太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源, 它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后, 重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果, 主要包括: 1) 太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体, 包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷; 2) 大单脉冲能量太赫兹参量源, 主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等, 目前报道的最大单脉冲能量达到 17 μJ; 3) 高平均功率太赫兹参量源, 主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等, 目前报道的最大平均功率为 367 μW; 4) 太赫兹参量源的理论模拟, 主要包括以耦合波方程为基础的, 分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。

太赫兹波因其具有独特的优势,在生物医学检测、安全检查、通信和雷达等多种领域具有重要的应用前景,而太赫兹辐射源是太赫兹技术的应用基础,近年来得到了快速发展。基于光学非线性频率变换技术的太赫兹参量辐射源和差频辐射源可以产生调谐范围宽、输出能量高和单色性好的太赫兹波。本文综述了基于受激电磁耦子散射技术的太赫兹参量辐射源以及基于非线性光学差频技术的太赫兹差频辐射源的研究进展,着重叙述了当前太赫兹参量辐射源和差频辐射源在输出频率范围拓展、能量提高和快速调谐等方面的研究进展,以及太赫兹技术在脑创伤检测中的应用研究进展,并分析了光学太赫兹辐射源及其在脑创伤检测应用的关键技术问题以及发展趋势。

同成分铌酸锂(CLN)晶体是最常用的太赫兹参量增益晶体,基于该晶体的太赫兹波参量辐射源具有太赫兹波输出能量高、连续可调谐等优点,但是其调谐范围相对较窄,一般为0.6~3 THz,限制了其实际应用范围。为此,提出基于摩尔分数为5%的氧化镁掺杂的CLN晶体的脉冲种子注入式太赫兹波参量产生器,其太赫兹波频率调谐范围为1~4 THz,在2.0 THz处获得最大输出能量为1.02 μJ,输出太赫兹波的3 dB带宽达1.94 THz,占调谐范围的64.67%。该太赫兹辐射源具有宽频带、增益平坦等特性,在实际应用中具有更高的价值。

将KTiOAsO4(KTA)Stokes参量振荡器置于LD侧面泵浦的1064 nm调Q Nd 3+∶YAG谐振腔内,通过KTA晶体的非共线受激电磁耦子散射获得在1078.20~1088.20 nm范围内不连续调谐的Stokes激光。该Stokes激光又作为共线拉曼激光器的泵浦源在同一块KTA晶体中实现了受激拉曼散射,通过设计Stokes谐振腔的输出镜透过率,选择对一阶拉曼光进行输出,其在1106.08~1116.62 nm范围内不连续调谐。当LD泵浦功率为94.20 W,重复频率为5 kHz时,在1116.34 nm处得到了最大功率为1.62 W的拉曼激光输出。

使用磷酸钛氧钾(KTiOPO₄,KTP)晶体,采用斯托克斯参量振荡器与太赫兹波表面垂直出射的斯托克斯参量放大器相结合的实验方案,获得了大能量的太赫兹波输出。抽运源是调Q脉冲激光器,输出波长为1064.2 nm,脉宽为7.5 ns,脉冲重复频率为1 Hz。斯托克斯光波长为1086.2 nm,抽运光与斯托克斯光的夹角为4.4°,太赫兹波频率为5.7 THz。抽运光路上的延时装置可以保证抽运光脉冲与待放大斯托克斯光脉冲有很好的时间重合性。当抽运光脉冲能量为770 mJ、待放大斯托克斯光脉冲能量为16.8 mJ时,放大后斯托克斯光脉冲能量为185.4 mJ,太赫兹波脉冲能量最大为6.4 μJ。

基于非线性光学技术的THz源具有其独特的性能和优点，将基于非线性光学差频原理和光学参量效应，从理论上研究并分析THz波与抽运光、闲频光及相位匹配角之间的关系，得到THz波输出的条件和范围，并设计出宽波段连续可调的THz源。以调Q NdYAG激光器和光学参量振荡器(OPO)作为抽运源，以GaSe和MgOLiNbO3晶体作为差频非线性晶体，根据相位匹配理论及光学参量效应，搭建两套THz波产生系统。其中，基于光学参量效应的THz辐射源有效地产生出THz信号。