高功率、高效率的小型可调谐太赫兹光源

 作者：Gail Overton

如果要将太赫兹（THz）辐射用于生物医学成像、国家安全、天文学以及工业检测等领域中，就需要实用的THz光源。THz光源粗略的定义为辐射波长在30微米到1毫米之间的光源，它可以穿透到器官组织的内部而不会像X射线那样造成损伤，也能够将有机组织与不断变化的水成份区分开来。

通过采用多种方法，人们在开发THz光源方面取得了很大进展，圣安德鲁斯大学物理与天文学院的一个研究小组演示了一个小型的、在室温下工作的THz光源，其调谐范围为1.2到3.05THz（对应于100到250微米的波长），与之前的技术相比，此光源所需的泵浦能量减小了10倍多，而THz脉冲能量却提高了25倍。1这一THz光源采用非共线相位匹配的光参量产生技术研制而成，能够产生1W的峰值功率和5nJ的脉冲能量。

该THz辐射产生技术采用了一种新颖的泵浦光与空闲光交叉作用的腔结构，使非线性介质位于泵浦激光腔的内部，并受到循环的腔内电磁场的控制。由于在最佳输出耦合条件下，内部电磁场强度比外部电磁场强度高一个数量级以上，因此不需要使用高能量的泵浦激光。实际上，采用这一技术实现的峰值功率为1W的THz辐射源所使用的泵浦激光的能量仅为1.3mJ，相比之下，利用其他的光参量产生技术所需的典型泵浦能量值在20mJ以上。

在该实验装置中，准连续二极管激光器（QCW LD）工作在钕（Nd）的激发波长808nm附近，用它泵浦由间距为37cm的两个反射镜组成的谐振腔（见图）。腔内的其他光学元件保证激光器以调Q的方式工作，以获得所需的峰值功率。激光增益介质为Nd:YAG晶体。空闲光或光学参量振荡器（OPO）的谐振腔由反射镜M3、M4以及非线性晶体组成，腔长为13cm。根据结构设计，OPO腔可以相对于泵浦激光腔的轴线旋转，以便于调节空闲光腔的轴线相对于泵浦激光的角度，这样可以在非线性晶体内有效地产生可调谐太赫兹辐射。 
 
 
 
为了产生宽调谐范围、高效率的THz辐射源，
利用一个工作在808nm附近的二极管激光器
泵浦由相距37cm的两个反射镜M1和M2所构
成的谐振腔。反射镜M1对于1064nm光波的
反射率大于98%，而对于808nm光波高度透
射，反射镜M2对于1064nm光波的反射率为
90%。激光增益介质（LG）、1/4波片（QW）
、电光Q开关（QS）和偏振片（POL）保证
了泵浦激光器以调Q的方式工作。非线性晶
体（NL）置于反射镜M3和M4之间，形成了
光学参量振荡器（OPO）谐振腔，THz辐射
即从此腔中产生。

采用这种非共线相位匹配结构，产生的太赫兹辐射以30°的角度入射至5x50mm非线性晶体的侧面，该非线性晶体的横截面为边长5mm的正方形，长为50mm。因为这个角度超过了晶体的全内反射角11°，采用由硅构成的棱柱形输出耦合结构将晶体－硅分界面的全内反射角提高到38°，从而使太赫兹辐射能够从晶体中出射。

尽管没有测量太赫兹光束的空间分布，但据估计光束在远场为高斯分布并且接近衍射极限。

“我们认为我们已经研制出基于光参量产生技术的多功能小型可调谐太赫兹辐射源”，该研究小组的负责人Malcolm Dunn说。“我们非常渴望与其他研究小组合作研究相关应用。为此，我们已经与国家安全和医疗领域的一些潜在用户进行了接触，并期望展开进一步的合作。”

参考文献：
T.J. Edwards et al., Optics Exp. 14(4) 1582 (Feb. 20, 2006).