CN103557941A

CN103557941A - 宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法

Info

Publication number: CN103557941A
Application number: CN201310525743.6A
Authority: CN
Inventors: 彭滟; 朱亦鸣; 周云燕; 刘姝祺; 方丹; 陈向前; 洪淼; 庄松林
Original assignee: JIANGSU TUOLING PHOTOELECTRIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: JIANGSU TUOLING PHOTOELECTRIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103557941B

Abstract

本发明涉及一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法，将太赫兹波时域探测系统和光斑成像系统结合起来，采用安装在移动平台上的可翻转凹透镜、可翻转反射镜和钻有通孔的离轴抛物面镜来调节和切换系统，在实际操作过程中，只需要依据实际实验情况调节可翻转凹透镜的位置及其和可翻转反射镜的翻转，就可实现宽带太赫兹波时域探测与光斑成像装置的调整，从而实现宽带太赫兹波时域探测与光斑成像实验装置之间的快速转换。构成简单，容易操作，该装置对于各种不同原理产生的太赫兹波，及各种不同频谱宽度的太赫兹波均适用。

Description

宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法

技术领域

本发明涉及一种电磁波探测及成像技术，特别涉及一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法。

背景技术

一般称谓的太赫兹波是指频率在0.1到10 THz范围的电磁波，在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间；有时候太赫兹波也被赋予一种更广泛的定义，其频率范围可包含高达100 THz的电磁波，这包括了整个中、远红外波段。太赫兹波同其相邻两侧的红外和微波一样，在探测和光斑成像等方面能够发掘全新的技术，从而实现在材料、微电子、医学诊断、大气与环境监测、生物检测和通讯等诸多方面的应用。太赫兹科学和技术已经成为21世纪最有前途的研究方向之一。

目前，太赫兹波从频谱宽度来区分主要分为窄带太赫兹波的产生及探测和宽带太赫兹波的产生及探测两大类。

窄带太赫兹波，其频谱宽度约为0-4 THz，普遍采用的方法是光电导天线和电光晶体来发射和探测太赫兹波。光电导天线发射太赫兹波时，一束超快激光光束照射光电导天线，在光电导材料中产生电子-空穴对，自由载流子被偏置电场加速，产生瞬变的光电流，这种快速的、随时间变化的电流辐射出太赫兹波。电光晶体发射太赫兹波时，一束超短激光脉冲聚焦在电光材料上，通过二阶或高阶非线性光学过程来产生低频电极化场，由此辐射出太赫兹电磁波。利用这两种方法产生和探测太赫兹波的过程中，太赫兹辐射的频谱范围有两个共同的限制因素：一是光电导天线及电光晶体的响应速度，二是激发光脉冲的脉冲宽度，另外利用电光晶体来发射和探测太赫兹波还受由相位匹配条件所限制的相干频谱范围影响。由于太赫兹频谱范围越宽，在材料及生物医学检测方面可提供的有效信息就越多，太赫兹通讯等应用也具有更大的发展前景。所以，这种窄带的太赫兹源已经满足不了当前的科研要求，众多的研究者都在致力于拓宽其频谱范围，开发出一种新型的宽带太赫兹源。

宽带太赫兹波，其频谱范围为零到几十太赫兹甚至一百太赫兹，目前主要是利用空气来产生和探测。飞秒激光脉冲及其二次谐波经透镜聚焦后在空气中发生四波混频过程，利用三阶非线性效应来产生超强超宽带太赫兹波。利用空气探测太赫兹波正是运用了此非线性效应的逆过程，太赫兹波与超短激光脉冲在外加电场的作用下诱导产生二次谐波（

Figure 2013105257436100002DEST_PATH_IMAGE002

其中I_2ω为二次谐波的光强，

Figure 2013105257436100002DEST_PATH_IMAGE004

为空气的三阶非线性系数，I_ω为探测光的光强，为外加电压的电场幅度，

Figure 2013105257436100002DEST_PATH_IMAGE008

为太赫兹波的电场幅度）。由于二次谐波的强度正比于太赫兹电场幅度（I_2ω∝E_THz），故可通过探测二次谐波从而实现对太赫兹波的探测。这种太赫兹波时域探测方法主要探测光的强度及脉冲宽度有关，一般来说，使用脉冲宽度为十几飞秒的超短激光脉冲就可实现对频谱宽度高达几十甚至一百太赫兹的超宽带太赫兹波的探测，且这种方法产生的太赫兹波相对于目前已经广泛使用的光电导天线和电光晶体方法产生的窄带太赫兹源其频谱分辨率更高。

总的来说，利用空气产生的宽带太赫兹波正在逐渐取代光电导天线和电光晶体等方法产生的窄带太赫兹源，但当前大多数实验中广泛使用的都是针对窄带太赫兹波的探测及成像，且太赫兹波时域探测装置与光斑成像装置之间相互独立、转换不方便。基于实验上的种种不便捷性，目前还没有宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置出现。

发明内容

本发明是针对现在广泛使用的都是针对窄带太赫兹波的探测及成像，且太赫兹波时域探测装置与光斑成像装置之间相互独立、转换不方便的问题，提出一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法，采用安装在移动平台上的可翻转凹透镜、可翻转反射镜和钻有通孔的离轴抛物面镜，通过调节可翻转凹透镜和可翻转反射镜的翻转，从而实现宽带太赫兹波时域探测装置与光斑成像装置之间的快速便捷转换。

本发明的技术方案为：一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置，包括激光光源1，分束片2，太赫兹波发射系统3，反射镜A4，反射镜B5,光束延时系统6，反射镜C7,凸透镜A8，可翻转凹透镜9，离轴抛物面镜10，金属电极11,高压电源12，凸透镜B13，带通滤波片14，可翻转反射镜D15，能量衰减片16，CCD光束质量分析仪17和光电探测器及信号处理系统18，激光光源1发出的激光通过分束片2后，部分透射光作为泵浦光束进入太赫兹波发射系统3用于辐射太赫兹波，另一部分反射光束作为探测光束经反射镜A4反射后进入太赫兹波时域探测系统或光斑成像系统；

太赫兹波时域探测系统：反射镜A4输出的反射光经反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过共焦的凸透镜A8和离轴抛物面镜10中的通孔后聚焦于离轴抛物面镜10的焦点处；太赫兹波发射系统3输出的辐射太赫兹波经离轴抛物面镜10聚焦，并与探测光束聚焦于同一点，聚焦后的探测光束与太赫兹波在金属电极11两端由高压电源12提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤光后，最后进入光电探测器及信号处理系统18；

光斑成像系统：反射镜A4输出的反射光经反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和可翻转凹透镜9后输出平行光，平行光通过离轴抛物面镜10中的通孔到达其焦点处；太赫兹波发射系统3输出的辐射太赫兹波聚焦后亦到达同一焦点处，离轴抛物面镜10出射的探测光束与太赫兹波在金属电极11两端由高压电源12提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤光后，经可翻转反射镜D15反射，通过能量衰减片16进入CCD光束质量分析仪17进行成像。

所述金属电极11置于离轴抛物面镜10的焦点处，高压电源12给金属电极11两端提供的为交流电压，高压电源12其工作频率与激光光源1发出激光的频率相同或为其1/n倍，n为整数。

一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置调整方法，包括宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置，具体包括如下调整步骤：

1）太赫兹波光斑成像：将可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15翻转进入光路，激光光源1发出的激光通过分束片2反射出的探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和可翻转凹透镜9后输出平行光，平行光通过离轴抛物面镜10中的通孔到达其焦点处，激光光源1发出的激光通过分束片2透射出的透射光经太赫兹波发射系统3辐射出的太赫兹波经离轴抛物面镜10聚焦后亦到达同一焦点，调整可翻转凹透镜9下方的移动平台，使焦点处的探测光光斑面积大于聚焦后的太赫兹光斑面积，调整后，探测光束与太赫兹波在金属电极11两端电压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度，发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤除其余杂散光，经可翻转反射镜D15反射，最后通过能量衰减片16进入CCD光束质量分析仪17成像；

2）太赫兹波时域探测：将可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15翻下，激光光源1发出的激光通过分束片2反射出的探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和离轴抛物面镜10中的通孔后聚焦，与激光光源1发出的激光通过分束片2透射出的透射光经太赫兹波发射系统3辐射出的太赫兹波聚焦于同一点，聚焦后的探测光束和太赫兹波在金属电极11两端电压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度，发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再由带通滤波片14滤除其余杂散光，最后进入光电探测器及信号处理系统18，得到太赫兹波的频谱图。

本发明的有益效果在于：本发明宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置及调整方法，构成简单，容易操作。在实际操作过程中，只需要依据实际实验情况调节可翻转凹透镜的位置及其和可翻转反射镜的翻转，就可实现宽带太赫兹波时域探测与光斑成像装置的调整，从而实现宽带太赫兹波时域探测与光斑成像实验装置之间的快速转换。该装置对于各种不同原理产生的太赫兹波，及各种不同频谱宽度的太赫兹波均适用。

附图说明

图1为本发明宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置结构示意图；

图2为本发明宽带太赫兹波光斑成像装置结构示意图；

图3为本发明宽带太赫兹波时域探测装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置结构示意图，由激光光源1，分束片2，太赫兹波发射系统3，反射镜A4，反射镜B5，光束延时系统6，反射镜C7，凸透镜A8，可翻转凹透镜9，离轴抛物面镜10，金属电极11,高压电源12，凸透镜B13，带通滤波片14，可翻转反射镜D15，能量衰减片16，CCD光束质量分析仪17和光电探测器及信号处理系统18组成。其中，可翻转凹透镜9固定于一个移动平台上，前后移动，可通过调节其相对凸透镜A8的距离来改变探测光束在焦点处的光斑大小，离轴抛物面镜10钻有通孔可使探测光束直接通过。翻转可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15，使其进入光路工作，则为宽带太赫兹波光斑成像装置；翻转可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15，使其与光路平行，则为宽带太赫兹波时域探测装置。

如图2所示宽带太赫兹波光斑成像装置结构示意图，由激光光源1，分束片2，太赫兹波发射系统3，反射镜A4，反射镜B5,光束延时系统6，反射镜C7，凸透镜A8，可翻转凹透镜9，离轴抛物面镜10，金属电极11, 高压电源12，凸透镜B13，带通滤波片14，可翻转反射镜D15，能量衰减片16和CCD光束质量分析仪17组成。其中，可翻转凹透镜9固定于一个移动平台上，通过调节其相对凸透镜A8的距离来改变探测光束在焦点处的光斑大小，离轴抛物面镜10钻有通孔可使探测光束直接通过离轴抛物面镜10。将可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15翻转进入光路，激光光源1发出的激光脉冲经分束片2后部分反射光作为探测光束，探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和可翻转凹透镜9后以平行光继续传播，通过离轴抛物面镜10中的通孔到达其焦点处，激光光源1发出的激光脉冲直接通过分束片2的另一部分透射光，通过太赫兹波发射系统3辐射出的太赫兹波经离轴抛物面镜10聚焦后亦到达同一焦点，为了保证太赫兹光斑形状探测的完整性，焦点处的探测光光斑面积须大于聚焦后的太赫兹光斑面积，这可根据实际实验需要控制可翻转凹透镜9下方的移动平台来调节焦点处的探测光光斑大小。从离轴抛物面镜10出射的探测光束与太赫兹波在金属电极11两端由高压电源12提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度（I_2ω∝E_THz）。发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤除其余杂散光，经可翻转反射镜D15反射，最后通过能量衰减片16进入CCD光束质量分析仪17进行成像。由于二次谐波信号的强度正比于太赫兹波电场幅度，故通过CCD光束质量分析仪17所获得的二次谐波信号的成像可以真实地反映太赫兹波的强度分布。

如图3所示宽带太赫兹波时域探测装置结构示意图，由激光光源1，分束片2，太赫兹波发射系统3，反射镜A4，反射镜B5,光束延时系统6，反射镜C7，凸透镜A8，离轴抛物面镜10，金属电极11, 高压电源12，凸透镜B13，带通滤波片14，和光电探测器及信号处理系统18组成。激光光源1发出的激光脉冲经分束片2后部分反射光作为探测光束，探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和离轴抛物面镜10中的通孔后聚焦，激光光源1发出的激光脉冲直接通过分束片2的另一部分透射光，通过太赫兹波发射系统3辐射出的太赫兹波也经离轴抛物面镜10聚焦，并与探测光束聚焦于同一点，探测光与太赫兹波在金属电极11两端由高压电源12提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度（I_2ω∝E_THz）。发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤除其余杂散光，最后进入光电探测器及信号处理系统18，得到二次谐波的强度信号，该信号直接反映出THz波的强度。探测过程中，通过调节光束延时系统6可精确控制探测光脉冲与太赫兹波之间的时域重合，从而得到二次谐波的时域变化图形，分析变换可得到太赫兹波的频谱图。

其中带通滤波片14、可翻转反射镜D15为针对探测光的二次谐波的滤波片和反射镜，其中分束片2、反射镜A4、反射镜B5、光束延时系统6中的两个反射镜、反射镜C7针对激光光源1发射出的激光波长范围。

金属电极11置于离轴抛物面镜10的焦点处，金属电极11两端施加的为交流电压，控制电压的高压电源12其工作频率与激光光源1发出激光的频率相同或为其1/n倍（n为整数）。

光电探测器及信号处理系统18中的光电探测器可选光电二极管和光电倍增管。

在下面的实例中，宽带太赫兹波光斑成像装置与宽带太赫兹波时域探测装置均以空气等离子体产生太赫兹波为例，其他产生的太赫兹波与上述实施方法一致。

宽带太赫兹波光斑成像实验，飞秒激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为130 fs，重复频率1 KHz，具体调节过程如下：将可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15翻转进入光路，探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射后，经过凸透镜A8（焦距500 mm）和可翻转凹透镜9(焦距250 mm)后以平行光继续传播(即缩束比2：1)，通过离轴抛物面镜10（焦距50 mm）中的通孔到达其焦点处，泵浦光束到达太赫兹波发射系统3利用空气等离子体辐射出的太赫兹波经离轴抛物面镜10聚焦后亦到达同一焦点，为了保证太赫兹光斑形状探测的完整性，焦点处的探测光光斑面积须大于聚焦后的太赫兹光斑面积，这可根据实际实验需要控制可翻转凹透镜9下方的移动平台来调节焦点处的探测光光斑大小（微调后探测光束未必以平行光传播，只要保证探测光束离轴抛物面镜10焦点处的光斑大于聚焦后的太赫兹光斑即可）。800 nm的探测光束与太赫兹波在间隔约为8 mm的金属电极11两端电压（约2 kV，用于增强二次谐波产生的强度）的作用下产生探测光束的二次谐波信号--400 nm成分的光，其强度正比于太赫兹波电场幅度（I₄₀₀∝E_THz）。发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤除其余杂散光，经可翻转反射镜D15反射，最后通过能量衰减片16进入CCD光束质量分析仪17进行成像。由于二次谐波信号的强度正比于太赫兹波电场幅度，且太赫兹波的所有能量被完全应用于产生二次谐波，故通过CCD光束质量分析仪17所获得的二次谐波信号的成像可以真实地反映太赫兹波的强度分布。

宽带太赫兹波时域探测实验，飞秒激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为130 fs，重复频率1 KHz，具体调节过程如下：将可翻转凹透镜9和可翻转反射镜D15翻转下来（用凸透镜A8将探测光束聚焦，其峰值功率增大，将使得二次谐波的转换效率也增大，I₄₀₀∝I₈₀₀），激光光源1发出的激光脉冲经分束片2后部分反射光作为探测光束，探测光束经反射镜A4及反射镜B5反射通过光束延时系统6，再由反射镜C7反射经过凸透镜A8和离轴抛物面镜10中的通孔到达凸透镜A8焦点处，激光光源1发出的激光脉冲经分束片2后部分透射光作为泵浦光束到达太赫兹波发射系统3利用空气等离子体辐射出的太赫兹波也聚焦于同一点，并在间隔约为8 mm的金属电极11两端电压（约5 kV，

Figure 2013105257436100002DEST_PATH_IMAGE010

∝E_bias，提高电压用于增强二次谐波的产生强度最大，最终实现信噪比的提高）的作用下产生探测光束的二次谐波信号--400 nm成分的光，其强度正比于太赫兹波电场幅度（I_2ω∝E_THz）。发散的二次谐波信号经过凸透镜B13准直后再经带通滤波片14滤除其余杂散光，最后进入光电探测器及信号处理系统18，得到二次谐波的强度信号，该信号直接反映出THz波的强度。探测过程中，通过调节光束延时系统6可精确控制探测光脉冲与太赫兹波之间的时域重合，从而得到二次谐波的时域变化图形，分析变换可得到太赫兹波的频谱图。

Claims

1.一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置，其特征在于，包括激光光源（1），分束片（2），太赫兹波发射系统(3)，反射镜A（4），反射镜B（5）,光束延时系统（6），反射镜C（7）,凸透镜A（8），可翻转凹透镜（9），离轴抛物面镜（10），金属电极（11）,高压电源（12），凸透镜B（13），带通滤波片（14），可翻转反射镜D(15），能量衰减片（16），CCD光束质量分析仪（17）和光电探测器及信号处理系统（18），激光光源（1）发出的激光通过分束片（2）后，部分透射光作为泵浦光束进入太赫兹波发射系统（3）用于辐射太赫兹波，另一部分反射光束作为探测光束经反射镜A（4）反射后进入太赫兹波时域探测系统或光斑成像系统；

太赫兹波时域探测系统：反射镜A（4）输出的反射光经反射镜B（5）反射通过光束延时系统（6），再由反射镜C（7）反射经过共焦的凸透镜A（8）和离轴抛物面镜（10）中的通孔后聚焦于离轴抛物面镜（10）的焦点处；太赫兹波发射系统（3）输出的辐射太赫兹波经离轴抛物面镜（10）聚焦，并与探测光束聚焦于同一点，聚焦后的探测光束与太赫兹波在金属电极（11）两端由高压电源（12）提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，发散的二次谐波信号经过凸透镜B（13）准直后再经带通滤波片（14）滤光后，最后进入光电探测器及信号处理系统（18）；

光斑成像系统：反射镜A（4）输出的反射光经反射镜B（5）反射通过光束延时系统（6），再由反射镜C（7）反射经过凸透镜A（8）和可翻转凹透镜（9）后输出平行光，平行光通过离轴抛物面镜（10）中的通孔到达其焦点处；太赫兹波发射系统（3）输出的辐射太赫兹波聚焦后亦到达同一焦点处，离轴抛物面镜（10）出射的探测光束与太赫兹波在金属电极（11）两端由高压电源（12）提供的高压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，二次谐波信号经过凸透镜B（13）准直后再经带通滤波片（14）滤光后，经可翻转反射镜D(15）反射，通过能量衰减片（16）进入CCD光束质量分析仪（17）进行成像。

2.根据权利要求1所述宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置，其特征在于，所述金属电极（11）置于离轴抛物面镜（10）的焦点处，高压电源（12）给金属电极（11）两端提供的为交流电压，高压电源（12）其工作频率与激光光源（1）发出激光的频率相同或为其1/n倍，n为整数。

3.一种宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置调整方法，包括宽带太赫兹波时域探测与光斑成像一体化装置，其特征在于，具体包括如下调整步骤：

1）太赫兹波光斑成像：将可翻转凹透镜（9）和可翻转反射镜D（15）翻转进入光路，激光光源（1）发出的激光通过分束片（2）反射出的探测光束经反射镜A（4）及反射镜B（5）反射通过光束延时系统（6），再由反射镜C（7）反射经过凸透镜A（8）和可翻转凹透镜（9）后输出平行光，平行光通过离轴抛物面镜（10）中的通孔到达其焦点处，激光光源（1）发出的激光通过分束片（2）透射出的透射光经太赫兹波发射系统（3）辐射出的太赫兹波经离轴抛物面镜（10）聚焦后亦到达同一焦点，调整可翻转凹透镜（9）下方的移动平台，使焦点处的探测光光斑面积大于聚焦后的太赫兹光斑面积，调整后，探测光束与太赫兹波在金属电极（11）两端电压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度，发散的二次谐波信号经过凸透镜B（13）准直后再经带通滤波片（14）滤除其余杂散光，经可翻转反射镜D（15）反射，最后通过能量衰减片（16）进入CCD光束质量分析仪（17）成像；

2）太赫兹波时域探测：将可翻转凹透镜（9）和可翻转反射镜D（15）翻下，激光光源（1）发出的激光通过分束片（2）反射出的探测光束经反射镜A（4）及反射镜B（5）反射通过光束延时系统（6），再由反射镜C（7）反射经过凸透镜A（8）和离轴抛物面镜（10）中的通孔后聚焦，与激光光源（1）发出的激光通过分束片（2）透射出的透射光经太赫兹波发射系统（3）辐射出的太赫兹波聚焦于同一点，聚焦后的探测光束和太赫兹波在金属电极（11）两端电压的作用下产生探测光束的二次谐波信号，其强度正比于太赫兹波电场幅度，发散的二次谐波信号经过凸透镜B（13）准直后再由带通滤波片（14）滤除其余杂散光，最后进入光电探测器及信号处理系统（18），得到太赫兹波的频谱图。