基于相干双波长脉冲陶瓷微片激光器的小型化高效率全固态太赫兹辐射源研究

太赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，在物理、化学、天文、材料、生物医药、国防安检和信息科学等领域具有重大的科研价值和广阔的应用前景。研制小型化、高功率、大能量、高效率且能在室温下稳定运转的实用化太赫兹源，是THz科学研究的焦点和迫切需要解决的关键问题。综合以往工作基础，本申请书首次提出"采用陶瓷微片激光器由同一谐振腔产生时序同步双波长种子源，结合MOPA光纤放大技术产生高功率脉冲，激励非线性差频晶体产生高效率太赫兹波"的创新性研究方案，开展激光材料、原理方案、关键技术等方面的基础研究，从中提炼出系列具有深刻学术意义的物理问题，如激光陶瓷双波长辐射机理、双脉冲激光时序同步机制、非线性晶体差频效应等，进一步发展相关光束的时间、空间和频谱控制技术，形成了基础性研究、高技术研发与实用化应用的有机结合。有望为研制小型化、高效率、高功率、全固态实用化太赫兹源展开有益探索。

太赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz 范围内的电磁辐射，在物理、化学、天文、材料、生物医药、国防安检和信息科学等领域具有重大的科研价值和广阔的应用前景。研制小型化、可调谐、高功率、大能量、高效率且能在室温下稳定运转的实用化太赫兹源，是THz 科学研究的焦点和迫切需要解决的关键问题。针对上述明确的应用需求，本项目创新性地提出由采用全固态激光介质“由同一谐振器产生时序同步的高相干性双波长种子信号”的研究方案，开展激光材料、原理方案、关键技术等方面的基础研究。区别于双谐振腔分别产生一个波长的信号，再将两个波长的光合束进行差频的方案，共腔方案从原理上保证了振荡器产生的双波长激光天然的具有完全相干性和时序同步性，不仅能够有效提高差频效率，而且极大的简化了系统的复杂性，为研制小型化可便携的实用化THz源进行了有益探索。.根据研究目标，一方面我们建立了非线性晶体差频的相位匹配模型，计算了不同晶体在1微米波段的相位匹配参数；另一方面以理论指导实验，开展实用化双波长种子源的开发。最初，我们提出“采用陶瓷微片激光器由同一谐振腔产生时序同步双波长种子源”的实施方案。由于方案所需的高质量陶瓷激光介质的获得具有难度，且陶瓷激光器产生的双波长是由Nd离子在陶瓷基质中从4F3/2能级向4I11/2能级跃迁过程中的频率分裂产生，波长固定，不具备可调谐性。维持由同一谐振腔共腔振荡产生双波长种子激光的宗旨不变，结合项目组的科研优势和方案可行性，我们对年度计划作了如下调整：由同一段光纤刻写双波长光纤光栅，并共腔振荡实现双波长激光输出技术方案。调整理由如下：光纤激光振荡器结构简单，体积小巧，技术成熟，便于方案实施；温度控制调节光纤光栅波长的技术相对成熟，可以通过这一技术手段实现THz波的调谐。这一方案的难点在于满足非线性晶体差频要求的双波长的波长差只有几个nm，而波长差仅为几个nm的光纤光栅的刻写由于技术难度大还未见相关报道。为此我们进行了一年多的研发，终于成功完成了高质量的双波长光纤光栅对的研制。随后，我们采用这组光栅构建光纤激光种子源，共腔实现了窄线宽保偏双波长激光输出，并结合缠绕限模技术和温度控制技术实现了双波长激光的谱强度调制和波长调谐。最后，我们搭建了级联光纤放大系统将上述种子源激光放大到100W量级。为后续的差频实验奠定了良好基础。