍍?nèi)茨?M1和M2對抽運(yùn)光高透.抽運(yùn)光在PPLN-1晶體中參量振蕩產(chǎn)生一階信號光和一階閑頻光,一階信號光在諧振腔中振蕩放大,在PPLN-2晶體中經(jīng)前向和后向參量過程產(chǎn)生二階信號光和THz輻射.諧振腔中拋物面鏡中心鉆一個(gè)直徑在1 mm的小孔,允許各階信號光通過,THz波經(jīng)拋物面鏡反射耦合輸出.由于THz波的孔徑比各階信號光大,所以經(jīng)過小孔THz波能量不會損失很大.THz波的功率經(jīng)過斬波器后可以通過GOLAY CELL探測器測得.腔鏡M4可以換成對各階信號光5%透過率的鏡子,用以測量各階信號光的頻率,進(jìn)而可以通過能量守恒原理計(jì)算出THz波的頻率.改變PPLN晶體的溫度和極化周期可以得到頻率調(diào)諧輸出的THz輻射.本實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)高效率、寬調(diào)諧、窄線寬、小型化、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)、連續(xù)THz輻射源,滿足其在高分辨率光譜學(xué)、傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程通信等領(lǐng)域的應(yīng)用.

圖9 級聯(lián)參量振蕩實(shí)驗(yàn)示意圖

6 結(jié)論

本文提出了級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生THz波的新機(jī)理.以PPLN晶體為例,分析了抽運(yùn)光波長、PPLN晶體極化周期和工作溫度對產(chǎn)生一階、二階閑頻光頻率的影響.室溫下當(dāng)λp=1064 nm時(shí),極化周期Λ從20-32.6μm連續(xù)地調(diào)諧,可以得到范圍為2.13-6.78μm寬調(diào)諧中紅外輻射.在一階信號光波長λs1=1.55μm時(shí),極化周期的范圍為10-80μm,通過二階前向和后向參量過程,可以得到范圍在0.52-6.17 THz的寬調(diào)諧THz輻射.推導(dǎo)了三波共線相互作用情況下THz波的增益特性和吸收特性.基于分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了以單頻連續(xù)全光纖激光器作為抽運(yùn)源,在PPLN晶體中級聯(lián)參量振蕩產(chǎn)生高效率、寬調(diào)諧、窄線寬、小型化、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)、連續(xù)THz輻射源的實(shí)驗(yàn).

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