基于CO2激光在扇形晶体中差频产生可调谐太赫兹方案

饶志明 何志芳 周 力

(江西中医药大学，江西 南昌 330004)

太赫兹波 (Terahertz,THz)一般是指电磁波的波长从0.03mm到3mm即频率为0.1THz到10THz的范围内，是目前热门的研究领域，其频率是位于微波的频率与红外波的频率之间。根据Manley-Rowe的关系，随着输入激光的波长越长，获得的转换效率的理论最大值就会越高。如果我们利用激光波长在10微米左右的可调谐偏振的CO2激光进行差频，获得的太赫兹辐射的能量将可能提高。并且CO2激光的波长具有1000多条支线，波长从9微米到11微米，对应产生的太赫兹波长的数目很多，波长范围也很大。通常利用相位匹配技术和角度调谐技术来实现非线性光学差频，从而获得太赫兹波辐射源。目前，最常见的太赫兹辐射频率调谐方法是通过改变输入激光的传播方向和转动非线性晶体的角度来获得，该方法有其简单方便的优点。但是该种调谐方法有很明显的缺点，比如利用双折射效应实现相位匹配时，不能够有效的利用非线性晶体的最大非线性系数，导致产生的太赫兹辐射的转换效率不理想；还有为了获得短波长范围波段内的太赫兹波就需要增大两束泵浦激光的相位匹配角，这样三波相互作用的有效长度将大大的减小，不能够有效地利用非线性晶体的通光范围。

利用共线的准相位匹配技术就能够很好地解决以上两束激光相位匹配时出现的各种问题。准相位匹配技术能够很好地利用非线性晶体的最大有效长度和非线性晶体最大非线性系数，这样可以大大提高差频时产生太赫兹波辐射源的能量和转换效率。所以我们设计扇形周期性反转结构的各向同性晶体，利用两个波长输出可调谐CO2激光在该晶体中进行光学差频产生可调谐太赫兹波方案，该方案是的一种方便简单的方案。

近些年来，设计出来的一些周期性结构的反转晶体在光学领域的研究中得到越来越广泛的应用。周期性结构反转晶体可以根据不同方式分为很多种类型，比如可以按照在反转晶体周期的方向不同、反转晶体周期的形状不同和反转晶体周期的数量不同等各个方面的制作出多种类型周期性反转晶体。

按照非线性晶体周期的方向不同进行分类，可以分为水平平行的晶体结构周期、竖直平行的晶体结构周期和倾斜平行的晶体结构周期等类型。按照非线性晶体周期的形状不同分类，可以分为矩形形状的周期性晶体、扇形形状的周期性晶体、圆形形状的周期性晶体和波导形形状的周期性晶体等。按照非线性晶体的周期数量不同进行分类，可以分为单周期型结构反转晶体、多周期型结构反转晶体、混合周期型结构反转晶体和准周期结构型反转晶体等。

如果只有一个固定长度的反转结构，其通光方向的周期长度固定，我们称之为单周期结构。在各种光学混频中，如温度调节的混频中，单周期结构反转晶体应用广泛。在通光的方向的垂直方向并列极化了多个周期不同的长度的非线性晶体称为多周期型结构反转晶体。通过多个周期的周期结构晶体在准相位匹配混频过程中，输入激光是通过垂直晶面方向进行水平横向移动多周期反转晶体的位置来实现相位匹配，从而获得更大范围的波长调谐。利用温度调谐技术，再结合多周期结构反转晶体，能够获得大范围和连续的波长调谐。

混合周期结构反转晶体是指在晶体的通光方向上出现多个周期，类似于将多个周期的晶体与串联的形式粘接起来，反转晶体的厚度结构比较复杂。由于混合周期结构的反转晶体对于不同波长的激光不能够完全准相位匹配，所以相比与单周期反转晶体效率要低。准周期结构晶体的反转周期按照所需呈一定的规律排列，其排列规律是经过分析特殊设计出来的，该非线性晶体可以同时满足多个准相位匹配条件，结构较为复杂。利用一个准周期结构反转晶体能够直接实现多种波长的混频过程。

图1 扇形结构的周期反转的各向同性晶体结构示意图

本设计中利用周期性结构的扇形周期反转的各向同性晶体，比如GaAs晶体和GaP晶体。扇形周期结构的反转晶体是指该晶体的周期结构的畴壁是根据不同波长激光相位匹配的要求用扇形去排列，如图1所示。而不是像传统的单周期晶体的周期结构那样畴壁是垂直于晶体的侧面。利用这样类型的扇形周期结构晶体，只需要通过简单的平移晶体的输入面就可以去改变周期性反转晶体的周期长度，这样来实现不同波长的准相位匹配，就可以实现波长大范围的连续调谐，并不需要像单周期反转晶体那样去调节周期结构晶体温度。相比于单周期晶体的温度调谐的设计，该设计的调谐速度和操作容易程度得到了很大的提高。

结论：

本设计提出通过平行移动来变换非线性晶体扇形结构的周期长度，在可调谐的两个波长输出的CO2激光中差频产生太赫兹辐射方案，该方案在周期性反转晶体中共线差频可以产生多波段的太赫兹。该方案不仅可以克服现行技术的很多不足之处，还可以产生转换效率高的太赫兹波辐射。两束泵浦激光差频产生的太赫兹波辐射在医用物理诊断、安全部门检查、环境问题监测、药物制剂检测等各个领域显示出了非常广阔的应用前景。

[1]Rao Zhi-Ming,He Zhi-Fang,Du Jian-Qiang, “Efficient Terahertz Surfaceemitted Difference Frequency Generation in Periodically-inverted GaAs Crystals,”[J]Advanced Materials Research，2011：301-303，334-337.

[2]Zhiming Rao,Tao Wu,Yan He,Qing Ye,Keyun Xiong,Li Zhou.The scheme of Efficient Terahertz Difference Frequency Generation in two-dimensional periodical Crystals by CO2laser[J].POEM2011.SPIE.,November 2-5，2011，8330:83300Q(1-5)，Wuhan.