CN102998260B

CN102998260B - 一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置

Info

Publication number: CN102998260B
Application number: CN201210548593.6A
Authority: CN
Inventors: 孙博; 白晋涛; 任兆玉
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: CN102998260A

Abstract

本发明公开了一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置，包括泵浦光源，望远镜系统，分束镜，两个二分之一波片，两个偏振分束器，三个MgO：LiNbO₃晶体，三个反射镜，成像透镜，太赫兹波收集透镜，两个单光子探测器以及符合测量装置。从泵浦光源出射的泵浦光经望远镜系统缩束后，被分束镜分为透射和反射两束泵浦光。透射的泵浦光通过第一二分之一波片和第一偏振分束器后，激励第一MgO：LiNbO₃晶体产生具有纠缠性质的太赫兹波光子和斯托克斯（Stokes）光子。太赫兹光子经过硅棱镜耦合输出，斯托克斯光子从第一MgO：LiNbO₃晶体输出面出射。具有操作灵活、结构简单、抗干扰能力强、分辨率高、非定域式的等优点。

Description

一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置

技术领域

本发明涉及太赫兹波光电子学技术领域，具体涉及一种双光子纠缠太赫兹波成像装置。

背景技术

处于0.1-10THz（1THz=10¹²Hz）范围内的电磁波——太赫兹波(THz波)，是一个非常具有科学研究价值的电磁波辐射。凭借其所处频段特殊位置以及其低能性、高穿透性等特性，太赫兹波技术目前被广泛应用于各种基础研究领域和应用研究领域中。

近年来，随着THz波光电子技术迅速发展，THz波成像技术方面日新月异。目前，研究最为广泛和深入的THz波成像技术是脉冲THz波时域光谱成像技术。它主要是通过对含有成像物体信息的THz波脉冲从时域到频域的变换，就可获得到它的强度和相位的空间分布信息，进而可得到物体的THz波图像，以及物体的空间密度分布、折射率等信息。然而，这种THz波成像系统光路结构较为复杂，光路稳定性较差，用来产生THz波的飞秒激光器价格昂贵。另一种常见的太赫兹波成像技术，是连续太赫兹波成像技术。这种太赫兹波成像系统通过记录太赫兹波透过物体（或经物体反射）后的强度信息来实现成像，因此与时域光谱成像系统相比，在成像数据采集和处理方式上较为简单、迅速，成像系统结构也相对简单。这种成像技术的主要缺点是图像信息量少，在实验中太赫兹波在光路中的多次反射会发生相干叠加，导致图像中可能存在干涉条纹。

在上述两种常见的THz波成像技术中，还都存在有如下不足：

（1）当携带成像物体信息的THz波在空间传输时，很容易受到外界环境的随机干扰，例如空气流动、湿度变化、烟尘等，成像效果必然会受到影响，抗干扰能力较差，这就限制了这些THz波成像技术在恶劣环境中的实际应用；

（2）由于常用的THz波辐射源的波长一般为百微米或毫米量级，因此根据瑞利衍射极限原理，成像分辨率一般也为相同数量级。虽然目前已将“近场成像技术”和“动态孔径”原理运用到THz波成像技术中，但这大大增加了技术难度和成像光路的复杂程度；

（3）THz波成像技术中通常所使用的THz波辐射源，例如基于飞秒激光器的脉冲THz波源、返波管、光泵THz波激光器等，有的价格昂贵，运行和维护费用高，有的体积大、操作复杂，工作稳定性有待进一步提高，限制了其实用性发展。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种结构简单、非定域式、分辨率高、抗干扰能力强的太赫兹波成像装置。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

第一种方案：

一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置，其特征在于，包括泵浦光源、望远镜系统、分束镜、两个二分之一波片，两个偏振分束器，三个MgO：LiNbO₃晶体、三个反射镜、成像透镜、太赫兹波收集透镜、两个单光子探测器、符合测量装置；其中：

泵浦光源出射的泵浦光经望远镜系统缩束后，被分束镜分为透射和反射两束泵浦光。透射的泵浦光通过第一二分之一波片和第一偏振分束器后，激励第一MgO：LiNbO₃晶体产生具有纠缠性质的太赫兹波光子和斯托克斯（Stokes）光子。太赫兹光子经过硅棱镜耦合输出，斯托克斯光子从第一MgO：LiNbO₃晶体输出面出射；

在太赫兹光子传输路径上放置成像透镜、待成像物体、太赫兹收集透镜，太赫兹光子会聚于第二MgO：LiNbO₃晶体长底面。经分束镜反射的泵浦光通过第二二分之一波片和第二偏振分束器，经第一、第二反射镜和反射后，垂直入射至第二MgO：LiNbO₃晶体的斜面。该泵浦光与太赫兹光子在第二MgO：LiNbO₃晶体中混频，产生频率上转换光子，经第三MgO：LiNbO₃晶体放大后，被第三反射镜反射至第一单光子探测器，第一单光子探测器前加一窄带滤波片。在斯托克斯光子传输路径上，放置加有光纤的第二单光子探测器接收其光子，并可做空间成像扫描；第一和第二单光子探测器连接符合测量装置。

所述第二MgO：LiNbO₃晶体为一等腰梯形晶体，长底面和两个斜面光学抛光。

所述泵浦光源首选电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

所述成像透镜由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

所述符合测量装置包括时幅转换仪和多通道分析仪。

第二种方案：

在太赫兹光子传输路径上放置待成像物体、太赫兹收集透镜，太赫兹光子会聚于第二MgO：LiNbO₃晶体长底面。经分束镜反射的泵浦光经第一、第二反射镜和反射后，垂直入射至第二MgO：LiNbO₃晶体的斜面。该泵浦光与太赫兹光子在第二MgO：LiNbO₃晶体中混频，产生频率上转换光子，经第三MgO：LiNbO₃晶体放大后，被第三反射镜反射至第一单光子探测器，第一单光子探测器前加一窄带滤波片。在斯托克斯光子传输路径上，放置成像透镜，以及加有光纤的第二单光子探测器接收其光子，并可做空间成像扫描。第一和第二单光子探测器连接符合测量装置。

所述成像透镜由K9玻璃或BK7玻璃制成。

所述泵浦光源首选电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

所述符合测量装置包括时幅转换仪和多通道分析仪。

本发明的基于双光子纠缠太赫兹波成像装置，具有操作灵活、结构简单、抗干扰能力强、分辨率高、非定域式的等优点，可广泛用于军事侦察、遥感、生物医学成像、安全反恐、多功能传感器等领域，应用前景巨大。与现有常见的太赫兹波成像技术相比，具有以下优点：

（1）在这种太赫兹成像技术中，待成像物体放置于太赫兹光子传输的光路中，携带物体成像信息的太赫兹波光子，通过非线性频率上转换过程，转换为与泵浦光波长相近的光子，被一固定的、不做空间分辨的单光子探测器全部接收，而在斯托克斯光子传输路径中的单光子探测器做空间成像平面扫描，担任空间分辨测量任务。这样，就实现了物体与成像探测器的分离。也就是说，即使在太赫兹波光子传输的光路中，携带成像物体信息的光场受到外界环境的随机干扰，仍可以在斯托克斯光子传输的光路中获得清晰的像。因此，这种非定域式的太赫兹成像技术可显著提高太赫兹成像系统的抗干扰能力和成像灵活性。

（2）在这种太赫兹成像技术中，成像的分辨率主要是由与泵浦光波长相近的斯托克斯光子的波长决定，而且斯托克斯光子的波长比太赫兹波光子的波长短两到三个数量级，因此这种太赫兹成像的最大优点就是具有较大的空间角分辨率和视场，这对提高太赫兹成像质量意义显著。

（3）在这种太赫兹成像技术中，产生的THz-Stokes纠缠双光子是基于MgO：LiNbO₃晶体晶格振动模自发电磁耦子散射过程产生的，其散射过程与前向拉曼散射过程相似（同时包含有二阶和三阶非线性效应），因此对泵浦光波长的选择要求不高，只要不被晶体吸收即可。而传统的产生纠缠双光子的方法，是基于双折射相位匹配原理，利用非线性晶体（例如BBO晶体）的自发参量下转换过程产生（只包含二阶非线性效应），而且为满足相位匹配条件，对泵浦光的波长的选择较为苛刻。除此之外，基于双折射相位匹配原理，常见的非线性晶体很难利用自发参量下转换过程实现太赫兹波的产生。

（4）利用MgO：LiNbO₃晶体的自发电磁耦子散射原理产生太赫兹波和斯托克斯光，它们的波矢方向（亦即传播方向）夹角较大（约65°左右），因此不需要任何光学器件将其分开。而传统的利用非线性晶体（例如BBO晶体）自发参量下转换过程产生的纠缠双光子，需要添加额外的光学元件（例如偏振分束器）将两光束分开，增加了光路的复杂程度。

附图说明

图1是本发明的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置的一种结构示意图。

图2是本发明的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置的另一种结构示意图。

图3是硅棱镜切割方式示意图。

图4是第二MgO:LiNbO₃晶体的切割方式示意图。

图中的标号分别表示，1、Nd：YAG激光器，2、泵浦光，3、望远镜缩束系统，4、分束镜，5、第一二分之一波片，6、第一偏振分束器，7、第一MgO:LiNbO₃晶体，8、硅棱镜，9、太赫兹波光子，10、斯托克斯光子，11、成像透镜，12、待成像物体，13、太赫兹收集透镜，14、第二MgO:LiNbO₃晶体，15、第二二分之一波片，16、第二偏振分束器，17、第一反射镜，18、第二反射镜，19、第三MgO:LiNbO₃晶体，20、频率上转换光子，21、第三反射镜，22、窄带滤波片，23、第一单光子探测器，24、第二单光子计数器，25、符合测量装置。

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详述。

具体实施方式

需要说明的是，在以下的实施例中，泵浦光源是脉冲激光器，其波长不作限定，只要不为第一MgO：LiNbO₃晶体7吸收即满足要求，首选电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

参见图1，利用电光调Q脉冲Nd：YAG激光器1的基频光（1064nm）输出作为产生非简并双光子纠缠态的泵浦光源，其泵浦光2的偏振方向平行于第一MgO:LiNbO₃晶体7（掺杂浓度为5%mol）的Z轴方向。利用望远镜系统3将泵浦光光斑直径缩束成2mm，通过一个中心波长为1064nm的分束镜4将泵浦光分为透射泵浦光和反射泵浦光。透射的泵浦光通过第一二分之一波片5和第一偏振分束器6后，沿X轴方向垂直入射第一MgO:LiNbO₃晶体7，通过旋转第一二分之一波片5控制入射进第一MgO:LiNbO₃晶体7的泵浦光的能量，使其发生自发电磁耦子散射过程，产生非简并双光子纠缠的太赫兹波光子9和斯托克斯光光子10。透射的泵浦光尽量靠近第一MgO:LiNbO₃晶体7的用作太赫兹波光子输出面的X-Z面，以缩短太赫兹波光子在晶体中的传输路径。

第一MgO:LiNbO₃晶体7切割方式及尺寸为60mm（X轴）×10mm（Y轴）×5mm（Z轴），对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀中心波长为1064nm的增透膜；第一MgO:LiNbO₃晶体7的X-Z面亦进行光学抛光。由于在太赫兹波光子9和斯托克斯光光子10产生过程中，泵浦光、产生的斯托克斯光和太赫兹波三波的波矢满足非共线相位匹配过程，且太赫兹波波矢与泵浦光波矢夹角较大（约65°），因此产生的太赫兹波光子9将从第一MgO:LiNbO₃晶体7的X-Z面处出射，同时产生的斯托克斯光光子10将从第一MgO:LiNbO₃晶体7的X-Y面处出射。为了避免太赫兹波光子9在晶体7中发生全反射，提高其输出效率，利用高电阻率硅（>10KΩ·cm^-1）制成的棱镜8作为太赫兹波光子输出耦合器。如图3所示，硅棱镜8斜面与底面的夹角为40°，棱镜底面长度为20mm，厚度为5mm，其斜面和底面进行光学抛光。将硅棱镜8的底面紧贴于第一MgO:LiNbO₃晶体7用作太赫兹波光子出射的X-Z面。此时，太赫兹波光子9将基本垂直于硅棱8镜斜面耦合输出。

在本实施例中，申请人根据成像透镜11的放置情况，分为以下两种组合：

第一种组合：成像透镜11置于太赫兹波光子9传输路径中，如图1所示。

在太赫兹波光子9传输的路径上放置由高密度白色聚乙烯或TPX材料制成的成像透镜11（焦距为f₁），通过该成像透镜11的太赫兹波光子照射在待成像物体12上。从硅棱镜8到成像透镜11距离为Z₁，从成像透镜11到待成像物体12的距离为Z₂。携带物体信息的太赫兹波光子被一由高密度白色聚乙烯或TPX材料制成的太赫兹收集透镜13所汇聚，在其焦点处放置第二MgO:LiNbO₃晶体（掺杂浓度为5%mol）。如图4所示，第二MgO:LiNbO₃晶体为等腰梯形，底角为65°，两个斜面和下底面均进行光学抛光。两个斜面镀中心波长为1064nm的增透膜。太赫兹波光子从第二MgO:LiNbO₃晶体的长平行面正入射。

从分束镜4反射的泵浦光，通过第二二分之一波片15和第二偏振分束器16后，经第一、第二反射镜（17，18）反射后，垂直入射至第二MgO:LiNbO₃晶体14的一个斜面。通过旋转第二二分之一波片15，以控制入射至第二MgO:LiNbO₃晶体14的泵浦光的能量。由于泵浦光在第二MgO:LiNbO₃晶体14中的全反射角约为28°，因此泵浦光将在其长平行面与空气的界面上发生全反射。此时，太赫兹波光子与反射的泵浦光将在晶体内相互耦合，基于非线性频率上转换原理，差频产生频率上转换光子20。为了增强频率上转换光子20与泵浦光的非线性耦合作用，用第三MgO:LiNbO₃晶体19（切割方式、尺寸及加工方式与第一MgO:LiNbO₃晶体7相同，掺杂浓度相同）对频率上转换光子20进行参量放大。第三MgO:LiNbO₃晶体19的通光面都镀1064nm增透膜。由于此耦合作用满足非共线相位匹配过程，泵浦光与频率上转换光束20从第三MgO:LiNbO₃晶体19出射后，在空间传输一段距离后此两束光会空间分离。利用第三反射镜21将产生的频率上转换光光子20反射至第一单光子探测器23中。在第一单光子探测器23前加一窄带滤波片22，用以滤除杂散光。

在第一MgO:LiNbO₃晶体7产生的斯托克斯光光子10传输路径上放置一加有光纤尾纤的第二单光子探测器24，该第二单光子探测器可做平面成像扫描。从第一MgO:LiNbO₃晶体7的斯托克斯光子输出面到第二单光子探测器24扫描平面的距离为Z₃。第一单光子探测器23和第二单光子探测器24的信号进入由时幅转换仪和多通道分析仪组成的符合测量装置25，并用电脑进行成像数据采集。当满足如下成像公式时：

\frac{1}{z_{1} + z_{3}} + \frac{1}{z_{2}} = \frac{1}{f_{1}}

便可获得清晰的像。

第二种组合：成像透镜置11于斯托克斯光子10的传输路径中，如图2所示。

从硅棱镜8输出的太赫兹波光子9直接照射待成像物体12，携带成像物体信息的太赫兹波光子被与第一种情况一样的探测装置接收。此时，定义从硅棱镜8到待成像物体12的距离为Z₄。

在斯托克斯光子10传输的路径中放置成像透镜11（焦距为f₂），此时该成像透镜11由K9玻璃或BK7玻璃制成，表面镀中心波长为1070nm增透膜。在成像透镜11后放置一加有光纤尾纤的第二单光子探测器24，该第二单光子探测器可做平面成像扫描。从第一MgO:LiNbO₃晶体7的斯托克斯光子输出面到成像透镜11的距离为Z₅，成像透镜11到第二单光子探测器24扫描平面的距离为Z₆。第一单光子探测器23和第二单光子探测器24的信号进入由时幅转换仪和多通道分析仪组成的符合测量装置25，并用电脑进行成像数据采集。当满足如下成像公式时：

\frac{1}{z_{4} + z_{5}} + \frac{1}{z_{6}} = \frac{1}{f_{2}}

便可获得清晰的像。

需要说明的是，上述以实施例是本发明的优选方式，应当理解为通过上述实施例用于本领域的技术人员更进一步的理解本发明，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所作出的添加和等效替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，包括泵浦光源(1)、望远镜系统(3)、分束镜(4)、两个二分之一波片(5，15)，两个偏振分束器(6，16)，三个MgO：LiNbO₃晶体(7，14，19)、三个反射镜(17，18，21)、成像透镜(11)、太赫兹波收集透镜(13)、两个单光子探测器(23，24)、符合测量装置(25)；其中：

所述泵浦光源(1)出射的泵浦光经望远镜系统(3)缩束后，被分束镜(4)分为透射和反射两束泵浦光；透射的泵浦光通过第一二分之一波片(5)和第一偏振分束器(6)后，激励第一MgO：LiNbO₃晶体(7)产生具有纠缠性质的太赫兹波光子(9)和斯托克斯光子(10)；太赫兹光子(9)经过硅棱镜(8)耦合输出，斯托克斯光子(9)从第一MgO：LiNbO₃晶体(7)输出面出射；

在太赫兹光子(9)传输路径上放置成像透镜(11)、待成像物体(12)、太赫兹收集透镜(13)；太赫兹光子(9)会聚于第二MgO：LiNbO₃晶体(14)长底面；经分束镜(4)反射的泵浦光通过第二二分之一波片(15)和第二偏振分束器(16)，经第一反射镜(17)和第二反射镜(18)反射后，垂直入射至第二MgO：LiNbO₃晶体(14)的斜面；其中，该泵浦光与太赫兹光子(9)在第二MgO：LiNbO₃晶体(14)中混频，产生频率上转换光子(20)，经第三MgO：LiNbO₃晶体(19)放大后，被第三反射镜(21)反射至第一单光子探测器(23)，第一单光子探测器(23)前加一窄带滤波片(22)；

在斯托克斯光子(10)传输路径上，放置加有光纤的第二单光子探测器(24)接收其光子，并可做空间成像扫描，第一单光子探测器(23)和第二单光子探测器(24)连接符合测量装置(25)。

2.一种基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，包括泵浦光源(1)、望远镜系统(3)、分束镜(4)、两个二分之一波片(5，15)，两个偏振分束器(6，16)，三个MgO：LiNbO₃晶体(7，14，19)、三个反射镜(17，18，21)、成像透镜(11)、太赫兹波收集透镜(13)、两个单光子探测器(23，24)、符合测量装置(25)；其中：

在太赫兹光子传输路径上放置待成像物体(12)、太赫兹收集透镜(13)，太赫兹光子会聚于第二MgO：LiNbO₃晶体(14)长底面；经分束镜(4)反射的泵浦光通过第二二分之一波片(15)和第二偏振分束器(16)，经第一反射镜(17)和第二反射镜(18)反射后，垂直入射至第二MgO：LiNbO₃晶体(14)的斜面；该泵浦光与太赫兹光子(9)在第二MgO：LiNbO₃晶体(14)中混频，产生频率上转换光子(20)，经第三MgO：LiNbO₃晶体(19)放大后，被第三反射镜(21)反射至第一单光子探测器(23)，第一单光子探测器(23)前加一窄带滤波片(22)；

在斯托克斯光子传输路径上，放置成像透镜(11)，以及加有光纤的第二单光子探测器(24)接收其光子，并可做空间成像扫描，第一单光子探测器(23)和第二单光子探测器(24)连接符合测量装置(25)。

3.如权利要求1或2所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述的泵浦光源(1)是脉冲激光器，其波长不作限定，只要不为第一MgO：LiNbO₃晶体(7)吸收即满足要求。

4.如权利要求3所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述的泵浦光源(1)选择电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

5.如权利要求1或2所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述第一MgO：LiNbO₃晶体(7)和第二MgO：LiNbO₃晶体(14)的切割方式为(X-Y-Z)。

6.如权利要求1所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述成像透镜(11)是由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

7.如权利要求2所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述成像透镜(11)是由K9玻璃或BK7玻璃制成。

8.如权利要求1或2所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述第二MgO：LiNbO₃晶体(14)为一等腰梯形晶体，长底面和两个斜面光学抛光。

9.如权利要求1或2所述的基于双光子纠缠的太赫兹成像装置，其特征在于，所述硅棱镜(8)置于第一MgO：LiNbO₃晶体(7)的X-Z面上，且底角切割角度为40°。