CN101943801B - 高速太赫兹偏振调节器及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种能连续调控太赫兹波偏振状态的太赫兹波准光学器件，即太赫兹偏振调节器，其能高速、精确、连续调制太赫兹波的偏振状态，可以广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析。本发明的特点在于包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，通过连续调控线栅起偏器与反射镜之间的距离或者连续调控线栅起偏器与反射镜之间的介质对太赫兹波的折射率，使通过线栅起偏器的Ex分量的发生相位延迟，再与另一个分量叠加，最终达到连续调控两束光叠加后的偏振状态的目的。本发明的偏振调节器弥补了该类器件调制频率低、精度不高以及调制振幅小以至于不能应用于太赫兹波段的不足，使调制频率能达到30kHz。

Description

高速太赫兹偏振调节器及其调控方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波准光学器件，尤指一种能使用两种不同的方式高速精确连续调控太赫兹波偏振状态的太赫兹波准光学器件。本发明广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析，可以弥补该类器件调制频率低、精度不高以及调制振幅小以至于不能应用于太赫兹波段的不足。

背景技术

太赫兹波是频率为0.3THz-30THz(波长约为10μm-1mm，光子能量约为1.2meV-120meV)的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。与传统光源相比，太赫兹波辐射源具有相干、低能、穿透力强等独特、优异的特性，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。近年来，随着真空电子技术、半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，太赫兹科学与应用技术已经成为国际研究的热点。目前，包括美国、西欧和日本等发达国家在内的世界各国都对太赫兹波技术的研究给予高度的重视，投入了大量的人力和物力，陆续开展了与各自领域相关的太赫兹波技术的研究。因此，能将太赫兹技术方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经成为21世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

虽然太赫兹波(又称太赫兹辐射、THz波)在过去的二十多年中已经有了长足的发展，但是直到目前为止，仍然是一个技术尚不成熟的领域，尤其是在太赫兹系统集成上有严重的技术空白，其根本原因在于太赫兹(以下简称THz)应用的几个关键环节——光源、传输和检测技术的不成熟。虽然国际上在广泛开展固态THz波光源、探测器和放大器等THz电子学所需的关键部件的研究，但是对THz准光学器件、波导等THz传输、调制器件的研制方面还相对薄弱，而这些功能器件在THz光电子及其集成应用系统中极其重要。目前最常用的THz辐射传送方法是准光学传送，准光学器件与技术的发展对毫米波与太赫兹频谱的开拓具有重要的意义。同时，利用THz波谱技术不仅可以获得太赫兹波的电场强度，而且可以通过测量太赫兹电场的偏振信息，获得其相位信息，这样就可以直接获得物体的复介电常数，因此对太赫兹波偏振态的调制就尤其重要，而现如今关于THz偏振态调控方面的研究还处于初级阶段，发展该类太赫兹器件的要求相当急迫。

现有的偏振调节器一般是一个结构复杂、体积较大并且价格昂贵的系统，如专利申请号为200610072875.5的“可定量调节光偏振态的装置及其方法”，可以通过光调节成任意所需的偏振态，并可测量光的偏振度和产生扰偏光，但是该系统测试时间长，操作过程复杂，测试精度低，调制频率低，系统体积大不易移动而且不能应用于太赫兹波段的偏振调节。

发明内容

为克服上述现有技术偏振调节器的诸多不足，本发明的目的在于提供一种高速太赫兹偏振调节器及其调控方法，通过两种不同的方式高速并且高精度连续调控转换太赫兹波偏振状态。

实现上述本发明第一个目的的技术方案为：

一种高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，其中所述太赫兹线栅起偏器为高纯硅基底上形成的金属线栅，所述太赫兹反射镜至少包括普通平面反射镜和电光晶体镀反射膜形成的反射镜中任意一种。

进一步地，前述的高速太赫兹偏振调节器，其中该用作太赫兹反射镜的电光晶体采用在太赫兹波段高透的石英晶体，且石英晶体的Z轴与入射光的主光轴方向相一致。该电光晶体远离太赫兹线栅起偏器的平面上蒸镀有反光性的金属膜，且所述电光晶体上外加有用于调控电光晶体折射率的电场。

进一步地，前述的高速太赫兹偏振调节器，其中该太赫兹反光镜为普通平面反射镜，且所述太赫兹线栅起偏器与太赫兹反射镜之间设有超声波换能器和变幅杆构成的距离调控单元。

实现上述本发明第二个目的的技术方案为：

一种高速太赫兹偏振调节器的调控方法，基于前述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：首先通过太赫兹线栅起偏器将入射的太赫兹波分成两束偏振方向互相垂直的分量，继而对应于采用电光晶体镀反射膜形成的反射镜作为太赫兹反射镜，改变施加在电光晶体的电场强度，以连续调控太赫兹线栅起偏器与太赫兹反射镜之间的传输介质对太赫兹波的折射率，使通过太赫兹线栅起偏器的Ex分量发生相位延迟，再与另一个分量叠加，最终实现连续调控叠加后太赫兹波的偏振状态。

实现上述本发明第二个目的的技术方案还可以是：

一种高速太赫兹偏振调节器的调控方法，基于前述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：首先通过太赫兹线栅起偏器将入射的太赫兹波分成两束偏振方向互相垂直的分量，继而对应于采用普通平面反射镜作为太赫兹反射镜，连续改变太赫兹反射镜与太赫兹线栅起偏器间的距离，使通过太赫兹线栅起偏器的Ex分量与另一个分量之间形成光程差，反射后的两个分量相叠加，最终实现连续调控叠加后太赫兹波的偏振状态。

进一步地，前述高速太赫兹偏振调节器的调控方法，其中该太赫兹反射镜与太赫兹线栅起偏器间距离的连续调控，通过超声波换能器和变幅杆构成的距离调控单元使普通平面反射镜以

的振幅进行高频振动实现。

本发明高速太赫兹偏振调节器及其调控方法的应用，其显著优点是：

该高速太赫兹偏振调节器，可以弥补传统该类器件调制频率低、精度不高以及调制振幅小以至于不能应用于太赫兹波段的不足，使调制频率能达到30kHz。而且，该偏振调节器还可应用于太赫兹光谱仪和太赫兹通信系统等准光学系统中，可以广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析等，对太赫兹波的应用具有很大的科学研究价值和发展前景。

附图说明

图1为线栅起偏器的工作原理图；

图2为本发明实施例一的偏振调节器结构及原理示意图；

图3为本发明实施例二的偏振调节器结构及原理示意图。

图中各附图标记的含义为：1～太赫兹线栅起偏器、11～高纯硅基底、12～金属线栅、2a～太赫兹光反射镜(普通平面反射镜)、2b～太赫兹光反射镜(电光晶体镀反射膜形成的反射镜)。

具体实施方式

为克服现有技术偏振调节器测试时间长、操作过程复杂、测试精度低、调制频率低，系统体积大不易移动而且不能应用于太赫兹波段等不足，本发明设计了一种使用两种不同的方式能高速、精确连续调控转换太赫兹波偏振状态的太赫兹偏振调节器。本发明偏振调节器能够广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析，而且该器件还可应用于太赫兹光谱仪和太赫兹通信系统等准光学系统中，例如将超声波振动引入到傅里叶光谱仪中的定镜上实现高速微小的相位调制，可以实现傅里叶光谱的步进扫描，大大提高傅里叶光谱仪的信噪比。该高速太赫兹偏振调节器包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器1及太赫兹反射镜，其中太赫兹线栅起偏器1为高纯硅基底上形成的金属栅，其中该太赫兹反射镜至少包括普通平面反射镜2a和电光晶体镀反射膜形成的反射镜2b中任意一种。

实施例一

如图1和图2所示，是本发明太赫兹线栅起偏器的工作原理图和偏振调节器第一个实施例的结构及原理示意图。从图中所示可见：该高速太赫兹偏振调节器包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，其中该太赫兹线栅起偏器1为高纯硅基底11上形成的金属线栅12，该太赫兹反射镜为普通平面反射镜2a。此外，在该太赫兹线栅起偏器1与太赫兹反射镜之间设有超声波换能器和变幅杆构成的距离调控单元(未图示)。

具体来看该高速太赫兹偏振调节器各构件的结构特征及功能：

太赫兹线栅起偏器1的作用是将平行入射的太赫兹光分成两束。如图2所示：当一束THz平行光入射到线栅起偏器后，该束光电场方向沿线栅方向的分量Ey被反射，而电场方向与线栅方向垂直的分量Ex透射，从而将平行入射的太赫兹光分成两份；

太赫兹光反射镜2a的作用是将透过太赫兹线栅起偏器1的THz光分量Ex再反射回到太赫兹线栅起偏器1，并使带有相位延迟的Ex分量再次透射太赫兹线栅起偏器1，与被太赫兹线栅起偏器1反射的Ey分量相叠加。其中带有相位延迟的Ex分量是这样产生的：采用超声波使普通平面反射镜以

的振幅进行高频振动，可以连续调控太赫兹反射镜2a与太赫兹线栅起偏器1之间的距离d，控制两束合成光之间的光程差及相位差，从而控制合成光的偏振状态，并且将调制频率提高至30kHz以上。在该实施例情况下，相位差的变化Φ符合 $\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}*n*\mathrm{\Δd}.$

实施例二

如图1和图3所示，是本发明太赫兹线栅起偏器的工作原理图和偏振调节器第二个实施例的结构及原理示意图。从图中所示可见：该高速太赫兹偏振调节器包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，其中该太赫兹线栅起偏器1为高纯硅基底11上形成的金属线栅12，该太赫兹反射镜为电光晶体镀反射膜形成的反射镜2b，并于其上施加有用于调控电光晶体折射率且强度线性可控的电场。

具体来看该高速太赫兹偏振调节器各构件的结构特征及功能：

太赫兹线栅起偏器1的作用与实施例一相同，兹不予赘述；

太赫兹光反射镜2b的作用是将透过太赫兹线栅起偏器1的THz光分量Ex再反射回到太赫兹线栅起偏器1，并使带有相位延迟的Ex分量再次透射太赫兹线栅起偏器1，与被太赫兹线栅起偏器1反射的Ey分量相叠加。其中带有相位延迟的Ex分量是这样产生的：通过连续调控施加在电光晶体的电场强度未连续调控电光晶体的折射率，即太赫兹反射镜2与太赫兹线栅起偏器1之间传输介质的折射率，通过控制太赫兹线栅起偏器1与太赫兹反射镜2的折射率变化也可以控制两束合成光的光程差及相位差，从而控制合成光的偏振状态，并且将调制频率提高至30kHz以上。在该实施例情况下，相位差的变化Φ符合 $\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}*\mathrm{\Δn}*d.$

通过以上结构及实现方法的描述，本发明的实质性特征已明确，其效果主要归结为以下几点：

1、该发明可以高速、连续调控太赫兹波的偏振状态。

2、太赫兹线栅起偏器的设计加工为高速太赫兹偏振调节器实现分光提供了保障。

3、使用超声波的方式来实现太赫兹线栅起偏器与平面反射镜之间距离的精确调控，使本发明实现高于30kHz的调制频率。

4、本发明以石英晶体的Z轴作为光轴，设置不同的调控电场来精确调控太赫兹线栅起偏器与反射镜之间折射率的变化，从而控制合成光的偏振状态。

5、该高速太赫兹偏振调节器的主要光学、机械构件均为常规材料简单加工得到，成本较低，易于应用与推广。

综上所述，本发明高速太赫兹偏振调节器及其调控方法通过实施例的具体描述，其结构特征及调控原理已被详细地公示。然而，以上两个详细描述的实施例仅为深入理解本发明创新实质而提供，并非以此限制本发明具体实施方式的多样性，但凡基于上述实施例及其调控方法所作的等效替换或简单修改，均应该被包含于本发明专利请求的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，其中所述太赫兹线栅起偏器为高纯硅基底上形成的金属线栅，所述太赫兹反射镜为普通平面反射镜，且在所述太赫兹线栅起偏器与太赫兹反射镜之间设有超声波换能器和变幅杆构成的距离调控单元。

2.高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：包括相隔一定距离平行设置的太赫兹线栅起偏器及太赫兹反射镜，其中所述太赫兹线栅起偏器为高纯硅基底上形成的金属线栅，所述太赫兹反射镜为电光晶体镀反射膜形成的反射镜，所述电光晶体在施加连续调控的电场强度下具有变化的折射率。

3.根据权利要求2所述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：所述用作太赫兹反射镜的电光晶体采用在太赫兹波段高透的石英晶体，且石英晶体的Z轴与入射光的主光轴方向相一致。

4.根据权利要求2所述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：所述电光晶体远离太赫兹线栅起偏器的平面上蒸镀有反光性的金属膜，且所述电光晶体上外加有用于调控电光晶体折射率的电场。

5.高速太赫兹偏振调节器的调控方法，基于权利要求1所述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：首先通过太赫兹线栅起偏器将入射的太赫兹波分成两束偏振方向互相垂直的分量，继而对应于采用普通平面反射镜作为太赫兹反射镜，连续改变太赫兹反射镜与太赫兹线栅起偏器间的距离，使通过太赫兹线栅起偏器的Ex分量与另一个分量之间形成光程差，反射后的两个分量相叠加，最终实现连续调控叠加后太赫兹波的偏振状态。

6.根据权利要求5所述的高速太赫兹偏振调节器的调控方法，其特征在于：所述太赫兹反射镜与太赫兹线栅起偏器间距离的连续调控，通过超声波换能器和变幅杆构成的距离调控单元使普通平面反射镜以

的振幅进行高频振动实现。

7.高速太赫兹偏振调节器的调控方法，基于权利要求2所述的高速太赫兹偏振调节器，其特征在于：首先通过太赫兹线栅起偏器将入射的太赫兹波分成两束偏振方向互相垂直的分量，继而对应于采用电光晶体镀反射膜形成的反射镜作为太赫兹反射镜，改变施加在电光晶体的电场强度，以连续调控太赫兹线栅起偏器与太赫兹反射镜之间的传输介质对太赫兹波的折射率，使通过太赫兹线栅起偏器的Ex分量发生相位延迟，再与另一个分量叠加，最终实现连续调控叠加后太赫兹波的偏振状态。

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