一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法，包括如下步骤：将三束泵浦光脉冲共同作用于三阶非线性介质，使介质中产生振荡频率在太赫兹频率范围的三阶非线性极化，从而产生太赫兹光脉冲光源。当入射的两束泵浦光脉冲的瞬时频率差为介质的拉曼共振频率时，利用介质的拉曼共振跃迁，增强四波混频过程的三阶非线性极化率。本发明专利技术利用介质的拉曼共振跃迁来增强四波混频过程中的三阶非线性极化率；当入射的两束泵浦光脉冲的瞬时频率差等于介质的拉曼共振频率时，四波混频过程的效率得到显著提升。本发明专利技术可以产生高强度的相干太赫兹脉冲，其优点在于输出中心频率可以在0.1至30太赫兹波段连续可调、输出光谱带宽可调。宽可调。宽可调。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法


[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法。

技术介绍

[0002]太赫兹脉冲光源在光学研究中有非常重要的应用。太赫兹辐射在电磁波谱上处于红外光和微波之间，覆盖0.1至30太赫兹频率范围。由于较低的光子能量，在这一波段的电磁辐射可以非破坏性地探测一般的材料。同时，许多材料中元激发的本征能量也在这一频率范围内，比如声子、分子间振动、分子转动等。相干太赫兹光脉冲，具有峰值电场强度高和脉冲时间宽度窄的特点。因此，相干太赫兹光脉冲可以用于多领域的前沿科学研究，例如凝聚态体系动力学、高次谐波产生、带电粒子的加速和操控、物质的相干调控等。由于具体问题所需要的相干太赫兹脉冲的中心频率和光谱线宽有所不同，发展一种可靠的、具有高强度的、可以在整个太赫兹波段调谐的相干太赫兹脉冲光源受到了广泛的关注。
[0003]高强度可调谐的相干太赫兹脉冲产生在技术上一直是相对困难的。目前，市场上并没有可以覆盖整个太赫兹频谱范围的该类产品。现有的相干太赫兹光脉冲产生方法包括：二阶非线性晶体中的差频产生(difference frequency generation)或光学整流(optical rectification)、光电导开关(photoconductive antenna)中的超快电流辐射、气体等离子体、自由电子激光、太赫兹量子级联激光等。二阶非线性晶体受限于晶体本身的吸收，无法高效地产生5
‑
15THz波段的辐射。光电导开关同样也无法覆盖到这一波段。气体等离子体产生的太赫兹脉冲可以覆盖0.1
‑
30THz，但不具备中心频率和光谱宽度的可调谐性，且输出中含有非相干成分。自由电子激光属于大型科学装置，建造和使用成本极高，无法实现产品化。太赫兹量子级联激光器的光谱线宽过窄，这限制了其在脉冲输出模式下的脉冲时间宽度和峰值的光强。综上所述，目前已有的方法都不能在0.1
‑
30THz范围内实现连续可调谐的、高强度的太赫兹脉冲产生。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供了
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法，包括如下步骤：将三束泵浦光脉冲共同作用于三阶非线性介质，使介质中产生振荡频率在太赫兹频率范围的三阶非线性极化，从而产生太赫兹光脉冲光源。
[0007]优选地，当入射的两束泵浦光脉冲的瞬时频率差为介质的拉曼共振频率时，利用介质的拉曼共振跃迁，增强四波混频过程的三阶非线性极化率。
[0008]进一步地，所述相干太赫兹辐射光源的强度公式为
[0009][0010]其中，η是由T1、T2决定的四波混频共振激发的归一化效率，a是由介质拉曼散射截面和介质内分子的密度定义的稳态跃迁常数，ω
v
是介质的拉曼共振频率，1/Γ是介质拉曼跃迁的失相时间。
[0011]进一步地，当ω1‑
ω2＝ω
v
时，第1和第2束光与介质的拉曼跃迁共振，此时所产生的太赫兹光频率ω4＝ω3‑
ω
v
。
[0012]优选地，对用于激发介质拉曼共振的两束脉冲光施加调制，使其在时间上呈线性啁啾并且脉冲宽度T1和T2接近对应拉曼跃迁的失相时间(1/Γ)。
[0013]优选地，对于具有正常色散的三阶非线性介质三束入射脉冲光需要以非共线形式入射，以满足非线性过程的相位匹配条件Δk＝0，其几何关系由介质的折射率和实际选择的入射光波长决定。
[0014]有益效果：
[0015](1)宽谱太赫兹可调谐范围：本专利技术可以用在0.1
‑
30THz波段透明并具有拉曼共振的三阶非线性介质实现；固定激发拉曼共振的两束光(i＝1、2)的频率，连续改变第三束光的频率ω3，即可使输出光频率ω4在太赫兹波段连续调谐。
[0016](2)光谱带宽可调谐：可通过改变第三束光脉冲的谱宽度来改变输出太赫兹的光谱宽度。
[0017](3)高转换效率：在本专利技术的一种实现中，第三束光脉冲向太赫兹光的能量转换效率达到0.26％。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的四波混频过程中的能级跃迁情况以及相位匹配条件。
[0019]图2为本专利技术的实现太赫兹脉冲光源产生装置的结构示意图。
[0020]图3为入射中红外中心波长为5微米时，入射中红外脉冲光和出射太赫兹的光谱。
[0021]图4为不同的入射中红外中心频率(ω3)对应的输出太赫兹中心频率(ω4)。
[0022]图5为当入射的中红外中心波长为6微米时，不同的入射中红外光谱宽度对应的输出太赫兹光谱宽度。
[0023]图6为当改变激发介质拉曼共振的两束光的脉冲宽度(T1和T2)时，四波混频共振激发效率η的变化。
具体实施方式
[0024]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0025]实施例1
[0026]本实施例以在金刚石晶体中为例，选用的三阶非线性介质为金刚石单晶，其拉曼共振频率ω
v
＝2π
×
40THz，对应1332波数(cm
‑1)。用于激发该拉曼共振的两束近红外脉冲光的中心频率差应等于ω
v
。
[0027]两束近红外脉冲光由一台可调谐光参量放大器产生。
[0028]该光参量放大器由一台掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器泵浦，中心波长为800纳米。
[0029]可知，当光参量放大器输出的信号光(signal)波长为1.45微米(ω1＝2π
×
206THz)时，闲频光(idler)的中心波长应为1.8微米(ω2＝2π
×
166THz)。
[0030]此时满足拉曼共振条件ω1‑
ω2＝ω
v
。
[0031]由于所用的光参量放大器输出的脉冲宽度为50飞秒，远小于金刚石中拉曼共振的失相时间1/Γ＝3.7皮秒。
[0032]因此，让两束近红外脉冲光分别通过了不同长度的硒化锌玻璃柱，使其分别获得等量的正啁啾。当信号光和闲频光在硒化锌玻璃内的总光程分别为50毫米和67毫米时，两束脉冲光获得的啁啾率一致，脉冲宽度(T1和T2)均为1.3皮秒。
[0033]在确定上述参数之后，为满足相位匹配条件，如图1(b)所示，两束近红外脉冲光分别聚焦并且以非共线的方式入射到金刚石晶体中，如图2所示。此时，两束近红外脉冲光的偏振方向相同；两束近红外脉冲光的聚焦光斑大小和脉冲能量要使峰值光强小于金刚石的损伤阈值。在其中一束脉冲光的光路上，有一由电动线性位移台控制的光学延迟线(延迟线1)，使两束近红外脉冲光在时间上重合。其中，两束频率有一定差别的近红外脉冲光(ω1，ω2)通过拉曼跃迁在金刚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法，其特征在于包括如下步骤：将三束泵浦光脉冲共同作用于三阶非线性介质，使介质中产生振荡频率在太赫兹频率范围的三阶非线性极化，从而产生太赫兹光脉冲光源。2.根据权利要求1所述的一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法，其特征在于：当入射的两束泵浦光脉冲的瞬时频率差为介质的拉曼共振频率时，利用介质的拉曼共振跃迁，增强四波混频过程的三阶非线性极化率。3.根据权利要求1所述的一种基于共振四波混频产生相干太赫兹脉冲的方法，其特征在于：所述相干太赫兹辐射光源的强度公式为其中，η是由T1、T2决定的四波混频共振激发的归一化效率，a是由介质拉曼散射截面和介质内分子的密度定义的稳态跃迁常数，ω
v
是介质的拉曼共振频率，1/Γ是介质拉曼跃迁的失相时间。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：田传山，苏雨聃，乐嘉明，沈元壤，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：