基于2μm激光差频的紧凑高重频THz源

摘 要：我们利用1064nm声光调Q的Nd：YVO4激光器作为泵浦源，泵浦一对分开放置，具有走离补偿作用的KTP晶体，在内腔结构下实现双谐振，从而得到2μm附近的双波长激光输出。两块KTP晶体的切割角度同为51.5°，采用Ⅱ类相位匹配，在调Q频率为24kHz的条件下，得到的脉冲宽度为4.6ns。利用GaSe晶体进行差频，实现了0.595THz—3.865THz的太赫兹波输出，在1.854THz处达到最大输出功率为153.6mV。

关键词：太赫兹；OPO；差频

中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0043-03

Abstract：In this paper，we use the Nd：YVO4 laser with 1064nm sound and light Q-switching as the pump source. We pump a pair of separate KTP crystals with the function of departure compensation，and realize double resonance under the inner cavity structure，thus the output of double wavelength laser near 2 μm is obtained. The cutting angles of the two KTP crystals are 51.5 degrees，and the pulse width is 4.6 ns when the Q-switching frequency is 24 kHz. The terahertz wave output of 0.595 THz-3.865 THz is realized by using GaSe crystal for frequency difference. The maximum output power is 153.6 mV at 1.854 THz.

Keywords：Terahertz；OPO；differential frequency

0 引 言

太赫兹波（Terahertz或THz）是频率介于0.1THz到10THz（1THz=1012Hz）范围内的特殊波段，其波长范围在3μm-3mm之内，是处于中红外波和电磁微波之间的远红外波段，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空隙区”。太赫兹波段是电磁光谱中唯一一个没有获得全面研究并很好加以利用的最后一个波谱空间，也是人类尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。随着对材料工业研究的不断深入，以及新的材料科学技术的不断更新，更高功率、更高转换效率的太赫兹发射源也层出不穷。这使得太赫兹技术不断受到重视，目前，太赫兹波技术应用的领域包括：生物医学、安全检查、工业无损检查、空间物理和天文学、环境监控、化学分析、军事和通信领域等。

1 太赫兹源技术及其发展状况

随着太赫兹技术应用越来越广泛，太赫兹辐射的相关技术如太赫兹辐射源、传输、探测也逐渐成为光电子学领域最热门的研究内容之一。太赫兹（THz）辐射具有以下重要特征：（1）相干性；（2）低能性；（3）穿透性；（4）吸收性；（5）瞬态性；（6）宽带性。其中，太赫兹源一直是太赫兹领域最重要组成部分。目前太赫兹源的产生过程中主要专注以下几个问题：易携带，输出连续，输出功率高，带宽窄以及能够实现太赫兹全波段可调谐等。

根据太赫兹辐射产生的机理，可以将太赫兹辐射源视为光子学和电子学两大类。光子学方法分为：（1）基于远红外光泵浦产生THz辐射；（2）利用超短激光脉冲产生THz辐射；（3）利用非线性频率变换过程产生THz辐射（如差频等）。电子学方法分为：（1）THz量子级连激光器；（2）利用自由电子的THz辐射源。

能够实现0.1THz-10THz全波段可调谐的方法只有自由电子激光器和光学差频两种方法。自由电子激光器虽然可以实现高功率的THz波输出，但这种设备十分庞大，使用和维护费用昂贵，只能局限在实验室应用。非线性光学差频是获取高功率、可调谐、便携式、易维护、室温运转THz波的唯一途径。在目前多数差频晶体损伤阈值有限的情况下，提高量子效率是提高产生THz波功率的一条重要途径。利用2μm激光代替1μm激光作为泵浦光，理论上往THz频率转换的量子效率可以提高1倍。目前实现2μm双波长激光最简单的方法就是利用1.06μm的Nd：YAG激光器泵浦参量振荡器实现。相比于皮秒运转的光学参量振荡器，纳秒条件下所使用的装置更为简便，结构更加紧凑，所需成本更低，有利于实现小型化。

由于现在差频太赫兹源使用的双波长输入大多数是由Nd：YAG激光器与光学参量振荡器实现的。因此，光学参量振荡器也是构成差频太赫兹源的重要组成部分。非线性光学差频是获取高功率、可调谐、便携式、易维护、室温运转THz波的唯一途径。在目前多数差频晶体损伤阈值有限的情况下，提高量子效率是提高产生THz波功率的一条重要途径。

2 光学参量振荡与差频基本原理

2.1 光学参量振荡（OPO）

光学参量振荡（OPO）同差频、倍频、和频等一样，都属于非线性频率变换技术的一种。类似于无线电中的外差调谐技术，利用晶体二极管或者三极管的非线性特性产生差频、倍频、和频等，光学参量振荡是利用非线性激光介质达到频率转换的目的。

如果将参量放大介质放入一个谐振腔内（提供反馈），当增益大于损耗时，就会形成参量振荡输出。在参量振荡过程开始需要提供一个信号光来形成放大直至振荡，对于脉冲方式工作的参量振荡器，为避免信号不够稳定，可以注入一个连续的信号光来提高输出参量振荡信号的稳定性。

由于谐振腔可以对信号光和闲频光同时产生共振，也可以对其中一个频率共振，所以光学参量振荡器可以分为两大类：双共振光学参量振荡器（DRO）和单共振光学参量振荡器（SRO）。两种工作方式的区别在于：双共振方式，容易起振，阈值较低，但缺点在于频率不稳定，易受到外界的振动和温度涨落的影响。单共振方式，其阈值会是双共振的几十到一百倍，单共振通常需要脉冲激光泵浦源。

2.2 差频过程理论

差频产生太赫兹主要通过波长比较接近的抽运光和信号光在非线性晶体中差频获得相干的太赫兹波输出，它具备没有阈值、可实现宽的可调谐输出、设备相对简单紧凑并可实现全固化等优点。

3 调谐输出的理论条件

参量振荡器则是由非线性介质中泵浦光与参量光之间的能量转换提供的，它也要满足激光的阈值条件。光参量振荡中信号光与空闲光获得的增益来自于泵浦光与这两束光在非线性晶体中的耦合作用，当增益超过信号光和空闲光在谐振腔内往返一周的损耗时，参量振荡得以产生。当增益达到阈值时，信号光与空闲光在腔内往返一周数值保持不变。

光学参量振荡器额的最大特点是其输出频率可以在一定范围内连续改变，不同的非线性介质和不同的泵浦源，可以得到不同的调谐范围。

当泵浦光频率ωp固定时，参量振荡器的振荡频率应同时满足频率和相位匹配条件，并满足动量守恒（方向匹配）。

可以看出，信号光与空闲光的频率依赖于泵浦光的折射率。改变泵浦光折射率np，使ωs和ωi作相应变化，以满足相位匹配条件。改变np的方法，是通过改变泵浦光与非线性晶体之间的夹角（角度调谐）或改变晶体的温度（温度调谐）等实现的。在晶体中，一般来说折射率与频率、晶体取向、晶体中的电场、以及温度有关。根据倍频过程，双轴晶体相位匹配原理是指晶体中的基频光的相速度等于二次谐波的相速度，当基频光通过晶体时，在传播方向激发的倍频极化场因具有相同的相位而互相加强，从而达到相位匹配的目的。该过程满足能量与动量的守恒定律。

4 2μm双波长OPO差频产生THz的实验研究

4.1 实验装置

为了获得高的转换效率、高光束质量和可接受的腔内影响等级，并且获得紧凑结构，以及实现高重频太赫兹输出。在本次实验中，我们所采用声光调Q的Nd：YVO4泵浦Ⅱ类相位匹配KTP OPO输出，以及GaSe晶体作为差频晶体。Nd：YVO4泵浦组件采用30W的808nm半导体激光器端面泵浦模块，耦合到输出透镜上。端泵模块经耦合透镜后的输出功率，在电流一定的时候，随温度的升高而降低；当温度一定的时候，输出功率随电流的升高而升高。

4.2 声光调Q Nd：YVO4激光器的输出特性

在最开始的时候，我们需要得到具有高的光束质量和高输出功率的1064nm激光。所以，实验首先需要对808nm半导体激光器端面泵浦的声光调Q的Nd：YVO4激光器进行调试。

能量转换效率逐渐升高，最开始输入能量未能达到激光器阈值，使得初始2μm输出能量极低。同时，声光调Q的频率影响输出光的功率，在加入声光调Q时，输出功率明显小于之前不加声光调Q时的输出功率。这是由于随着泵浦电流的增大，腔内功率密度过高，每个泵浦周期内的反转粒子数积累阶段声光Q开关无法完全关断腔内的激光振荡，导致调Q脉冲的输出能量增加不明显，使得转换效率下降，但实现了输出的高重频。声光调Q Nd：YVO4激光器输出的1064nm光，在不同的调Q频率下的激光输出功率并不相同，为了得到最大的功率输出，我们决定采用24kHz调Q频率下1064nm输出光作为KTP OPO的泵浦光。

4.3 2μm KTP OPO的输出特性

在实验开始时，我们用两块对称放置的KTP晶体代替一块KTP晶体进行实验，采用走离补偿的放置方法，其他装置都不变，尽管实验得到的曲线比单块KTP晶体要更为平滑，但是将两块KTP晶体紧贴在一起仍不能很好的实现频率调谐，双谐振不能实现可调谐的输出。输出功率随着泵浦功率的增加而增加，在泵浦功率达到一定程度的时候，双谐振的输出功率不会再继续增加，然而它并不是一直稳定在这个固定值，如果再继续增加泵浦功率，输出功率又会继续增加，因此得到的“泵浦功率-输出功率”的曲线是并不是平滑上升的曲线。

为了得到更简便、易操作的2μm双波长KTP OPO可调谐方法，我们决定将两块KTP晶体分开放置在OPO腔内，通过改变两块KTP晶体晶轴与光线的夹角来实现角度可调谐。实验过程：将1064nm光经过M2镜直接入射到切割角为51.5°的KTP晶体对上，光轴对称放置的两块晶体产生走离补偿效应，减少腔内光的损失，在OPO腔内信号光和闲频光实现双谐振，调节声光调Q频率，在24kHz达到最佳，输出波长为2191nm和2068nm的输出光。由角度调谐理论曲线可知，随着θ由52°到50.98°逐渐减小并趋近50.98°的时候，光波长会产生变化，当斜入射到晶体上时会发生折射，导致Δθ并不等于θ的改变量Δθ’，根据折射率公式（当n空=1时）：

随着θ的减小，信号光和闲频光的输出波长差值减小，也就是说逐渐接近简并光输出。我们将切割角为51.5°的KTP晶体变换角度，逐渐改变到θ=51.5°，过程中采样测量双波长的输出功率和波长，最后分别得到2191nm和2068nm的光。

根据计算可知，KTP OPO的实验结果与理论预期的走势基本一致。其简并点为50.98°，输出光为单波长。理论上输出功率高，但由于随着晶体光轴与谐振腔的中心轴线的夹角逐渐变小，有效非线性系数减小、走离角增大、腔损耗增加，导致双谐振的阈值增加，稳定腔的结构被破坏，输出功率减小。

4.4 GaSe晶体差频产生太赫兹输出特性

实验中，我们采用GaSe的oee差频，长波长的光与输出的THz波均为e光。为了提高功率密度，可以在基频光模块加入小孔光阑实现聚焦。在调节GaSe晶体时，调节面为xz面。在调节时，利用热辐测量计测量输出的THz波。与轴的夹角随THz频率的升高而增大。我们利用激光功率计测量输出能量。

为了能够测量太赫兹波的输出特性，我们在实验装置右侧部分加入光学斩波器。实验中侧太赫兹波的叫Bolometer辐射热测量计，工作在4.2K的温度条件下。斩波器是为了将我们之前的高重频斩成合适的频率，满足探测器的响应，因为Bolometer不能够响应24kHz的高重频。光学斩波器是将连续光调制成为有固定频率的光，同时输出调制频率的器材。利用光学斩波器，我们将原输出光展宽。

5 分析与总结

在本次实验中，我们首先采用808nm半导体激光器作为泵浦源，Nd：YVO4晶体作为增益介质，在声光调Q频率为24kHz的条件下，得到脉冲宽度24ns波长为1064nm的激光输出。之后我们又将两块切割角度同为51.5°的KTP晶体对称放置在激光腔内，构成了内腔式的光学参量振荡器，采用Ⅱ类相位匹配，在调Q频率为24kHz的条件下，实现了脉冲宽度12ns，2μm附近的双波长输出。通过对称改变KTP晶体的相位匹配角，在52°-50.98°的调谐范围内，实现了双波长2191nm、2068nm到单波长2129nm的双波长调谐输出。采用基于KTP晶体分开放置的内腔式OPO，不仅仅是为了满足走离补偿效应，增加了晶体接收角，允许发散角更大的激光参与泵浦。而且，最主要的是实现了角度的调谐。采用GaSe晶体作为差频晶体，实现了基于2μm激光差频的紧凑高重频THz源，THz调谐范围在0.595THz—3.865THz。

但是，实验本身还存在许多改进之处，主要包含以下几点：首先，没有对实验中光学参量振荡器的腔结构进行很好的设计，影响到了激光器的效率与稳定性，导致在角度改变的过程中，腔的稳定性被破坏，振荡阈值增高，使得双波长的输出功率在角度调谐过程中下降；其次，实验中采用的KTP晶体具有走离效应，虽然对称放置了两块切割角度相同的KTP晶体用来实现走离效应的补偿，但实际过程中两块晶体之间并没有完全结合在一起，具有缝隙，会造成一定的偏离，因此不能够很好的消除走离效应，也影响到了激光器的效率。同时没有预先对GaSe晶体的走离角，允许发散角的理论特性加以计算。

参考文献：

[1] 赵琳琳.光纤参量放大器增益性能的研究 [D].北京：北京邮电大学，2014.

[2] 凌铭.半导体侧面泵浦Nd：YAP蓝光激光器研究 [D].长春：长春理工大学，2009.

[3] 张丽梦.多波长宽带可调谐飞秒激光参量振荡器的研究 [D].天津：天津大学，2014.

[4] 冯瑜，王进祖，余吟山，等.一种脉冲宽调谐BBO光参量振荡器的实验研究 [J].量子电子学报，2004，21（4）：444-447.

[5] 王与烨.KTP晶体电光效应及非线性光学频率变换技术的研究 [D].天津：天津大学，2006.

[6] 耿优福.太赫兹波的差频产生及低损耗传输波导的研究 [D].天津：天津大学，2009.

作者简介：王皓（1995.01-），男，汉族，河南武陟人，信息系统运检维修工，本科。研究方向：信息系统深化应用。