一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置论文和设计-陈付志

全文摘要

本实用新型实施例提供了一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，主要包括两个波长相近且相互锁相的窄线宽半导体DFB光纤激光器和内置非线性晶体的谐振腔，两个光纤激光器输出的两束种子激光合束后，经过隔离器进入光纤放大器进行放大，放大后的激光束整形输出后，再由偏振调节器调节输出的激光的空间偏振态，输出的激光注入谐振腔中，通过参量振荡将激光频率转换至太赫兹波段，产生的太赫兹激光由太赫兹波输出镜收集并由谐振腔内反射输出。本实用新型太赫兹源通过使用光纤激光器，减小了器件的体积，可极大地缩小整个装置尺寸，结构简单，设计方便，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。

主设计要求

1.一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，包括第一光纤激光器（1-1）、第二光纤激光器（1-2）和谐振腔（7），其特征在于，所述第一光纤激光器（1-1）与所述第二光纤激光器（1-2）锁相，二激光器均为窄线宽半导体DFB激光器，保偏尾纤输出，输出激光的差频为太赫兹波段；所述谐振腔（7）包括前腔镜（7-1）和后腔镜（7-2），还包括设置于所述谐振腔（7）光轴中的非线性晶体（7-3）和太赫兹波输出镜（7-4）；所述太赫兹生成装置还包括光纤合束器（2）、隔离器（3）、保偏光纤放大器（4）、耦合输出镜（5）和偏振调节器（6），其中：所述第一光纤激光器（1-1）和所述第二光纤激光器（1-2）输出的两束种子激光经所述光纤合束器（2）合束，合束后的激光束再经过所述隔离器（3）进入所述保偏光纤放大器（4）进行放大，放大后的激光束经所述耦合输出镜（5）整形输出，再由所述偏振调节器（6）调节输出的激光的空间偏振态，使偏振态满足所述非线性晶体准相位匹配的条件，输出的激光由所述前腔镜（7-1）注入所述谐振腔（7）中，在所述谐振腔（7）中通过参量振荡将激光频率转换至太赫兹波段，产生的太赫兹激光传播方向与激光振荡相同，太赫兹激光由所述太赫兹波输出镜（7-4）收集并反射出所述谐振腔（7）。

设计方案

1.一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，包括第一光纤激光器（1-1）、第二光纤激光器（1-2）和谐振腔（7），其特征在于，所述第一光纤激光器（1-1）与所述第二光纤激光器（1-2）锁相，二激光器均为窄线宽半导体DFB激光器，保偏尾纤输出，输出激光的差频为太赫兹波段；所述谐振腔（7）包括前腔镜（7-1）和后腔镜（7-2），还包括设置于所述谐振腔（7）光轴中的非线性晶体（7-3）和太赫兹波输出镜（7-4）；所述太赫兹生成装置还包括光纤合束器（2）、隔离器（3）、保偏光纤放大器（4）、耦合输出镜（5）和偏振调节器（6），其中：

所述第一光纤激光器（1-1）和所述第二光纤激光器（1-2）输出的两束种子激光经所述光纤合束器（2）合束，合束后的激光束再经过所述隔离器（3）进入所述保偏光纤放大器（4）进行放大，放大后的激光束经所述耦合输出镜（5）整形输出，再由所述偏振调节器（6）调节输出的激光的空间偏振态，使偏振态满足所述非线性晶体准相位匹配的条件，输出的激光由所述前腔镜（7-1）注入所述谐振腔（7）中，在所述谐振腔（7）中通过参量振荡将激光频率转换至太赫兹波段，产生的太赫兹激光传播方向与激光振荡相同，太赫兹激光由所述太赫兹波输出镜（7-4）收集并反射出所述谐振腔（7）。

2.根据权利要求1所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述耦合输出镜（5）前部与光纤耦合，后部设置有整形透镜，对激光进行整形，使输出的激光的整形束腰位于所述非线性晶体（7-3）中心靠前位置。

3.根据权利要求1所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述前腔镜（7-1）和后腔镜（7-2）分别为平面镜、平凹镜和双凹镜中任一种。

4.根据权利要求1所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述前腔镜（7-1）两面镀有增透膜。

5.根据权利要求1所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述后腔镜（7-2）在所述谐振腔（7）内侧镀有反射膜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述太赫兹波输出镜（7-4）为离轴抛物面镜，其中心轴与所述谐振腔（7）光轴一致，所述离轴抛物面镜在光轴位置开有直径1~3mm的通光孔，所述离轴抛物面镜的反射面镀有反射膜。

7.根据权利要求6所述的太赫兹生成装置，其特征在于，所述离轴抛物面镜离轴角度为45°，其反射的太赫兹激光垂直所述谐振腔（7）的光轴输出。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于太赫兹技术领域，涉及一种新型的太赫兹源，特别涉及一种基于DFB激光器（Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器）的光学差频太赫兹生成装置。

背景技术

太赫兹（Terahertz, THz, 1THz=10 ^{12<\/sup>Hz）辐射一般指波长在30~3000μm，即频率在0.1~10THz范围内的电磁波，该波段辐射具有极大科学研究价值而尚未完全开发，在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域均具有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹辐射源作为未来应用的有力工具受到了广泛关注，获得高效率的太赫兹源成为太赫兹技术及其应用领域的关键。}

在各种相干太赫兹产生的电子和光学方法中，应用非线性光学差频产生（difference frequency generation, DFG）技术的二阶非线性相互作用过程可产生太赫兹辐射，因DFG具有宽度可调谐、低成本、结构紧凑、室温下稳定运转、易于实现等优良特性，逐渐为科研工作者青睐。关于非线性光学变换中非线性晶体的选择，在3-5μm波段最常用有MgO:LN和PPLN等，由于周期结构PPLN晶体成本低，其具有高增益、无走离等优点，且生长技术已十分成熟，因此广泛应用于连续及高重复的DFG红外光源系统中。在当前技术中，作为太赫兹源的太赫兹参量振荡器通常利用大能量的脉冲Nd:YAG激光器作为泵浦源，利用铌酸锂（LiNbO _{3<\/sub>）或掺氧化镁铌酸锂（MgO:LiNbO3<\/sub>）作为非线性晶体，在谐振腔内通过非共线相位匹配产生太赫兹参量振荡，并通过硅棱镜耦合或垂直晶体表面输出太赫兹波，调节入射光角度或谐振腔参数可以实现太赫兹波的调谐，相关技术内容可参考Jun-ichi Shikat等2000年发表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques的文章 Tunable<\/i>terahertz-wave parametric oscillators using LiNbO<\/i>3<\/i><\/sub>and MgO:LiNbO<\/i>3<\/i><\/sub>crystals<\/i>；为进一步降低太赫兹参量振荡器的阈值并减小装置的体积，参考T.J.Edwards等2006年发表在Optics Express的文章 Compact source of continuously and widely-tunable<\/i>terahertz radiation<\/i>，可利用PPLN作为非线性晶体，并将其置于激光谐振腔内，由激光器与参量振荡器共用谐振腔，即采用内腔泵浦方式，实现了高重复频率的太赫兹波输出。}

现有利用DFG的太赫兹生成技术中尚存在诸多缺点和不足。对于在非线性晶体中进行差频的方案，由于需要两个波长相近的激光光源，无法保证在利用固态激光器双波长运转的情况下，也能使输出波长的稳定性较高，线宽较窄，且无法从根本上实现小型化，即便是对于较为紧凑的内腔泵浦太赫兹参量振荡器，由于产生激光的晶体和实现频率变换的晶体并非一块晶体，谐振腔也并非共用，在一定程度上无法有效压缩整个装置的体积；现有的太赫兹参量振荡器相位匹配方式大多采用非共线相位匹配，但太赫兹波的输出需要采用硅棱镜耦合输出或需要设计复杂的晶体表面输出结构；同时，太赫兹参量振荡器的调谐需要改变泵浦方向或整个参量振荡器谐振腔的角度，机械结构的调整也不利于整体器件的稳定性。

综上所述，研制系统简单、可小型化且性能优良的太赫兹源已成为科研工作者亟待解决的实际问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，解决现有的采用太赫兹参量振荡器的太赫兹源结构复杂、系统难以小型化的问题，提供了一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，可有效地减小装置尺寸，利于便携应用及集成化，且具有结构简单、工作稳定等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，包括第一光纤激光器、第二光纤激光器、谐振腔、光纤合束器、隔离器、保偏光纤放大器、耦合输出镜和偏振调节器；所述第一光纤激光器与所述第二光纤激光器锁相，二激光器均为窄线宽半导体DFB激光器，保偏尾纤输出，输出激光的差频为太赫兹波段；所述谐振腔包括前腔镜和后腔镜，还包括设置于所述谐振腔光轴中的非线性晶体和太赫兹波输出镜；其中：

所述第一光纤激光器和所述第二光纤激光器输出的两束种子激光经过所述光纤合束器合束后再经过所述隔离器进入所述保偏光纤放大器进行放大，放大后的激光束经所述耦合输出镜整形输出，再由所述偏振调节器调节输出的激光的空间偏振态，使偏振态满足所述非线性晶体准相位匹配的条件，输出的激光由所述前腔镜注入所述谐振腔中，在所述谐振腔中通过参量振荡将激光频率转换至太赫兹波段，产生的太赫兹激光传播方向与激光振荡相同，太赫兹激光由所述太赫兹波输出镜收集并反射出所述谐振腔。

优选地，所述耦合输出镜前部与光纤耦合，后部设置有整形透镜，对激光进行整形，使输出的激光的整形束腰位于所述非线性晶体中心靠前位置。

优选地，所述前腔镜和后腔镜分别为平面镜、平凹镜和双凹镜中任一种。

优选地，所述前腔镜两面镀有对所述第一光纤激光器和所述第二光纤激光器出射激光波段的增透膜，所述后腔镜在所述谐振腔内侧镀有相应波段的反射膜，通常反射率为90%左右。

优选地，所述太赫兹波输出镜为离轴抛物面镜，其中心轴与所述谐振腔光轴一致，所述离轴抛物面镜在光轴位置开有直径1~3mm的通光孔，所述离轴抛物面镜的反射面镀有反射膜。进一步优选地，所述离轴抛物面镜离轴角度为45°，其反射的太赫兹激光垂直所述谐振腔的光轴输出。

本实用新型实施例上述技术方案的有益效果为：

采用两个锁相的DFB光纤激光器注入种子激光，保证了波长的稳定性，光纤激光器的使用减小了器件的体积，可极大地缩小整个装置尺寸，解决了现有技术中因太赫兹参量振荡器的泵浦激光器与参量振荡器为分立系统导致的系统复杂且无法小型化的问题；本实用新型实施例提供的太赫兹源结构简单，设计方便，可通过改变晶体工作温度调节输出波长而不改变机械结构，稳定性好，可以实现共线相位匹配，且能够根据不同配置以连续波或脉冲形式运转，在便携式及集成化的太赫兹检测或成像系统中具有重要应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置中一种保偏光纤放大器的结构示意图。

［主要元件符号说明］

1-1：第一光纤激光器；1-2：第二光纤激光器；1-3：光学锁相单元；2：光纤合束器；3：隔离器；4：保偏光纤放大器；4-1：波分复用器；4-2：光泵源；4-3：检测耦合输出器；4-4：掺杂保偏光纤；4-5：多余泵源输出镜；5：耦合输出镜；6：偏振调节器；7：谐振腔；7-1：前腔镜；7-2：后腔镜；7-3：非线性晶体；7-4：太赫兹波输出镜。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型针对现有的问题，提供一种基于DFB激光器的光学差频太赫兹生成装置，如图1所示，该太赫兹源由第一光纤激光器1-1、第二光纤激光器1-2、谐振腔7、光纤合束器2、隔离器3、保偏光纤放大器4、耦合输出镜5和偏振调节器6组成，其中，谐振腔7包括前腔镜7-1和后腔镜7-2，以及前腔镜7-1和后腔镜7-2之间光路中依次设置的非线性晶体7-3和太赫兹波输出镜7-4。

如图1所示，由第一光纤激光器1-1和与其锁相第二光纤激光器1-2输出两束种子激光，两束种子激光先经过光纤合束器2合束，再经过隔离器3进入保偏光纤放大器4进行放大，放大后的激光束经耦合输出镜5整形输出，再由偏振调节器6调节输出的激光的空间偏振态，输出的激光由前腔镜7-1注入谐振腔7中，在谐振腔7中通过参量振荡将激光频率转换至太赫兹波段，产生的太赫兹激光传播方向与激光振荡相同，太赫兹激光由太赫兹波输出镜7-4收集并反射出谐振腔7。

各组件具体设置如下：

第一光纤激光器1-1和第二光纤激光器1-2均为窄线宽半导体DFB激光器，保偏尾纤输出，选择两个光纤激光器的输出频率，保证输出激光的差频为太赫兹波段；通常常用的两个光纤激光器的中心波长为1550nm或1064nm附近波段。

第一光纤激光器1-1需要和第二光纤激光器1-2锁相以使二激光器输出的两束种子激光在合束后保持相同相位，作为一种锁相的方法，如图1所示，可使用光学锁相单元1-3，采集合束器2输出的激光为参考光，并通过电反馈连接控制第二光纤激光器1-2输出激光信号的频率，使第二光纤激光器1-2跟踪第一光纤激光器1-1的输出频率，保持两束种子激光之间恒定的频率差。

保偏光纤放大器4作为一个单独模块，用于放大输入的合束种子激光，放大器的可以为单级放大也可以为多级MOPA（主振荡功率放大，Master Oscillator Power-Amplifier）结构。作为一种具体实施方式，如图2所示，保偏光纤放大器4由波分复用器4-1、光泵源4-2、检测耦合输出器4-3、掺杂保偏光纤4-4和多余泵源输出镜4-5组成，光泵源4-2输出的泵浦光经波分复用器4-1和检测耦合输出器4-3耦合入掺杂保偏光纤4-4进行放大，再经多余泵源输出镜4-5向下一级输出，其中的掺杂粒子与两个光纤激光器中心波长相匹配；作为更佳的实施方式，还可在保偏光纤放大器4内增加Q开关，如设置AOM（Acousto-optical Modulators，声光调制器），使太赫兹源的输出脉冲太赫兹激光。

耦合输出镜5前部与光纤耦合，后部设置有整形透镜，用于对激光进行整形，使输出的激光的整形束腰位于非线性晶体7-3中心靠前位置。

偏振调节器6通常是由一个二分之一玻片和小尺寸高消光比的偏振分光棱镜组成的小型模块化器件，用于调节输出激光的空间偏振态，使输出的偏振态满足非线性晶体7-3准相位匹配的所需的偏振态。

谐振腔7由前腔镜7-1和后腔镜7-2构成；前腔镜7-1和后腔镜7-2形状没有特别限制，可分别为平面镜、平凹镜和双凹镜中任一种，其基质材料可以为K9玻璃、石英、蓝宝石、YAG、CaF_{2<\/sub>等；作为更佳的实施方式，靠近偏振调节器6的前腔镜7-1两面均镀有对第一光纤激光器1-1和第二光纤激光器1-2出射激光波段的增透膜，而后腔镜7-2朝向谐振腔7内的一侧镀有同波段的反射膜，反射率通常为90%左右；非线性晶体7-3可使用多周期PPLN晶体；太赫兹波输出镜7-4可使用离轴抛物面镜，其中心轴与谐振腔7光轴一致，离轴抛物面镜在光轴位置开有直径1~3mm的通光孔，离轴抛物面镜的反射面镀有反射面镀有铝或金材质的反射膜；作为更佳的实施方式，离轴抛物面镜离轴角度为45°，使其反射的太赫兹激光垂直谐振腔7的光轴输出。}

上述实施例通过采用波长相近的窄线宽半导体DFB光纤激光器注入种子激光，放大后作为双波长差频光源，将泵浦激光和太赫兹波的参量振荡频率变换过程结合在一起，极大地减小了传统太赫兹参量振荡器的尺寸，其结构简单，设计方便，可在不改变机械结构的前提下通过改变非线性晶体工作温度调节输出波长，同时也可通过调节DFB光纤激光器的波长实现太赫兹波长的调谐，装置稳定性良好。

作为一个实例的太赫兹源具体组件和参数设置如下：

窄线宽半导体DFB型的第一光纤激光器和第二光纤激光器中心波长分别为1528.72nm和1559.39nm，带保偏尾纤输出，功率为80mW，线宽为20MHz；经过光纤合束器和隔离器，再由MOPA型保偏光纤放大器将功率放大至连续光功率150W；谐振腔由平凹镜型的前腔镜和后腔镜组成，谐振腔腔长为120mm，腔镜凹面曲率半径为100mm，镜片基底为K9玻璃材质，靠近偏振调节器一侧的前腔镜两面镀有1528~1560nm增透膜，另一侧的后腔镜两面镀有1528~1560nm波段90%的反射膜；腔内设置的非线性晶体选用MgO:PPLN晶体，晶体尺寸为1mm×5mm×20mm，晶体两端面镀有1528~1560nm增透膜，MgO掺杂浓度为5mol%，极化周期为96μm，极化方向沿晶体z轴；经保偏光纤放大器放大后的激光由耦合输出镜整形输出，输出的激光会聚为直径320μm的光斑，入射到谐振腔内的非线性晶体上时聚焦点位于晶体内8mm处，通过偏振调节器调整激光束偏振方向使其与谐振腔内的PPLN晶体的极化方向一致，实现e+e→e的准相位的共线匹配，省去了非共线垂直表面输出带来的复杂设计；输入激光在谐振腔的作用下产生参量振荡效应，将激光频率变换到太赫兹波段，常温下产生的太赫兹波频率为1.5THz；在谐振腔光轴上布置抛物面镜，离轴角度为45°，焦距100mm，反射面镀防氧化金反射膜，中心有直径为1.5mm的通孔以保证双波长激光通过，该离轴抛物面镜收集谐振腔内的太赫兹波并将其反射至垂直谐振腔7光轴的方向，输出太赫兹激光。

对于上述的本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本实用新型的保护范围。

设计图