[发明专利]大能量太赫兹脉冲产生方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于大能量光学太赫兹辐射技术，具体涉及一种基于光整流产生太赫兹辐射和光学相干合成的方法及其装置。

背景技术

太赫兹(THz)辐射通常指的是从0.1～10THz的电磁波，其波段在微波和远红外之间。在电磁光谱上，THz波段两侧的红外和微波辐射技术已经非常成熟，但是THz技术却和邻近波段上的这些成熟技术很不相称。从太赫兹频谱特点来看，相对于微波毫米波而言，太赫兹波具有频率高波长短的特点，可使电子设备具有较大通信带宽、较高分辨率，并能实现小型化与轻量化；而相对于光波而言，太赫兹波具有较高穿透性，能够提升电子设备在烟尘等恶劣环境下的工作能力，太赫兹波的光子能量较低，能够用于对生物活体组织进行无损检查等。对THz波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲THz技术产生以后。近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，THz技术表现出了极大的应用潜力。开发THz波技术将对宽带通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器、天文学、无标记基因检查、细胞成像、无损检测、生化物检查、粮食选种，菌种优选等多领域的技术发展带来深远影响。

THz在上述领域具有非常广阔的应用前景，但是至今THz技术终究没有大规模走出实验室，进入人类的生产生活，主要原因是由于在高于100GHz的频率上，传输元件和介质的损耗急剧增大，无线电接收装置的灵敏度降低，有效产生振荡的困难程度增加，对工作仪器和微波传输系统元件的制造精度要求提高，从而使得THz波在发射、传播和探测等方面还有一些关键问题没有得到圆满解决，这些问题阻碍了这种有价值的技术走向实际应用，所以在这些领域的每一项突破性研究成果都会将THz技术的转化推进一大步。而追根朔源，THz技术的龙头牵引力量依旧是THz波源技术，大能量辐射技术的缺乏严重阻碍了各种相关研究的进一步深入，有必要集中力量解决THz波产生的关键问题。

根据产生方法不同，太赫兹源主要分为基于电子学方法的太赫兹源和基于光子学方法的太赫兹源两类。电子学方法主要是将微波毫米波上变频至太赫兹波，主要器件有倍频器、返波管(BWO)、耿氏振荡器(Gunn Oscillator)、量子级联激光器(QCL)、自由电子激光器(FEL)以及利用储存环加速器来产生高亮度THz辐射等。然而由于受到工艺及一些核心器件本身的限制，基于电子学方法产生的太赫波的频率往往小于1THz。光子学方法主要是将可见光或红外线下变频至太赫兹波，主要有光整流(Optical Rectification)、光差频(DFG)、光泵浦(Opical pumping)、光电导(Photoconductive、光参量、Cherenkov辐射效应、空气等离子体中的四波混频等方法。基于光子学方法产生太赫兹波具有较好的方向性和相干性，并且频率范围能够覆盖整个太赫兹波段。光学差频THz源由于结构紧凑、调谐范围广、室温稳定运转的优点使其成为最有希望得到广泛应用的技术之一，但多数光子学方法存在产生的太赫兹脉冲能量较低，目前在实验中产生的最高单脉冲能量为125μJ。因此，进一步提高产生的太赫兹脉冲的能量使其达到mJ级是太赫兹科学技术发展的关键。

发明内容

为了解决现有光学方法产生太赫兹脉冲的能量低的问题，本发明提出了利用同源脉冲泵浦非线性晶体通过光整流产生太赫兹脉冲的大能量太赫兹脉冲产生方法和装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种大能量太赫兹脉冲产生方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将一束高能量的飞秒脉冲均匀的分成两束或多束，各束飞秒脉冲具有相同的重复频率和相同的载波包络相位差；

2)将两个或多个具有相同的重复频率和相同的载波包络相位差的飞秒脉冲束分别入射到参数完全相同的同源脉冲泵浦非线性晶体中，各飞秒脉冲束分别在晶体中进行光整流产生对应的太赫兹脉冲；

3)调节时间延迟及太赫兹脉冲的传播方向，使所产生的两束或多束太赫兹脉冲能够相干合成从而产生大能量太赫兹脉冲。

在步骤2)之后还包括滤除剩余飞秒脉冲的步骤。

一种大能量太赫兹脉冲产生装置，其特殊之处在于：包括钛宝石飞秒激光器、光分束单元、整流单元、合成单元、探测器，

所述光分束单元包括多个具有一定透反比的反射镜，其中第一个反射镜设置在钛宝石飞秒激光器的输出光路上，第二个反射镜设置在第一反射镜的反射光路上，其余反射镜依次设置在前一反射镜的透射光路上；

所述整流单元包括设置在反射镜输出光路上的与反射镜一一对应的同源脉冲泵浦非线性晶体；