CN103557949A

CN103557949A - 一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法

Info

Publication number: CN103557949A
Application number: CN201310533473.3A
Authority: CN
Inventors: 王玉华; 余翔翔; 赵存玲; 谢亚峰; 唐翰玉
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103557949B

Abstract

本发明涉及一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法。其技术方案是：将通过晶体提拉法生长的铌酸锂单晶采用金属蒸汽真空弧方法制得注铜的铌酸锂单晶薄片作为太赫兹辐射源(5)；再将钛蓝宝石激光器(3)产生的激光脉冲入射到太赫兹辐射源(5)，采用光整流方法产生太赫兹脉冲；然后利用电光采样方法得到太赫兹时域脉冲谱，最后通过计算机内装有的MatLab软件对太赫兹时域脉冲谱进行快速傅里叶变换，得到太赫兹频域脉冲谱。本发明具有装置简单、成本低、太赫兹辐射源的原料丰富易得、太赫兹脉冲产生效率高的特点。

Description

一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法

技术领域

本发明属于太赫兹辐射源技术领域，尤其涉及一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法。

背景技术

太赫兹（THz）是介于宏观电子学向微观光子学过渡的频段，频率为0.1THz到10THz之间。太赫兹脉冲所处的特殊频段决定了其特殊的性质，它不仅适合于生物医学成像和探测成像，而且是空间运动目标的侦察﹑识别﹑致盲﹑对抗无线通信和反恐辑毒的有力工具。在过去几年里，太赫兹应用已经渗透到物理、传感、通讯、生命科学等领域。国际上已有一百多个研究小组从事有关太赫兹相关领域的研究。太赫兹脉冲辐射源技术的发展是推动太赫兹应用技术及其相关交叉学科迅速发展的关键所在。

目前，采用传统的太赫兹脉冲产生技术产生的太赫兹脉冲电场强度低，太赫兹脉冲的能量也较低，能量转换效率不高，要同时检测所产生的太赫兹脉冲还需额外增加一台激光器用来产生探测光，因此实验装置复杂，成本高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种装置简单、成本低、太赫兹辐射源的原料丰富易得、太赫兹脉冲产生效率高的产生太赫兹脉冲和实时检测的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤1、先通过晶体提拉法生长铌酸锂单晶，然后对所述铌酸锂单晶切割抛光，制得铌酸锂单晶薄片。再采用金属蒸汽真空弧方法，将铜离子注入所述铌酸锂单晶薄片，制得注铜的铌酸锂单晶薄片；注铜的铌酸锂单晶薄片为太赫兹辐射源。

步骤2、将太赫兹辐射源垂直地安装在太赫兹脉冲装置的会聚透镜的右边，开启太赫兹脉冲系统的钛蓝宝石激光器，钛蓝宝石激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过分束器产生泵浦光脉冲和探测光脉冲，泵浦光脉冲与探测光脉冲具有相同的中心波长、重复频率和初始相位值。

步骤3、将泵浦光脉冲垂直入射到太赫兹辐射源，采用光整流方法产生太赫兹脉冲。

步骤4、将探测光脉冲和太赫兹脉冲共同入射到太赫兹检测器件，调节可移动反射镜调整太赫兹检测器件接收到的探测光和太赫兹脉冲之间的光程差，利用电光采样方法得到太赫兹时域脉冲谱，将太赫兹时域脉冲谱传给计算机，利用计算机内装有的MatLab软件对太赫兹时域脉冲谱进行快速傅里叶变换，得到太赫兹频域脉冲谱。

所述铌酸锂单晶薄片的尺寸为20×20×1mm³。

所述泵浦光脉冲极化方向垂直于铌酸锂单晶的C轴。

所述金属蒸汽真空弧方法的工艺参数是：铜离子注入剂量为1.2×10¹⁷ions/cm²，加速电压为35KV，粒子流密度为25μA/cm²。

所述太赫兹脉冲装置是：在机架上固定装有钛蓝宝石激光器，在钛蓝宝石激光器的正下方从上到下依次装有分束器和第一反射镜，第一反射镜与水平面的夹角为45°，第一反射镜的镜面朝向左上方；分束器的右边装有第二反射镜，分束器的左边装有可移动反射镜，分束器、第二反射镜和可移动反射镜位于同一水平线上；第二反射镜的正下方平行地装有第三反射镜，第一反射镜的左边装有第四反射镜，第四反射镜的正上方装有第五反射镜。

第一反射镜、第三反射镜和第四反射镜位于同一水平线上，第一反射镜的延长线分别与第三反射镜和第四反射镜的延长线的夹角为90°，第五反射镜和分束器分别与第一反射镜平行。

第五反射镜的右边从左到右依次装有会聚透镜、太赫兹辐射源和第一离轴抛物面镜，第一离轴抛物面镜的正下方从上到下依次装有硅滤波片和第二离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜的右边从左到右依次装有碲化锌晶片、四分之一波片、沃拉斯顿透镜、平衡光电探测器、锁相放大器和计算机。

第一离轴抛物面镜的抛物面朝向左下方，硅滤波片水平安装，第二离轴抛物面镜的抛物面朝向右上方；第二离轴抛物面镜、碲化锌晶片、四分之一波片、沃拉斯顿透镜、平衡光电探测器、锁相放大器位于同一水平线上。

所述钛蓝宝石激光器的重复频率为1KHz，脉冲宽度为35fs，中心波长为800nm。

本发明中的钛蓝宝石激光源产生重复频率1KHz、脉冲宽度35fs和中心脉冲长800nm的脉冲激光，所述脉冲激光垂直地入射到分束器上，一部分激光被分束器反射作为探测光，另一部分穿过分束器作为泵浦光；泵浦光被第一反射镜反射后水平向左传播，然后再被第四反射镜反射后竖直向上传播，接着被第五反射镜反射后水平向右传播，再被会聚透镜聚焦，聚焦的光束通过太赫兹辐射源，通过光整流效应产生太赫兹脉冲，剩余的泵浦光和太赫兹脉冲被右边的第一离轴抛物面镜准直后向下传播，然后通过正下方的硅滤波片，使得剩余的泵浦光不能通过。

探测光被可移动反射镜反射后水平向左传播，再经过第二反射镜和第三反射镜的反射后水平向右传播，然后穿过第二离轴抛面镜后与被第二离轴抛面镜准直的太赫兹脉冲一起垂直入射到碲化锌晶片和四分之一波片上，接着被右边的沃拉斯顿透镜分成两束光，分别入射到平衡光电探测器的两个探头上，最后被锁相放大器放大后将信号传给计算机，得到太赫兹时域脉冲谱，然后利用MatLab软件进行快速傅里叶变换得到太赫兹频域脉冲谱。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)在太赫兹脉冲的产生和检测过程中只运用到了一台钛蓝宝石激光器，简化了太赫兹脉冲装置的配置，降低了该装置成本。

2)铌酸锂晶体是一种具有较大的二阶非线性折射系数的电光晶体。本发明通过离子注入法改变铌酸锂晶体的晶格结构，从而通过光整流技术获取宽频带的太赫兹脉冲。铌酸锂晶体是负单轴晶体，透光区域约在0.33-5.50μm范围，具有较大的非线性系数。因此，铌酸锂电光晶体是一种应用很广泛的太赫兹脉冲辐射源材料。通过向铌酸锂晶体中进行金属离子注入，可以产生大量的纳米颗粒，提高材料的非线性系数，同时也能提高材料的抗光损伤能力，因此，铌酸锂晶体能作为光整流产生太赫兹脉冲的理想材料。

3）基底材料铌酸锂的应用已经十分成熟，原料易得，价格便宜；同时它又具有很好的光电性能，通过金属离子注入，提高其非线性系数和抗光损伤能力，进而能够提升太赫兹辐射产生效率。

因此，本发明具有装置简单、成本低、太赫兹辐射源的原料丰富易得、太赫兹脉冲产生效率高的特点。

附图说明

图1为本发明的一种示意图；

图2为本发明得到的一种太赫兹时域脉冲谱；

图3为本发明得到的一种太赫兹频域脉冲谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法。该方法的具体步骤是：

步骤1、先通过晶体提拉法生长铌酸锂单晶，然后对所述铌酸锂单晶切割抛光，制得铌酸锂单晶薄片。再采用金属蒸汽真空弧方法，将铜离子注入所述铌酸锂单晶薄片，制得注铜的铌酸锂单晶薄片；注铜的铌酸锂单晶薄片为太赫兹辐射源5。

步骤2、如图1所示，将太赫兹辐射源5垂直地安装在太赫兹脉冲装置的会聚透镜4的右边，开启太赫兹脉冲系统的钛蓝宝石激光器3，钛蓝宝石激光器3产生激光脉冲，激光脉冲通过分束器19产生泵浦光脉冲和探测光脉冲，泵浦光脉冲与探测光脉冲具有相同的中心波长、重复频率和初始相位值。

步骤3、如图1所示，将泵浦光脉冲垂直入射到太赫兹辐射源5，采用光整流方法产生太赫兹脉冲。

步骤4、如图1所示，将探测光脉冲和太赫兹脉冲共同入射到太赫兹检测器件，调节可移动反射镜1调整太赫兹检测器件接收到的探测光和太赫兹脉冲之间的光程差，利用电光采样方法得到太赫兹时域脉冲谱，将太赫兹时域脉冲谱传给计算机，利用计算机内装有的MatLab软件对太赫兹时域脉冲谱进行快速傅里叶变换，得到太赫兹频域脉冲谱。

所述铌酸锂单晶薄片的尺寸为20×20×1mm³。

所述泵浦光脉冲极化方向垂直于铌酸锂单晶的C轴。

所述太赫兹脉冲装置的结构如图1所示：在机架上固定装有钛蓝宝石激光器3，在钛蓝宝石激光器3的正下方从上到下依次装有分束器19和第一反射镜17，第一反射镜17与水平面的夹角为45°，第一反射镜17的镜面朝向左上方；分束器19的右边装有第二反射镜15，分束器19的左边装有可移动反射镜1，分束器19、第二反射镜15和可移动反射镜1位于同一水平线上；第二反射镜15的正下方平行地装有第三反射镜16，第一反射镜17的左边装有第四反射镜18，第四反射镜18的正上方装有第五反射镜2。

第一反射镜17、第三反射镜16和第四反射镜18位于同一水平线上，第一反射镜17的延长线分别与第三反射镜16和第四反射镜18的延长线的夹角为90°，第五反射镜2和分束器19分别与第一反射镜17平行。

第五反射镜2的右边从左到右依次装有会聚透镜4、太赫兹辐射源5和第一离轴抛物面镜6，第一离轴抛物面镜6的正下方从上到下依次装有硅滤波片7和第二离轴抛物面镜14，第二离轴抛物面镜14的右边从左到右依次装有碲化锌晶片13、四分之一波片12、沃拉斯顿透镜8、平衡光电探测器9、锁相放大器10和计算机11。

第一离轴抛物面镜6的抛物面朝向左下方，硅滤波片7水平安装，第二离轴抛物面镜14的抛物面朝向右上方；第二离轴抛物面镜14、碲化锌晶片13、四分之一波片12、沃拉斯顿透镜8、平衡光电探测器9、锁相放大器10位于同一水平线上。

所述钛蓝宝石激光器3的重复频率为1KHz，脉冲宽度为35fs，中心波长为800nm。

本发明中的钛蓝宝石激光源3产生重复频率1KHz、脉冲宽度35fs和中心脉冲长800nm的脉冲激光，所述脉冲激光垂直地入射到分束器19上，一部分激光被分束器19反射作为探测光，另一部分穿过分束器19作为泵浦光；泵浦光被第一反射镜17反射后水平向左传播，然后再被第四反射镜18反射后竖直向上传播，接着被第五反射镜2反射后水平向右传播，再被会聚透镜4聚焦，聚焦的光束通过太赫兹辐射源5，通过光整流效应产生太赫兹脉冲，剩余的泵浦光和太赫兹脉冲被右边的第一离轴抛物面镜6准直后向下传播，然后通过正下方的硅滤波片7，使得剩余的泵浦光不能通过。

探测光被可移动反射镜1反射后水平向左传播，再经过第二反射镜15和第三反射镜16的反射后水平向右传播，然后穿过第二离轴抛面镜14后与被第二离轴抛面镜14准直的太赫兹脉冲一起垂直入射到碲化锌晶片13和四分之一波片12上，接着被右边的沃拉斯顿透镜8分成两束光，分别入射到平衡光电探测器9的两个探头上，最后被锁相放大器10放大后将信号传给计算机11，得到太赫兹时域脉冲谱，然后利用MatLab软件进行快速傅里叶变换得到太赫兹频域脉冲谱。

因此，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)在太赫兹脉冲的产生和检测过程中只运用到了一台钛蓝宝石激光器3，简化了太赫兹脉冲装置的配置，降低了该装置成本。

2)铌酸锂晶体是一种具有较大的二阶非线性折射系数的电光晶体。本发明通过离子注入法改变铌酸锂晶体的晶格结构，从而通过光整流技术获取宽频带的太赫兹脉冲。铌酸锂晶体是负单轴晶体，透光区域约在0.33-5.50μm范围，具有较大的非线性系数。因此，铌酸锂电光晶体是一种应用很广泛的太赫兹脉冲辐射源材料。通过向铌酸锂晶体中进行金属离子注入，可以产生大量的纳米颗粒，提高材料的非线性系数，同时也能提高材料的抗光损伤能力，因此，铌酸锂晶体能作为光整流产生太赫兹脉冲的理想材料。如图2所示，所产生的太赫兹脉冲信号稳定。

3）基底材料铌酸锂的应用已经十分成熟，原料易得，价格便宜；同时它又具有很好的光电性能，通过金属离子注入，提高其非线性系数和抗光损伤能力，进而能够提升太赫兹辐射产生效率。如图3所示，所产生的太赫兹脉冲的中心频率在0.37THz附近，同时脉冲具有脉冲展宽小强度高的特点。

因此，本具体实施方式具有装置简单、成本低、太赫兹辐射源的原料丰富易得、太赫兹脉冲产生效率高的特点。

Claims

1.一种产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述方法的具体步骤是：

步骤1、先通过晶体提拉法生长铌酸锂单晶，然后对所述铌酸锂单晶切割抛光，制得铌酸锂单晶薄片；再采用金属蒸汽真空弧方法，将铜离子注入所述铌酸锂单晶薄片，制得注铜的铌酸锂单晶薄片，注铜的铌酸锂单晶薄片为太赫兹辐射源(5)；

步骤2、将太赫兹辐射源(5)垂直地安装在太赫兹脉冲装置的会聚透镜(4)的右边，开启太赫兹脉冲系统的钛蓝宝石激光器(3)，钛蓝宝石激光器(3)产生激光脉冲，激光脉冲通过分束器(19)产生泵浦光脉冲和探测光脉冲，泵浦光脉冲与探测光脉冲具有相同的中心波长、重复频率和初始相位值；

步骤3、将泵浦光脉冲垂直入射到太赫兹辐射源(5)，采用光整流方法产生太赫兹脉冲；

步骤4、将探测光脉冲和太赫兹脉冲共同入射到太赫兹检测器件，调节可移动反射镜(1)调整太赫兹检测器件接收到的探测光和太赫兹脉冲之间的光程差，利用电光采样方法得到太赫兹时域脉冲谱，将太赫兹时域脉冲谱传给计算机，利用计算机内装有的MatLab软件对太赫兹时域脉冲谱进行快速傅里叶变换，得到太赫兹频域脉冲谱。

2.如权利要求1所述产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述铌酸锂单晶薄片的尺寸为20×20×1mm³。

3.如权利要求1所述产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述泵浦光脉冲极化方向垂直于铌酸锂单晶的C轴。

4.如权利要求1所述产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述金属蒸汽真空弧方法的工艺参数是：铜离子注入剂量为1.2×10¹⁷ions/cm²，加速电压为35KV，粒子流密度为25μA/cm²。

5.如权利要求1所述产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述太赫兹脉冲装置的结构是：在机架上固定装有钛蓝宝石激光器(3)，在钛蓝宝石激光器(3)的正下方从上到下依次装有分束器(19)和第一反射镜(17)，第一反射镜(17)与水平面的夹角为45°，第一反射镜(17)的镜面朝向左上方；分束器(19)的右边装有第二反射镜(15)，分束器(19)的左边装有可移动反射镜(1)，分束器(19)、第二反射镜(15)和可移动反射镜(1)位于同一水平线上；第二反射镜(15)的正下方平行地装有第三反射镜(16)，第一反射镜(17)的左边装有第四反射镜(18)，第四反射镜(18)的正上方装有第五反射镜(2)；

第一反射镜(17)、第三反射镜(16)和第四反射镜(18)位于同一水平线上，第一反射镜(17)的延长线分别与第三反射镜(16)和第四反射镜(18)的延长线的夹角为90°，第五反射镜(2)和分束器(19)分别与第一反射镜(17)平行；

第五反射镜(2)的右边从左到右依次装有会聚透镜(4)、太赫兹辐射源(5)和第一离轴抛物面镜(6)，第一离轴抛物面镜(6)的正下方从上到下依次装有硅滤波片(7)和第二离轴抛物面镜(14)，第二离轴抛物面镜(14)的右边从左到右依次装有碲化锌晶片(13)、四分之一波片(12)、沃拉斯顿透镜(8)、平衡光电探测器(9)、锁相放大器(10)和计算机(11)；

第一离轴抛物面镜(6)的抛物面朝向左下方，硅滤波片(7)水平安装，第二离轴抛物面镜(14)的抛物面朝向右上方；第二离轴抛物面镜(14)、碲化锌晶片(13)、四分之一波片(12)、沃拉斯顿透镜(8)、平衡光电探测器(9)、锁相放大器(10)位于同一水平线上。

6.如权利要求1或5所述产生太赫兹脉冲和实时检测的方法，其特征在于所述钛蓝宝石激光器(3)的重复频率为1KHz，脉冲宽度为35fs，中心波长为800nm。