阅读说明：本技术 基于光激发的太赫兹激光器 (Terahertz laser based on optical excitation ) 是由 欧阳征标 黄粤龙 黄海涛 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光激发的太赫兹激光器,所述太赫兹激光器包括激发光源、光波导单元和太赫兹谐振单元,所述光波导单元一端连接所述激发光源；所述太赫兹谐振单元包括第一太赫兹反射镜、第二太赫兹反射镜、工作物质承载箱以及设置在工作物质承载箱内的工作物质,所述工作物质承载箱设置有激发光入射窗,所述光波导单元另一端接入所述激发光入射窗；所述第一太赫兹反射镜与所述第二太赫兹反射镜共轴,且所述工作物质承载箱设置在所述第一太赫兹反射镜以及所述第二太赫兹反射镜之间。调节第一太赫兹反射镜与第二太赫兹反射镜之间的距离即可以有效调节太赫兹输出激光的频率。(The invention discloses a terahertz laser based on optical excitation, which comprises an excitation light source, an optical waveguide unit and a terahertz resonance unit, wherein one end of the optical waveguide unit is connected with the excitation light source; the terahertz resonance unit comprises a first terahertz reflector, a second terahertz reflector, a working substance bearing box and a working substance arranged in the working substance bearing box, wherein the working substance bearing box is provided with an excitation light incidence window, and the other end of the optical waveguide unit is connected to the excitation light incidence window; the first terahertz reflector and the second terahertz reflector are coaxial, and the working substance bearing box is arranged between the first terahertz reflector and the second terahertz reflector. The frequency of the terahertz output laser can be effectively adjusted by adjusting the distance between the first terahertz reflector and the second terahertz reflector.)

基于光激发的太赫兹激光器

技术领域

本发明涉及太赫兹激光器领域，尤其涉及一种基于光激发的太赫兹激光器。

背景技术

太赫兹技术在通信、传感、遥感、安保、毒品检测、医疗、雷达等方面有广泛的应用，近年来受到广泛重视。现有的太赫兹光主要基于电子技术频率转换、真空技术自由电子器件、半导体技术量子级联器件和光学下转换等技术实现太赫兹激光的产生，但现有的太赫兹源都存在效率低、功率低、调节不便等问题，无法满足目前的使用需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种太赫兹激光器，其输出功率高、效率高、体积小，可以方便实现太赫兹波输出频率的调节。

为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹激光器，所述太赫兹激光器包括激发光源、光波导单元和太赫兹谐振单元，所述光波导单元一端连接所述激发光源；所述太赫兹谐振单元包括第一太赫兹反射镜、第二太赫兹反射镜、工作物质承载箱以及设置在工作物质承载箱内的工作物质，所述工作物质承载箱设置有激发光入射窗，所述光波导单元另一端接入所述激发光入射窗；所述第一太赫兹反射镜与所述第二太赫兹反射镜共轴，所述第一太赫兹反射镜以及所述第二太赫兹反射镜分别设置在所述工作物质承载箱两端。

进一步地，所述工作物质承载箱两端设置有两个太赫兹透光镜，所述工作物质位于所述工作物质承载箱内；所述两个太赫兹透光镜分别设置在所述工作物质承载箱的两端，且所述两个太赫兹透光镜分别相对所述第一太赫兹反射镜以及所述第二太赫兹反射镜设置。

进一步地，所述两个太赫兹透光镜和两个太赫兹反射镜，其中靠近第一太赫兹反射镜的太赫兹透光镜与第一太赫兹反射镜用所述第一太赫兹反射镜代替，并设置于靠近第一太赫兹反射镜的所述太赫兹透光镜位置，其中靠近第二太赫兹反射镜的太赫兹透光镜与第二太赫兹反射镜可用一个第二太赫兹反射镜代替，并设置于靠近第二太赫兹反射镜的太赫兹透光镜位置处。

进一步地，所述工作物质承载箱内位于所述激发光入射窗的对面设置有激发光反射镜；所述激发光反射镜与所述激发光入射窗的距离为激发光的波长的半整数倍；所述激发光源的激发光经过所述光波导单元从所述激发光入射窗垂直于所述第一太赫兹反射镜和第二太赫兹反射镜共轴方向进入所述工作物质内部。

进一步地，所述太赫兹谐振单元还包括绝热层，所述绝热层包裹所述工作物质承载箱。

进一步地，所述太赫兹激光器还包括频率控制单元，所述频率控制单元与所述第一太赫兹反射镜连接，以控制所述第一太赫兹反射镜与所述第二赫兹反射镜的距离。

进一步地，所述工作物质承载箱内还包括温度传感器，所述温度传感器与所述频率控制单元连接。

进一步地，所述太赫兹激光器还包括功率控制单元，所述功率控制单元与所述激发光源连接，以控制所述激发光源发射的功率。

进一步地，所述第一太赫兹反射镜的反射率范围为90％～100％，所述第一太赫兹反射镜的透射率为0。

进一步地，所述第二太赫兹反射镜的反射率范围为90％～99％。

进一步地，所述第二太赫兹反射镜的透射率为1％～10％。

进一步地，所述工作物质为有机物和/或无机物。

本发明的太赫兹激光器的有益效果在于，由于分子自发辐射光是宽带的，太赫兹输出激光的频率主要由太赫兹谐振腔的共振频率决定。因此调节第一太赫兹反射镜与第二太赫兹反射镜之间的距离即可以有效调节太赫兹输出激光的频率。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的太赫兹激光器的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的太赫兹激光器的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的太赫兹激光器的太赫兹谐振单元的结构示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，本发明实施例提供一种基于光激发的太赫兹激光器，通过激发光源10发射的激发光激发工作物质，太赫兹谐振单元30中的工作物质的分子运动速度加速，产生太赫兹自发辐射波，该太赫兹自发辐射波经过太赫兹谐振单元的协同，形成太赫兹激光。

参照图2，一种太赫兹激光器，所述太赫兹激光器包括激发光源10、光波导单元20和太赫兹谐振单元30，所述光波导单元20一端连接所述激发光源10；所述太赫兹谐振单元30包括第一太赫兹反射镜301、第二太赫兹反射镜302、工作物质承载箱303以及设置在工作物质承载箱303内的工作物质，所述工作物质承载箱303设置有激发光入射窗304，所述光波导单元20另一端接入所述激发光入射窗304；所述第一太赫兹反射镜301的与所述第二太赫兹反射镜302共轴，所述第一太赫兹反射镜301以及所述第二太赫兹反射镜302分别设置在所述工作物质承载箱303两端。

在本实施例中，光波导单元20的激发光源输出端口连接所述激发光入射窗304，激发光源10激发的激发光经过光波导单元20的传导，经过激发光入射窗304单向引导进入工作物质承载箱303，对工作物质承载箱303内的工作物质进行加热，使工作物质进行自发辐射，该自发辐射包括太赫兹波；第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302设置在工作物质承载箱303的两端，形成太赫兹谐振腔309；太赫兹波经过太赫兹谐振单元303的协同，形成太赫兹激光，且太赫兹谐振腔309的共振频率等于发射出的太赫兹波的频率。具体地，激发光源10可以为白炽灯、LED、卤素灯、弧光灯、氙灯、汞灯、日光灯、钠灯、或激光器等；激发光源10的工作波长位于180纳米至10微米之间；光波导单元20可以为空腔波导、介质波导或光纤等；所述第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302为金属或介质反射镜，第一太赫兹反射镜301为太赫兹高反射镜，第一太赫兹反射镜301的反射率范围为90％～100％，所述第一太赫兹反射镜301的透射率为0。第二太赫兹反射镜302为太赫兹部分反射镜，所述第二太赫兹反射镜302的反射率范围为90％～99％，且所述第二太赫兹反射镜302的透射率为1％～10％。第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302的工作频率在0.1THz至30THz之间。第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302共轴，构成太赫兹谐振腔309，其第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302之间的等效光学距离为工作太赫兹波的半波长的整数倍。生成的太赫兹激光从第二太赫兹反射镜302射出。

优选地，所述工作物质承载箱303两端设置有两个太赫兹透光镜305，所述两个太赫兹透光镜305分别设置在所述工作物质承载箱303两端，且所述两个太赫兹透光镜305分别相对所述第一太赫兹反射镜301以及所述第二太赫兹反射镜302设置。

具体地，所述工作物质承载箱303内的工作物质自发辐射的太赫兹波经过包括所述太赫兹透光镜305、第一太赫兹反射镜301、工作物质以及第二太赫兹反射镜302在内的太赫兹谐振单元30的协同，生成太赫兹激光。

进一步地，参照图3，所述两个太赫兹透光镜和两个太赫兹反射镜，其中靠近第一太赫兹反射镜301的太赫兹透光镜305与第一太赫兹反射镜301可用一个第一太赫兹反射镜301代替，并设置于靠近第一太赫兹反射镜301的太赫兹透光镜305位置处，其中靠近第二太赫兹反射镜302的太赫兹透光镜305与第二太赫兹反射镜302可用一个第二太赫兹反射镜302代替，并设置于靠近第二太赫兹反射镜302的太赫兹透光镜305位置处。

优选地，所述工作物质承载箱303内位于所述激发光入射窗304的对面设置有激发光反射镜3031；所述激发光反射镜3031与所述激发光入射窗304的距离为激发光的波长的半整数倍。所述激发光源10的激发光经过所述光波导单元20，从所述激发光入射窗304垂直于所述第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302共轴方向进入所述工作物质内部。可以理解，通过控制工作物质承载箱303的上壁3032处的激发光反射镜3031和下壁3033处的激发光入射窗304之间的距离，可使激发光在工作物质承载箱303内处于共振状态，产生最强的激发光场，从而大大提高激发光激发工作物质产生太赫兹自发辐射的效率。为了实现激发光在工作物质承载箱303内共振，激发光在工作承载箱303的上壁3032处的激发光反射镜3031和下壁3032处的激发光入射窗304之间一个来回的光学距离为所述激发光的激发光波长的整数倍，同时需要激发光垂直于所述第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302共轴方向进入所述工作物质内部。

优选地，所述太赫兹谐振单元30还包括绝热层307，所述绝热层307包裹所述工作物质承载箱303。具体地，工作物质承载箱303内的工作物质的自发辐射频率受到温度影响较大，为避免温度影响自发辐射，需通过绝热层307包裹工作物质承载箱303，以减小外界环境温度对太赫兹激光的频率造成影响。绝热层307可包裹所述工作物质承载箱303的表面。

优选地，所述太赫兹激光器还包括频率控制单元40，所述频率控制单元40与所述第一太赫兹反射镜301连接，以控制所述第一太赫兹反射镜301与所述第二太赫兹反射镜302的距离。

具体地，因第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302之间的等效光学距离为工作太赫兹波的半波长的整数倍，通过控制第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302之间的等效光学距离，调节太赫兹激光的频率。在一些实施例中，所述工作物质承载箱303内还包括温度传感器308，所述温度传感器308与所述频率控制单元40连接。频率控制单元40可根据温度传感器308的变化，控制第一太赫兹反射镜301与第二太赫兹反射镜302的距离。

优选地，所述太赫兹激光器还包括功率控制单元40，所述功率控制单元40与所述激发光源10连接，以控制所述激发光源10发射的功率。

具体地，在工作物质自发辐射的太赫兹波频率受温度影响，可通过调节射入工作物质的激发光的功率，调节工作物质的温度，以达到控制自发辐射的太赫兹波的频率。

进一步地，所述工作物质为有机物和/或无机物。

优选地，所述工作物质为有机物。

具体地，工作物质承载箱303内可以仅有有机物或仅有无机物，或是有机物或无机物的混合物。具体地，工作物质的有机物可以是为酮类、醛类、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、烃类混合物、乙烯、丙烯、丁烯、烯类混合物、氟里昂、饱和碳氢化合物、不饱和碳氢化合物、或共沸混合物等。工作物质的无机物可以是为空气、二氧化碳、氧气、氮气、氢气、或二氧化硫等，有机物和无机物的具体物质，在此不做限定。此外，工作物质还可以是固体、液体或气体，在此不做限制。

可以理解的是，工作物质受到激发光的激发向高能级态跃迁，其中的分子原子和晶格的运动加速，由于分子原子中都带有电荷，因此分子原子核晶格的加速运动必然伴随有电荷的加速运动，而根据经典物理学理论，电荷的加速运动会产生自发辐射，根据量子力学理论，分子原子跃迁到高能量的能级上后会自发地向低能级跃迁而产生自发辐射。这种自发辐射的频率取决于跃迁前后能级的能量差。设无光激发时分子处于能级E₁态(对应温度T₁)，受光激发后达到能级E₂态(对应温度T₂)，分子由能级E₂自发跃迁到E₃态，则自发辐射的频率ν通过公式(1)表示为：

υ＝h-¹(E₂-E₃)＝h-¹ΔE………………….(1)

其中h为普朗克常量。工作物质的温度提升量增大时，可以有更大的跃迁能量差，即可以设温度提高导致的分子内能增加量的一部分在分子从激发态向下能级跃迁时转化为自发辐射能，通过公式(2)表示为：

其中q为转化系数，i为分子的自由度，k为玻尔兹曼常数，ΔT为分子处于能级E₂态对应的工作物质温度与处于能级E₃态对应的工作物质温度的差值。由式(1)和(2)获得公式(3)：

即，调节激发光源的功率可以调节自发辐射的频率。同时，激发光功率增大时，会激发更多的分子跃迁，从而也会使太赫兹输出激光的功率增加。

用单原子气体作为工作物质为例，对于单原子分子：i＝3，取q＝0.6，根据式(3)，取ΔT＝5.333K，可得ν＝0.1000097THz；取ΔT＝10.667K,可得ν＝0.2000383THz；取ΔT＝16K，可得ν＝0.300048THz；取ΔT＝21.333K，可得ν＝0.4000577THz；取ΔT＝26.667K，可得ν＝0.5000853THz；取ΔT＝32K，可得ν＝0.600096THz；取ΔT＝37.333K，可得ν＝0.7001057THz；取ΔT＝42.667K，可得ν＝0.8001343THz；取ΔT＝48K，可得ν＝0.900144THz；取ΔT＝53.333K，可得ν＝1.000154THz；取ΔT＝106.667K，可得ν＝2.0003263THz；取ΔT＝160K，可得ν＝3.00048THz；取ΔT＝213.333K，可得ν＝4.000634THz；取ΔT＝266.667K，可得ν＝5.0007963THz；取ΔT＝533.333K，可得ν＝10.000154THz。

以双原子气体作为工作物质为例，如氮气，对于双原子分子：i＝5，取q＝0.7，根据式(3)，取ΔT＝2.757K，可得ν＝0.1005318THz；取ΔT＝13.714K，可得ν＝0.5000686THz；取ΔT＝27.428K，可得ν＝1.000136THz；取ΔT＝54.857K，可得ν＝2.0003098THz；取ΔT＝137.142K，可得ν＝5.0007587THz；取ΔT＝274.285K，可得ν＝10.001574THz；取ΔT＝548.571K，可得ν＝20.003184Hz；取ΔT＝822.857K，可得ν＝30.0047948THz。

以多原子气体作为工作物质为例，对于多原子气体i＝6，取q＝0.75，根据式(3)，取ΔT＝2.133K，可得ν＝0.1000004THz；取ΔT＝10.666K，可得ν＝0.5000477THz；取ΔT＝21.333K，可得ν＝1.0001444THz；取ΔT＝42.666K，可得ν＝2.00028875THz；取ΔT＝64K，可得ν＝3.00048THz；取ΔT＝85.333K，可得ν＝4.0006244THz；取ΔT＝106.666K，可得ν＝5.0007587THz；取ΔT＝213.333K，可得ν＝10.00144THz；取ΔT＝426.666K，可得ν＝20.00288THz；取ΔT＝639.999K，可得ν＝30.00432THz。

以下考虑使用弹性分子(如大的有机分子)的情况。

以甲烷作为工作物质为例，化学式CH₄，i＝15,取q＝0.375，根据式(3)，取ΔT＝1.706K，可得ν＝0.0999769THz；取ΔT＝8.533K，可得ν＝0.5000605THz；取ΔT＝17.066K，可得ν＝1.0001209THz；取ΔT＝34.133K，可得ν＝2.0003005THz；取ΔT＝51.2K，可得ν＝3.00048THz；取ΔT＝68.266K，可得ν＝4.0006009THz；取ΔT＝85.333K，可得ν＝5.0007705THz；取ΔT＝170.666K，可得ν＝10.0015409THz；取ΔT＝341.333K，可得ν＝20.0031405THz；取ΔT＝512K，可得ν＝30.00474THz。

以乙烷(ethane)作为工作物质为例，其分子式C₂H₆，i＝24，取q＝0.3，根据式(3)，取ΔT＝1.333K，可得ν＝0.099991THz；取ΔT＝6.666K，可得ν＝0.500029THz；取ΔT＝13.333K，可得ν＝1.000135THz；取ΔT＝26.666K，可得ν＝2.000270THz；取ΔT＝40K，可得ν＝3.00048THz；取ΔT＝53.333K，可得ν＝4.000615THz；取ΔT＝66.666K，可得ν＝5.000740THz；取ΔT＝133.333K，可得ν＝10.001575THz；取ΔT＝266.666K，可得ν＝20.00315THz；取ΔT＝400K，可得ν＝30.0048THz。

优选地，太赫兹激光器还包括电源60，所述电源60与频率控制单元40、功率控制单元50以及激发光源10连接，以为频率控制单元40、功率控制单元40以及激发光源10提供能量，其中电源60为交流或直流电源，其电压介于6V至380V之间。太赫兹激光器还包括工作参数显示单元70，用以显示太赫兹激光器输出激光的频率、功率、电源电压、激发光源的功率、工作物质承载箱303内的温度等参数。

在本实施例中，自发辐射一般具有一个比较宽的频带，其中只有与太赫兹谐振单元30共振频率一致的频率的自发辐射才会在太赫兹谐振单元30中得到放大而产生太赫兹激光。随着太赫兹激光的产生，大量的分子做对应太赫兹激光频率的自发辐射，从而使得其它的自发辐射频率相对得到抑制，从而会提高激发光功率到太赫兹激光功率的转化效率。这是传统的依赖黑体辐射获得太赫兹波所无法做到的。在所述的装置中，由于分子自发辐射光是宽带的，太赫兹输出激光的频率主要由太赫兹谐振腔309的共振频率决定。因此调节第一太赫兹反射镜301和第二太赫兹反射镜302之间的距离即可以有效调节输出的太赫兹激光的频率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。