论全固态波参量振荡改进设计

早在20世纪60年代,人们就开始关注与电磁耦子相关的光学参量技术产生可调谐相干远红外辐射的研究.1963年,LoudonR.[1]通过理论计算证明,可以利用晶格和分子本身的共振频率实现THz波的参量震荡和放大.20世纪70年代初,斯坦福大学的YarboroughJ.M.[2]和JohnsonB.C.[3]等人利用调Q红宝石激光器作为泵浦源,在室温下激发LiNbO3晶体参与受激电磁耦子散射过程的A1晶格振动模(振动频率ωT0=248cm-1),产生的THz波在0?42~6THz和1?5~4?5THz范围内调谐,并在泵浦峰值功率为1MW和6MW的情况下,得到THz波的峰值功率高达3W和5W.1976年,由于亚毫米分子气体激光器的出现就再也没有关于该研究方向的报道.直到1996年,日本理化学研究所(RIKEN)的ShikataJ.[4]等人以前人工作为基础,又将此项技术进一步发展和创新,首次研制成功基于LiNbO3晶体的受激电磁耦子散射特性、室温运转、宽带可调谐的全固态THz波参量振荡器.近年来,使用调QNd:YAG脉冲[5]和飞秒超短脉冲激光器[6]作为泵源实现相干THz波辐射,但较少关注皮秒脉冲激光器作为泵源实现相干THz波辐射.而全固态皮秒激光器具有线宽窄与飞秒激光器、重复频率高与调QNd:YAG脉冲激光器的特点,紧凑的蝴蝶型腔结构能够有效降低TPO振荡阈值和压缩泵浦皮秒脉冲谱宽.随着非线性晶体生长技术和加工工艺的提高及全固态皮秒激光技术的完善和成熟,基于极性晶体晶格振动模受激电磁耦子散射过程的THz波参量振荡,逐渐成为一种非常有效的THz波辐射源.它具有体积小、结构紧凑、调谐简单、可室温运转、非线性转换效率高等特点.因此,这种成熟可靠、性能优良的相干可调谐THz波辐射源广泛应用于高精细THz频谱[7]、THz多谱成像[8]等科学研究和实际应用领域.本文作者以全固态Nd:YAG皮秒锁模激光器的基频光作为泵浦源,泵浦基于MgO:LN晶体构成的TPO.Stokes光能够在蝴蝶型外腔谐振,其功率随着泵浦光功率的提高而增强.通过转动MgO:LN晶体放置的高精度平移台,改变相位匹配角,实现THz波调谐输出.采取优化设计晶体掺杂浓度、耦合输出方式、最佳晶体长度和晶体内的聚焦光斑及提高THz波转化效率等措施,实现了全固态皮秒THz波参量振荡器的高性能运转.

1实验装置全固态皮秒THz波参量振荡器结构示意图,如图1所示.以全固态Nd:YAG皮秒锁模激光器输出波长1064nm、脉宽10ps、重复频率80MHz、平均功率最大值8W的激光脉冲作为泵浦源.由平平镜M1(HT@1064nm,HR@1065~1078nm)、M2(HR@1064~1078nm)和平凹镜M3(HR@1064~1078nm,R=500mm)、M4(HR@1064~1078nm,R=500mm)构成蝴蝶型腔,其中M3、M4用来改变泵浦光在晶体内的聚焦光斑大小,从而提高THz波的转化效率.腔长为1?87m,使泵浦光在腔内往返一次的时间等于泵浦光脉冲间隔.产生的THz波大约在与腔轴成65°方向耦合输出,后面放置THz波聚焦镜,提高THz波功率密度,更好地响应探测系统的灵敏度.

2振荡器的优化设计

2?1MgO:LN晶体参数的选择及设计晶体的优化设计主要包括以下几个方面开展:①掺杂浓度;②耦合方式;③晶体最佳长度.1)掺杂MgO的LN晶体较未掺杂LN晶体,具有高的光损伤阈值和高的非线性转换效率,而且掺杂可以使拉曼散射截面增加和声子模损耗减小,所以用MgO:LN晶体代替LN晶体构成的TPO,其输出功率比未掺杂的LN晶体构成的TPO高出5倍[9].MgO:LN的与LN的色散曲线基本相同,因此由它们构成TPO的调谐特性和THz波的输出范围基本相同.已有相关文献报道[9-10],通过试用多种浓度掺杂的MgO:LN,发现由掺杂浓度为5%molMgO:LN晶体构成的TPO具有最大的THz波输出功率和调谐范围.2)在MgO:LN晶体中,三波相互作用的效率比较高,但是晶体在THz波段具有较大的吸收系数和较大的折射率,所产生的THz波大部分是被晶体吸收或全部被反射回晶体内部.为了提高THz波输出耦合效率和方向性,我们主要采用以下3种耦合方法:①切角耦合(AngledSurfaceCoupler)[10],即在晶体输出端切下一角,使产生的THz波以基本平行于该切角平面法线的方向输出,其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈-0?017(deg/μm).②光栅耦合(GratingCoupler)[11],即在晶体侧面刻光栅的方法,来增加THz波耦合效率.但由于光栅耦合的色散特性及非共线相位匹配自身的特点,THz波输出辐射角在40余度到80余度之间变化,方向性较差[12],其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈0?65(deg/μm),且该耦合方法要求很高的光栅刻画技术,受国内加工条件的限制,晶体加工很难实现.③棱镜耦合(PrismCoupler)[5],即晶体输出端压接高电导率硅棱镜作为THz波的输出耦合器,高电导率硅棱镜在THz波段具有较大折射率、低色散、吸收系数小等特性,从而有效消除THz波光束在全部波长调谐范围内的方向偏移,其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈-0?00018(deg/μm).但该技术要求很高的压接技术,而且高电导率硅棱镜会导致THz波的损耗增大,使探测的难度加大.考虑辐射发散角、晶体加工及实验探测条件,我们最终选择晶体输出端切角耦合法.3)由于晶体自身的吸收和色散特性,设计晶体长度是实验成败的关键要素.我们采用龙格-库塔法求解三波耦合方程[13],数值计算THz波的输出功率密度与晶体长度的关系见图2.在晶体长度35mm以下,THz波输出功率随晶体长度的增加而线性增加,但当晶体长度超过38mm,THz波输出功率出现饱和效应,故晶体的最佳长度是35mm.以下是数值模拟所采用的参数:THz波频率ωT=1THz,有效非线性系数deff=5?3pm/V[14],泵浦光功率密度IP(max)=20MW/cm2,Stokes光功率密度IS(max)=1MW/cm2,泵浦光波长λP=1064nm,Stoke光波长λS=1067nm,泵浦光折射率ne(λP)=2?1474,Stokes光折射率ne(λS)=2?1472,THz波折射率ne(ωT)=5?1,晶体在THz波段的吸收系数αT=0?61cm-1,THz波波长λT=200μm[9,15],ε0为真空介电常数,c为真空中的光速.

2?2MgO:LN晶体内的聚焦光斑在泵浦光平均功率一定的条件下,MgO:LN晶体内的聚焦光斑直接影响到泵浦光峰值功率密度,改变THz波转化效率,是设计蝴蝶型腔的重要参数,也是筛选市售晶体关于损伤阈值的重要指标.1)最佳聚焦光斑的设计是依据Boyd-Klein-man[16]第5节差频条件下的聚焦函数关系:ωoptimal=λTHzL/2πξne(ωT),THz波波长λT=200μm,其中聚焦参数ξ=L/bcp=2,对应bcp最佳聚焦因子、晶体长度L=35mm(由2?1节计算给出).MgO:LN晶体内的聚焦光斑直径大约是ωoptimal=Δ360μm.对应最佳聚焦光斑半径,利用ABCD矩阵,得到蝴蝶型腔中光学元器件及腔内光斑半径的分布,如图3所示.2)当泵浦光脉冲宽度为10ps和10ns量级时,MgO:LN晶体的损伤阈值分别为0?8GW/cm2[17]和25MW/cm2[17],前面计算得到的最佳光斑直径ωoptimal=370μm,结合泵浦源输出脉冲激光的参数,计算可得损伤阈值的极大值为27MW/cm2,低于市售MgO:LN的标定损伤阈值.

2?3THz波转化效率在实验过程中,是通过旋转晶体放置的高精度平移台实现角度相位匹配,但在非理想匹 配条件下,ps-TPOs中的THz波增益依然存在,其中失配函数的形式sin2(ΔkL/2),对应相位失配量Δκ=κP-κS-κT.由于泵浦光和Stokes光波长相近,泵浦光和Stokes光的吸收系数相抵消,故吸收系数变化量Δα=|αP-αS-αT|=|αT|,中远红外参量振荡器差频产生THz波峰值功率公式修正为[18]式中:PP和PS分别是泵浦光、Stokes光的峰值功率;r是晶体内的聚焦光斑半径;T1,T2和T3是菲涅尔透射系数T1,2,3=4nP,S,T/(nP,S,T+1)2.考虑产生Stokes光的峰值功率(蝴蝶型腔内振荡),THz波转化效率定义为η=PTHz/PPPS,由式(1)可得到由式(1)和式(2)可知,MgO:LN晶体内的聚焦光斑与THz转化关系如图4所示.为优化THz波的转化效率,首先可通过调节平凹镜M3、M4的位置,从而改变晶体能的聚焦光斑尺寸,但是要考虑到晶体损伤阈值的限制;其次,提高泵浦光的平均功率,在光斑半径一定的条件下,相当于同时提高泵浦光和Stokes光的峰值功率密度,由式(2)可以得到,THz波的转化效率与泵浦光和Stokes光的峰值功率密度成正比.

3结语

对全固态皮秒THz波参量振荡器的优化设计进行深入研究.通过采取设计新型的外腔泵浦结构,优化设计晶体掺杂浓度、耦合输出方式、最佳晶体长度和晶体内的聚焦光斑,提高THz波转化效率等措施,全固态皮秒THz波参量振荡器完全可以实现高性能运转.感谢旷天忠,郭松涛等同学给予本文有益的讨论.