CN102882107B - 一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法 - Google Patents

一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，在飞秒激光器出口处放置一块聚焦透镜，入射激光依次经过聚焦透镜和倍频晶体后产生倍频光。倍频光和剩余的基频光一起通过单轴双折射晶体薄片，由于基频光和倍频光在单轴双折射晶体中的折射率不同，根据这个原理，通过调整单轴双折射晶体薄片的厚度以及玻璃片与入射光束的空间夹角，就可以改变基频光与倍频光的光程差，即调节两者之间的延时，从而改变基频光和倍频光的相对相位，由此对最终产生的太赫兹波进行了偏振和强度的调节。最终，产生的太赫兹波通过高阻硅片滤波，进入太赫兹波探测系统。此方法可实现对太赫兹波偏振和强度的快速连续调节，操作简单，快捷有效。

Description

一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法
技术领域
本发明涉及一种电磁波调整技术，特别涉及一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法。
背景技术
几十年来，太赫兹波以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。太赫兹辐射是频率在0.1到10 THz范围的电磁波，这一波段位于微波与红外之间，具有携带信息量丰富、亚皮秒量级脉宽、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。
由于太赫兹波的广泛应用前景,如何研制出高效率、高能量、结构紧凑、简单、可连续调谐、室温下稳定运转的太赫兹波源，并能将其方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经当今科研工作者急需解决的实际问题。
近十年来，人们发现使用太赫兹波参量的方法（只需一个固定波长的泵浦源和一块非线性晶体）可以产生具有较高功率的相干宽带可调谐太赫兹波，并且因其具有实验设备简单，结构紧凑，产生的太赫兹波没有阈值的优点，这种方法受到了广泛的关注。
但是在该方法产生太赫兹波的过程中，对太赫兹波的偏振和强度的调谐比较繁琐复杂，需要将产生的倍频光与基频光经过分束后通过复杂的光学延时系统调节以及再合束后，才可实现对太赫兹波偏振和强度的调节，光路繁琐，调节过程缓慢，难以对太赫兹波的偏振和强度进行快速连续调节。如果在实验过程中需要调整，不仅需要精确的计算，实验装置的调节操作也非常繁琐。目前还没有出现能够快速连续调节太赫兹波偏振和强度的太赫兹波参量的技术方法。
发明内容
本发明是针对太赫兹波的偏振和强度的调谐繁琐复杂的问题，提出了一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，该方法可通过改变单轴双折射晶体薄片的厚度以及调整玻璃片与入射光束的空间夹角，实现快速连续地调整太赫兹波的偏振和强度。
本发明的技术方案为：一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，包括如下具体步骤：
1）建立调节光路：在飞秒激光器出口处放置一块聚焦透镜，入射激光依次经过聚焦透镜和倍频晶体后产生倍频光，倍频光和剩余的基频光垂直入射通过单轴双折射晶体薄片和玻璃片后，在聚焦透镜焦点附近形成等离子体，产生太赫兹波；
2）改变单轴双折射晶体薄片的厚度，可计算出基频光与倍频光在单轴双折射晶体中传播的光程差，即调节两者之间的延时，改变基频光和倍频光的相对相位，从而调节太赫兹波的偏振和强度，基频光和倍频光的延时计算公式1：                                               ，其中， 
Figure 390373DEST_PATH_IMAGE004
为基频光与倍频光在单轴双折射晶体中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，为单轴双折射晶体薄片厚度，n 倍频光 为所选单轴双折射晶体薄片对入射倍频光的折射率，n 为所选单轴双折射晶体薄片对入射基频光的折射率。式1中，若
Figure 491818DEST_PATH_IMAGE010
>0，说明倍频光在时域上传播速度慢于基频光；反之，若
Figure 160697DEST_PATH_IMAGE010
<0说明倍频光在时域上传播速度快于基频光；
3）改变玻璃片与入射激光的空间夹角，可计算出基频光与倍频光在玻璃片中传播的光程差，即调节两者之间的延时，改变基频光和倍频光的相对相位，从而调节太赫兹波的偏振和强度，延时公式2：
Figure 29427DEST_PATH_IMAGE012
，其中， 
Figure 721439DEST_PATH_IMAGE014
为基频光与倍频光在玻璃片中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，
Figure 458451DEST_PATH_IMAGE016
为玻璃片厚度，Θ为玻璃片和与入射激光正交平面的法平面所成夹角，
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE018
为所选玻璃片对入射倍频光的折射率，
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE020
为所选玻璃片对入射基频光的折射率； 
4）经过步骤2）和步骤3）调节后产生的太赫兹波通过高阻硅片滤波，进入太赫兹波探测系统。
所述倍频晶体可以是BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。
所述单轴双折射晶体薄片厚度可调，其调节方式包括定制一定厚度的单轴双折射晶体薄片或者将多片单轴双折射晶体薄片的组合使用。所述的单轴双折射晶体薄片可以是方解石或铌酸锂。
本发明的有益效果在于：本发明可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，通过定制一定厚度的单轴双折射晶体薄片或将多片单轴双折射晶体薄片组合使用，就可实现对单轴双折射晶体薄片厚度的改变，从而改变基频光与倍频光的光程差与相对相位，实现了对太赫兹波偏振和强度的快速连续调节；可自由调节玻璃片与入射激光的空间夹角，改变基频光与倍频光相对相位，从而实现对太赫兹波偏振和强度的快速连续调节，操作简单，快捷有效。
附图说明
图1为本发明实现快速连续调节太赫兹波偏振和强度的装置结构示意图。
具体实施方式
结构如附图1所示。我们在飞秒激光器1出口处放置一块聚焦透镜2，入射激光依次经过聚焦透镜2和倍频晶体3后产生倍频光，倍频光和剩余的基频光一起通过单轴双折射晶体薄片4，由于基频光和倍频光在单轴双折射晶体中的折射率不同，通过改变单轴双折射晶体薄片4的厚度以及改变玻璃片5与入射激光束的空间夹角，就可以改变基频光与倍频光在单轴双折射晶体中传播的光程差，即调节两者之间的延时，从而改变基频光和倍频光的相对相位，由此对最终产生的太赫兹波进行了偏振和强度的调节。最终，产生的太赫兹波通过高阻硅片6滤波，进入太赫兹波探测系统7。
在下面的实施例中，以波长为800 nm的入射激光和方解石薄片为例，其他波段的入射光源以及其他种类的单轴双折射晶体薄片与该实施例的实施方法一致。波长为800 nm的入射激光通过BBO（I类）倍频晶体后产生400 nm的倍频光。由于I类BBO倍频晶体的特性，出射的400 nm倍频光在时域上慢于800 nm的基频光，且两者的偏振方向相互垂直。进入双折射晶体后，偏振方向相互垂直的两束光即可一束为o光，一束为e光。由于单轴双折射晶体薄片的晶体光轴平行于晶面，因此o光和e光垂直入射后，在双折射晶体中传播方向相同，但传播速度不同。方解石材料对中心波长为800 nm的入射激光。光折射率为
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE022
，对中心波长为400 nm的倍频激光e光折射率为
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE024
；BK7玻璃片对中心波长为800 nm的入射激光的折射率为
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE026
，对中心波长为400 nm激光的折射率为
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE028
。
如图1所示，飞秒激光器1输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为35 fs，重复频率为1 KHz，通过聚焦透镜2和倍频晶体3后获得400 nm的倍频光，由于I类BBO晶体的特性，此时倍频光与基频光在时域上的时间差为
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE030
，即时域上倍频光慢于基频光。两束光进入晶面与入射激光束垂直的方解石薄片4，此时我们可以根据计算公式1：
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE032
，其中， 
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE034
为中心波长为800 nm的基频光（o光）与中心波长为400 nm的倍频光（e光）在单轴双折射晶体中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，
Figure 412195DEST_PATH_IMAGE006
为方解石薄片4厚度。算得，说明400 nm的倍频光在通过方解石薄片时，时域上的传播速度将快于800 nm的基频光。通过调整方解石薄片厚度，即可调节倍频光与基频光在时域上的相对前后位置。之后，两束光进入BK7玻璃片5，此时根据计算公式2：
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE038
，式2中，
Figure 714476DEST_PATH_IMAGE014
为中心波长为800 nm的基频光与中心波长为400 nm的倍频光在玻璃片中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，
Figure 893785DEST_PATH_IMAGE016
为玻璃片厚度，Θ为BK7玻璃片和与入射激光正交平面的法平面所成夹角。算得：
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE040
，说明400 nm的倍频光在玻璃片中传播的速度又将慢于800 nm的基频光。通过调整角度Θ便又可调节倍频光与基频光在时域上的相对前后位置。经过两次调节后可求得总延时
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE042
( 
Figure 2012104034671100002DEST_PATH_IMAGE044
可从负值到正值连续变化，且幅度可通过调节方解石厚度和玻璃片角度实现) ；之后,经过调节产生的太赫兹波通过高阻硅片6的滤波后便可进入太赫兹探测系统7中。
在整个实验过程中，对基波和倍频波的延时可通过计算公式1：
Figure 981957DEST_PATH_IMAGE002
和计算公式2：
Figure 563111DEST_PATH_IMAGE012
求得，调控参数为可改变的单轴双折射晶体薄片4的厚度
Figure 898278DEST_PATH_IMAGE006
及玻璃片5与入射激光正交平面的法平面所成夹角Θ。所述的倍频晶体3可以是BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。所述的单轴双折射晶体薄片4厚度可调，其调节方式包括定制一定厚度的单轴双折射晶体薄片或者将多片单轴双折射晶体薄片的组合使用。所述的单轴双折射晶体薄片4可以是方解或铌酸锂。
这种可快速连续调节太赫兹偏振和强度的技术方法，去除了繁琐的光学延时系统，仅通过改变单轴双折射晶体薄片与激光束空间夹角以及单轴双折射晶体薄片的厚度，就能够快速连续地调节太赫兹波的偏振和强度。

Claims (5)

1.一种可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1）建立调节光路：在飞秒激光器出口处放置一块聚焦透镜，入射激光依次经过聚焦透镜和倍频晶体后产生倍频光，倍频光和剩余的基频光垂直入射通过单轴双折射晶体薄片和玻璃片后，在焦点附近形成空气等离子体，产生太赫兹波；
2）改变单轴双折射晶体薄片的厚度，可计算出基频光与倍频光在单轴双折射晶体中传播的光程差，即调节两者之间的延时，改变基频光和倍频光的相对相位，从而调节太赫兹波的偏振和强度，基频光和倍频光的延时计算公式1为：                                               ， 其中， 
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE004
为基频光与倍频光在单轴双折射晶体中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE006
为单轴双折射晶体薄片厚度,n 倍频光为所选单轴双折射晶体薄片对入射倍频光的折射率，n 基频光为所选单轴双折射晶体薄片对入射基频光的折射率,延时计算公式中，若
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE008
>0，倍频光在时域上传播速度慢于基频光；反之，若
Figure 458340DEST_PATH_IMAGE008
<0，倍频光在时域上传播速度快于基频光；
3）改变玻璃片与入射激光的空间夹角，计算出基频光与倍频光在玻璃片中传播的光程差，即调节两者之间的延时，改变基频光和倍频光的相对相位，从而调节太赫兹波的偏振和强度，延时计算公式2：
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE010
， 其中， 
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE012
为基频光与倍频光在玻璃片中传播的光程差，C为光在真空中传播的速度，
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE014
为玻璃片厚度，Θ为玻璃片与入射激光正交平面的法平面所成夹角，
Figure 2012104034671100001DEST_PATH_IMAGE016
为所选玻璃片对入射倍频光的折射率，为所选玻璃片对入射基频光的折射率； 
4）经过步骤2）和步骤3）调节后产生的太赫兹波通过高阻硅片滤波，进入太赫兹波探测系统。
2.根据权利要求1所述可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，其特征在于，所述倍频晶体可以是BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。
3.根据权利要求1所述可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，其特征在于，所述单轴双折射晶体薄片为晶面平行于晶体光轴的单轴双折射晶体薄片。
4.根据权利要求1所述可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，其特征在于，所述单轴双折射晶体薄片厚度可调，其调节方式包括定制一定厚度的单轴双折射晶体薄片或者将多片单轴双折射晶体薄片组合使用。
5.根据权利要求3所述可快速连续调节太赫兹波偏振和强度的方法，其特征在于，所述的单轴双折射晶体可以是方解石或铌酸锂。
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