CN102496834A

CN102496834A - 一种自由空间太赫兹波源的结构设计方法

Info

Publication number: CN102496834A
Application number: CN2011103673141A
Authority: CN
Inventors: 张晓霞; 崔德勇; 熊煜; 钱铄
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-06-13

Abstract

一种自由空间太赫兹波源的结构设计方法，属于光学技术领域，涉及光路设计技术和微波产生技术。通过恰当的结构设计，缩短光路的同时大大地降低了传输损耗，大幅度提升了太赫兹波源的产生功率。本发明采用两个90度离轴抛物面镜结构，不仅使得光程缩短，减少了传播损耗，而且对太赫兹波的收集能力强，聚焦太赫兹波没有色散效应，提高太赫兹波的收集能力。此结构设计拥有高的灵敏度和信噪比(＞10⁵)，提高太赫兹波源的功率。

Description

一种自由空间太赫兹波源的结构设计方法

技术领域

一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法属于光学技术领域，涉及光路设计和微波产生技术。

背景技术

近三十年来，随着半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，与太赫兹辐射相关的THz波技术逐渐成为国际研究的热点。THz辐射通常指的是波长1mm-30μm(300GHz-10THz)区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的THz辐射空隙。随着超快激光技术的发展，稳定、可靠的激发光源以及多种THz辐射脉冲的产生方法的出现，使得THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展。

在上世纪90年代之前，因为缺乏高功率太赫兹源和有效的探测装置，并且水蒸气对太赫兹波有较强的吸收，太赫兹领域的研究受到很大的限制。从二十世纪九十年代中期开始，世界各地政府、企业投入大量经费开展这一领域的研究。美国国家基金会(NSF)、国家航天局州ASA)、国防部(DARPA)和国家卫生学会(NIH)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从20世纪90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入，其重要国家实验室都在开展THz辐射源、材料、检测、传输器件等研究工作。美国IBM等实验室以THz波在电子学、天文学、航空科学和空间科学应用为背景进行研究工作，特别涉及THz波在星际通信、无线通信、雷达成像等方面的应用；数十所著名高校也在从事THz研究工作；已有超过10家企业在THz波相关产品的开发方面取得了进展。2000年以后，欧洲围绕THz波段医疗、通信技术应用的研究非常活跃。英国在2000-2003年开发了1-10THz的广域半导体器件和检波器，接下来又开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用THZ脉冲成像装置，并通过风险企业TeraView取得了产业化进展；英国的Univ.of Cambridge、Univ.of Leeds等十多所大学和研究机构，德国的核物理研究中心(KFZ)、柏林同步辐射源中心(BESSY)等都积极开展THz研究工作；英国的研究人员正在研究THz扫描器的原型机，能够显示出高分辨率皮肤癌症图像，确切反映癌细胞活动和扩散的情况。这项新技术对其他传统的扫描器检测不出的癌症的正确检测率能达到85％。在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、中国的台湾大学和台湾清华大学等都积极开展THz的研究工作。日本于2005年1月8日公布了其10年科技战略规划，提出10项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学等都大力开展THz的研究与开发工作。在2006年召开的国际红外与毫米波-太赫兹会议上，日本报道了THz通信方面的研究工作，在1.5km的距离实现了高速数据传输。与太赫兹相关的研究，如高功率的太赫兹源、太赫兹探测、利用太赫兹进行安全检查、生物检验、化学特征识别、工业检查等迅速开展起来。到目前为止，世界上约有130多个研究机构，陆续开展了本领域的科学研究工作或把研究重心转到THz领域。可见，目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。

发明内容

自由空间太赫兹波源光路结构可以将辐射出的太赫兹波收集利用，再收集和探测，能真正实现太赫兹波的应用如太赫兹波成像和太赫兹波通信等。结构设计方法中产生太赫兹波的光路复杂，需要仔细的调节，且信号非常微弱，加上在空气中易被水汽吸收，因此一般要求将光路置放在真空罩中或者充入氮气的密封罩中。

本方法设计的自由空间太赫兹波源光路结构见附图，1为渥拉斯顿棱镜，2为四分之一波片，3为斩波器，4为锁相放大器，5为延迟线系统，6为抛物面镜，采用Spectra Physics公司的钛：蓝宝石飞秒振荡级飞秒激光器产生的中心波长为780nm，脉冲宽度150fs.重复频率82WHz的飞秒脉冲。采用Newport公司的50338型90°离轴抛物面镜(所谓离轴90°，就是抛物面镜的光轴(中心轴线)与连接抛物面镜中点和焦点的直线之间夹角为90°，相应也有其他角度的离轴抛物面镜)，抛物面投影圆面直径为38mm，镀金，有效焦距为50.8mm，两块(1l0)ZnTe晶体分别作为发射晶体和探测晶体。

光学延迟线、数据采集及控制系统，以及为了非线性效应对光路结构部分的设计如下：

1.光学延迟线系统，光学延迟线由电控平移台和固定在平移台上的两个镜面垂直的反射镜组成，使出射光和反射光平行。当平移台前后移动的时候，入射到反射镜的光线光程的改变量为平移台移动距离的两倍。电控平移台决定光学延迟线的延迟精度，也决定了时间光谱的分辨率。

2.控制及数据采集系统，由数据采集卡，锁相放大器，电脑控制软件组成。可采用ADVANTECH公司的型号为PCI-1710型数据采集卡，PCI总线多功能数掘采集卡具有12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器，定时器功能。

3.光路部分，可采用Spectra Physics公司的钛：蓝宝石飞秒振荡级飞秒激光器，产生的中心波长为780nm，脉冲宽度150fs.重复频率82WHz的飞秒脉冲。飞秒激光经过分光比为6∶1的分束镜后，分为泵浦光和探测光。其中泵浦光经过光学延迟线以及斩波器，与探测光一起通过一个会聚透镜，泵浦光沿着会聚透镜的光轴入射，并垂直聚焦在碲化锌晶体表面。该晶体安装在一个可前后左右移动的二维精密平移台上，沿着泵浦激光传播方向定为Z正方向，泵浦光和探测的焦点重合，定为Z扫描的零位置点。

本发明有益效果：

1.采用90°离轴抛物面镜对太赫兹波的收集能力强，聚焦太赫兹波没有色散效应，提高太赫兹波的收集能力。

2.仅用两个抛物面镜使光程缩短，同时使得光路变得简单，减少了传播损耗。同时此结构设计拥有高的灵敏度和信噪比(＞10⁵)，可以产生高功率的太赫兹波。

本文的应用价值：提高了自由空间太赫兹波源的发射功率，进一步提高了将太赫兹波应用到实际当中的可能性。

附图说明

附图表明了自由空间中产生太赫兹波的光路结构图，1为渥拉斯顿棱镜，2为四分之一波片，3为斩波器，4为锁相放大器，5为延迟线系统，6为抛物面镜，晶体均为(110)ZnTe晶体。

具体实施方式

第一步：首先探测晶体一定要准确置于抛物面镜焦平面，并位于用以会聚泵浦光的透镜焦点上，并使抛物面镜和透镜共焦，才能得到平行的出射光。调节光路时，泵浦光路聚焦透镜可以选择焦距比较短的，使泵浦光经过会聚发散之后，相同的距离下，光斑比较大，有利于下一步观察。将晶体和聚焦透镜分别安装在两个二维平移台上，调节透镜上下左右位置，使泵浦光束准确地沿透镜光轴穿过，调节透镜前后位置，使透镜与抛物面镜共焦.并同时调节抛物面镜的俯仰，使光束垂直于抛物面镜光轴入射在抛物面镜中心，调节好的判断方法是泵浦光经抛物面镜射出之后为平行光，光斑正圆，且能通过沿光轴方向放置的两个小孔。这里也可以用分束镜将泵浦光分成两束，再变成平行光，一束光仍沿抛物面镜光轴入射，另一束光入射在抛物面镜的边缘，如果两束光经抛物面镜之后仍平行，间距未改变，且光斑正圆的话，也可以认为这部分光路已经调好。然后微调晶体，使晶体位于抛物面镜和聚焦透镜的共焦点上。

第二步：加上第二个抛物面镜，当第二个抛物面镜调节得与第一个抛物面镜共轴之后，两束光会被同时聚焦，且距抛物面中心距离为抛物面镜的有效焦距。用两个小孔确定中心光束的传播方向(即垂直于光轴方向)，并记下焦点位置，移开第二个抛物面镜。

第三步：使探测光与泵浦光在第一个抛物面镜之后垂直相交，与第一个抛物面镜的间距尽量小，以适合放置硅片调节架为宜，这样可缩短太赫兹波在空间中的传播距离，并在探测光出射方向放置两个小孔以确定探测光方向。将一片高阻单晶硅片(反射780nm激光，在太赫兹波段有大于50％透过率)固定在可旋转并上下可准确调节的多维调节架上，插入探测光与泵浦光相交的地方，调整其角度，使被反射的泵浦光经过原探测光经过的两个小孔，而被反射的探测光经过原泵浦光所在的两个小孔，这样就能保证探测光和泵浦光(太赫兹光)共线传播了，可以调下硅片验证。

第四步：加上第二个抛物面镜，这一步比较容易，调节好的标准是探测光经过第二步中确定泵浦光方向的两个小孔，且在抛物面镜焦点位置会聚，调下硅片，观察到泵浦光和探测光在同一位置会聚，且可通过两个小孔。

以上每一步都非常关键，需要来回调节，确保探测光和太赫兹波共线传播且共同会聚在探测晶体上，才能探测到太赫兹波信号，以及获得尽可能大的信号。在搭建自由空间光路的时候，也要寻找光路零点。可以在第一步之后进行，挡住边缘的那束泵浦光的光束，并把探测光反射过去，利用二次谐波自相关法寻找光路零点。由于探测光和太赫兹波在硅片之后共线传播，所以用上述方法找光路零点，光程差不会特别大，可以稍后运行延迟线来寻找。

Claims

1.一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法，包括光学延迟线、数据采集及控制系统，和采用非线性效应产生太赫兹波的光路结构设计方法，其特征在于通过控制光程的改变量决定延迟精度和时间光谱的分辨率的同时能够较大程度地满足自由空间中太赫兹波的产生、收集、探测，最终提高太赫兹波源的功率。

2.根据权利要求1所述的一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法，其特征在于光学延迟线满足当平移台前后移动的时候，入射到反射镜的光线光程的改变量为平移台移动距离的两倍的要求。

3.根据权利要求1所述的一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法，其特征在于数据采集和控制系统在控制光程的基础上决定延迟精度和光谱分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法，其特征在于光路结构设计中采用90°离轴抛物面镜对太赫兹波进行收集，此时聚焦太赫兹波没有色散效应，符合太赫兹波的强收集能力要求。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法，其特征在于使得整个结构变得简单的同时拥有高的灵敏度和信噪比(＞10⁵)，提高了太赫兹波源的功率。