CN106442391A - 一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置 - Google Patents
一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置，隶属光电应用领域。本发明方法利用探测激光脉冲电场与太赫兹波脉冲电场在空气介质中与空气原子/分子的非线性作用产生激光二次谐波信号来探测太赫兹波脉冲的电场时域波形信号，是一种相干探测方法。本发明装置中产生的倍频光信号包含利用探测激光在非线性晶体β‑BBO中产生的光学本征振荡倍频光，也包含探测激光和太赫兹波脉冲电场在空气介质中产生的激光倍频光。本发明利用β‑BBO晶体产生本征振荡源，并通过旋转β‑BBO晶体的快轴与探测激光偏振方向的夹角来控制振荡源的大小，而没有采用外加电压调制器产生本征振荡源，既节省成本，也使得探测方法更为简便，可以在全光学元件条件下施行探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置，具体为一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置，隶属光电应用领域。
背景技术
太赫兹波即频率位于0.1-10太赫兹(1太赫兹＝1012赫兹)的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，属于远红外电磁波。太赫兹波脉冲为超短电磁波辐射脉冲，其时域长度为几百飞秒到几个皮秒，对应的频谱宽度为几个太赫兹。当太赫兹波脉冲频谱宽度为0.1太赫兹左右时，一般称为窄带太赫兹波；当太赫兹波脉冲频谱宽度大于3太赫兹时，称为宽谱太赫兹波脉冲；当太赫兹波频谱宽度接近甚至超过10太赫兹时，称之为超宽频谱。
超短激光脉冲、太赫兹波脉冲与物质的物理作用过程可用来探测太赫兹波脉冲的时域波形。目前探测太赫兹波时域波形的方法主要有自由空间电光取样、光导天线和空气探测方法：
(1)太赫兹波脉冲的自由空间电光取样技术，即利用太赫兹波电场的电光效应(又称泡克尔斯效应)，改变电光晶体的折射率，从而改变穿过电光晶体的探测激光脉冲的偏振态。探测激光脉冲偏振态的改变量与太赫兹波电场大小成正比，因此通过测量探测激光脉冲偏振态的改变量，就获得了太赫兹波电场的大小。通过改变探测激光脉冲和太赫兹波脉冲的之间的时间延迟，可以获得太赫兹波脉冲的时域波形，即包含太赫兹波振幅大小和相位信息。该方法是一种相干探测方法，由于该探测方法中用到电光晶体，因此该探测方法的响应函数受到晶体诸多性质的影响，比如晶体的电光系数、晶体的太赫兹波吸收系数、和晶体的色散关系等。常见的电光晶体有碲化锌晶体和磷化镓晶体。该方法中晶体的太赫兹波吸收系数直接决定了探测系统响应函数的带宽。该方法对于普通太赫兹波辐射探测灵敏度较好，但是由于受到晶体中声子吸收的影响而不能探测超过几个太赫兹以上的宽谱太赫兹波脉冲。
(2)光导天线探测太赫兹波技术，该技术的原理主要是利用探测激光在半导体材料中激发载流子，该载流子在太赫兹波脉冲的电场作用下形成电流，并且该电流大小与太赫兹波电场成线性关系。通过改变探测激光与太赫兹波脉冲之间的时间延迟，可以获得太赫兹波脉冲的时域波形。该方法可以探测到太赫兹波脉冲的振幅和相位，因此也是一种相干探测方法。由于本方法中受到半导体材料若干物理性质的影响，如载流子在材料中驰豫时间，因而也不能用于探测超过几个太赫兹以上的宽谱太赫兹波脉冲。
(3)太赫兹波空气相干探测方法，该方法利用太赫兹波电场和外加周期性调制的静电场在空气中与探测激光脉冲共同产生激光倍频光的方法，能够相干探测到太赫兹波脉冲的振幅和相位，并且该方法中不存在晶体对太赫兹波的吸收，因而不存在探测对太赫兹波脉冲谱宽的限制，因此该方法是一种相干的太赫兹波脉冲宽谱探测方法。但是该方法中需要使用一种外加电场调制器，该调制器属外加的电学仪器，并且外加电场不易转动，从而对太赫兹的偏振探测有一定限制。
上述太赫兹波脉冲三种相干探测方法，其中前两种是可以探测普通带宽的太赫兹波脉冲，第三种方法是超宽频谱探测方法，但是需要额外的电场调制器，增加了探测成本。因此，发展一种更为简便和经济的超宽谱太赫兹波时域光谱相干探测方法，对于太赫兹波科学、技术及其应用，有重要的实际意义。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明利用探测激光脉冲电场与太赫兹波脉冲电场在空气介质中与空气原子/分子的非线性作用产生的激光二次谐波信号，可以探测太赫兹波脉冲的电场时域波形信号，该探测结果包含了太赫兹波脉冲电场的振幅、相位和偏振，是一种相干探测方法。
本发明的原理为：线偏振的探测激光脉冲首先通过一块较薄的β相偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4，简称β-BBO)产生探测激光倍频光信号该倍频信号为本征振荡源。而后，探测激光基频光信号与太赫兹波脉冲电场ETHz在空气介质中由三阶非线性作用产生激光倍频信号。因此探测激光的倍频光信号E2ω是二者的相干叠加：
可见激光倍频光信号包含两部分：一部分是由于空气介质的三阶非线性作用产生，一部分是由β-BBO的倍频作用产生。β-BBO是一种较为常见的用于激光倍频信号产生的非线性晶体，其倍频效率可达百分之十几。由于探测激光基频信号远大于倍频信号，用光过滤片过滤激光基频光后，由光电倍增管可探到倍频光信号的光强，即
由于χ(3)为很小的系数，公式(2)中等号右侧三项中第一项与第二项、第三项相比为小项，可忽略。因此倍频光信号的光强可以表述为：
采用机械斩波器对太赫兹波脉冲进行斩波，并且以斩波信号为锁相放大器的参考频率，从而可以实现外差探测。即
I2ω∝ETHz (4)
因此用光电倍增管测得的光强信号即为太赫兹波电场相对值。改变探测激光脉冲与太赫兹波脉冲之间的时间延迟，逐步扫描探测太赫兹波脉冲在时域上的每一个电场值，即可得到太赫兹波脉冲时域信号，即包含太赫兹波脉冲的振幅和相位信息。由于空气介质的三阶非线性作用依赖于光的偏振，上述作用依赖于探测激光偏振方向和太赫兹波脉冲的偏振方向，二者一致时才会产生足够强的三阶非线性作用的倍频信号，对太赫兹波脉冲的探测才能顺利实施。在实际应用中，利用探测激光的二分之一波光改变探测激光的偏振方向，从而可以使得该探测方法能够探测到太赫兹波的偏振态分布。
本发明提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，该方法至少包括以下步骤：探测激光经过β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡的激光倍频光；太赫兹波脉冲经斩波和聚焦后与探测激光在聚焦点处实现空间重合，并与空气介质发生三阶非线性效应产生激光倍频光；探测激光、太赫兹波脉冲以及两种激光倍频光经激光基频光过滤片过滤后，剩下两种激光倍频光的相干合成被光电倍增管探测；采用外差探测从两种激光倍频光的相干信号中提取空气介质的三阶非线性效应产生的激光倍频光信号，从而得到太赫兹波脉冲电场的相对大小；改变探测激光脉冲和太赫兹波脉冲之间的时间延迟，以得到整个太赫兹波脉冲的时域电场波形。
所述太赫兹波脉冲的斩波频率为所述外差探测使用的锁相放大器的参考频率。
所述探测激光脉冲和太赫兹波脉冲之间的时间延迟可以通过在探测激光光路中设置一组激光反光镜和电动控制平移台实现。
所述探测激光经过β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡的激光倍频光之前，可通过激光二分之一波片改变探测激光的偏振方向来探测太赫兹波脉冲辐射的偏振态的分布。
所述β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡源，本征振荡源大小通过改变β相偏硼酸钡晶体快轴与探测激光偏振方向的夹角来控制。
所述太赫兹波脉冲与探测激光的共线和空间重合可通过在由离轴抛物面镜聚焦太赫兹波波束的焦点前设置铟锡氧化物半导体透明导电玻璃实现，该铟锡氧化物半导体透明导电玻璃与探测激光呈45度角。
本发明提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置，该装置包括：依次设置在同一太赫兹波光路上的光学机械斩波器和90度离轴抛物面反射镜；依次设置在同一探测激光光路上的延迟装置、聚焦透镜、激光二分之一波片、β相偏硼酸钡晶体；设置在太赫兹波光路和探测激光光路重合处的铟锡氧化物半导体透明导电玻璃，铟锡氧化物半导体透明导电玻璃与探测激光呈45度角；依次设置在太赫兹波光路和探测激光光路重合光路上的激光基频光过滤片和光电倍增管。
所述延迟装置由一组激光反光镜和电动控制平移台组成。
所述β相偏硼酸钡晶体的厚度为10-200微米。
本发明提供了一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法及装置，本发明中的倍频光信号包含利用探测激光在非线性晶体β-BBO中产生的光学本征振荡倍频光，也包含探测激光和太赫兹波脉冲电场在空气介质中产生的激光倍频光。一般而言，晶体的二阶非线性效应(这里指倍频)要明显强于气体的三阶非线性(χ(3)作用)，因此使用该方法能比较容易测量强场宽谱太赫兹波脉冲辐射。本探测方法利用β-BBO晶体产生本征振荡源，通过旋转晶体的快轴与探测激光偏振方向的夹角来控制振荡源的大小，而没有采用外加的电压调制器产生本征振荡源，这样既节省了成本，也使得探测方法更为简便，可以在全光学元件条件下施行探测。综上所述，本方法利用全光学元件实现了太赫兹波脉冲的超宽频谱的相干时域光谱探测。
附图说明
图1为本发明所提供的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置及光路示意图；1-待探测的太赫兹波脉冲；2-光学机械斩波器；3-90度离轴的离轴抛物面镜；4-铟锡氧化物半导体透明导电玻璃；5-线偏振的探测激光脉冲；6,7,9,10-激光反光镜；8-电动平移台；11-聚焦透镜；12-激光二分之一波片；13-β相偏硼酸钡晶体；14带通为400±20纳米的激光基频光过滤片；15-光电倍增管。
图2为实施例2中所测得的太赫兹波脉冲时域波形(a)和对应的频谱图(b)；
图3为实施例3中所测得的太赫兹波脉冲时域波形(a)和对应的频谱图(b)；
图4为实施例4中所测得的太赫兹波辐射偏振态分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明，但以下实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。
实施例1：
本实施例提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置，该装置的结构图如附图1所示，1为待探测的太赫兹波脉冲；2为光学机械斩波器；3为90度离轴的离轴抛物面镜；4为铟锡氧化物半导体透明导电玻璃，与探测激光脉冲方向呈45度角；5为线偏振的探测激光脉冲；6,7,9,10为一组激光反光镜；8为电动平移台；11为聚焦透镜；12为激光二分之一波片；13为β相偏硼酸钡晶体；14为带通为400±20纳米的激光基频光过滤片；15为光电倍增管。
准直后待探测的太赫兹波脉冲1入射到光学机械斩波器2进行斩波，再经过90度离轴的离轴抛物面镜3进行聚焦后入射到铟锡氧化物半导体透明导电玻璃4进行全反射，并聚焦于导电玻璃后端；线偏振的探测激光脉冲5经过一组激光反光镜6,7,9,10反射后，入射到聚焦透镜11进行聚焦，然后通过激光二分之一波片12，再入射到β相偏硼酸钡晶体13产生本征振荡的激光倍频光；探测激光脉冲5再通过铟锡氧化物半导体透明导电玻璃4与太赫兹波脉冲1变成共线结构并在聚焦点处实现空间重合，并与空气介质发生三阶非线性效应产生激光倍频光；探测激光脉冲5、太赫兹波脉冲1以及两种激光倍频光经激光基频光过滤片14过滤后，剩下两种激光倍频光的相干合成被光电倍增管15探测；通过激光反光镜6,7,9,10和电动平移台8来改变探测激光脉冲5和太赫兹波脉冲1之间的时间延迟，以得到整个太赫兹波脉冲的时域电场波形。
实施例2
本实施例提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，该方法利用双色飞秒激光脉冲与空气等离子体作用产生太赫兹波辐射，探测激光中，激光脉冲能量为80微焦；聚焦透镜采用F＝40cm的透镜；二分之一波片采用0度角，即不改变探测激光偏振方向；β-BBO晶体快轴与探测激光偏振方向夹角为40度。太赫兹波斩波频率为270赫兹。电动平移台移动步长为3微米，即时间步长为20飞秒。扫描时间窗口为13皮秒。温度为21摄氏度、相对湿度为40％环境下，附图2为所测得的太赫兹波脉冲时域波形(a)和对应的频谱图(b)。为了对比该信号，挡住太赫兹波脉冲，其他参数相同，测量了该系统对应的背景噪声，如附图2中虚线所示。
实施例3
本实施例提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，把太赫兹波产生端和包括该装置的探测端密闭并充入干燥氮气，保持温度为21摄氏度、相对湿度为20％，扫描时间窗口为5皮秒，其他参数和实施例1相同，重新测得太赫兹波时域波形和频谱，如附图3所示。附图3(a)为太赫兹波时域波形，(b)为对应的频谱。由于这样的环境下，湿度较小，水汽对太赫兹波的吸收减小，使得太赫兹波频谱图变得光滑。若相对湿度降到0附近，则太赫兹频谱更为光滑。
实施例4
本实施例提供一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法。根据本发明方法，当太赫兹波电场和探测激光电场方向一致时，二者才可以产生二次谐波，完成太赫兹波电场的相干探测。本实施例中，转动探测激光光路装置中二分之一波片的角度，即改变探测激光偏振方向，然后转动β相偏硼酸钡晶体相同的角度，从而保证探测激光偏振方向发生改变，但是β相偏硼酸钡晶体产生二次谐波的效率不发生变化。这里采用其他的参数与实施例1相同，每次转动探测激光光路装置中二分之一波片和β相偏硼酸钡晶体20度。在每个角度，扫描测量一个太赫兹波脉冲，并把所得的太赫兹波脉冲取其峰峰值，从而可以得到太赫兹波在空间偏振态的分布，如图4中虚线所示。为了检查其正确性，本实施例还使用太赫兹波偏振片和太赫兹波热释电探测器探测太赫兹波的偏振，如图4中实线所示，二者有较好的吻合。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：探测激光经过β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡的激光倍频光；太赫兹波脉冲经斩波和聚焦后与探测激光在聚焦点处实现空间重合，并与空气介质发生三阶非线性效应产生激光倍频光；探测激光、太赫兹波脉冲以及两种激光倍频光经激光基频光过滤片过滤后，剩下两种激光倍频光的相干合成被光电倍增管探测；采用外差探测从两种激光倍频光的相干信号中提取空气介质的三阶非线性效应产生的激光倍频光信号，从而得到太赫兹波脉冲电场的相对大小；改变探测激光脉冲和太赫兹波脉冲之间的时间延迟，以得到整个太赫兹波脉冲的时域电场波形。
2.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，所述太赫兹波脉冲的斩波频率为所述外差探测使用的锁相放大器的参考频率。
3.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，所述探测激光脉冲和太赫兹波脉冲之间的时间延迟可以通过在探测激光光路中设置一组激光反光镜和电动控制平移台实现。
4.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，所述探测激光经过β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡的激光倍频光之前，可通过激光二分之一波片改变探测激光的偏振方向来探测太赫兹波脉冲辐射的偏振态的分布。
5.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，所述β相偏硼酸钡晶体产生本征振荡源，本征振荡源大小通过改变β相偏硼酸钡晶体快轴与探测激光偏振方向的夹角来控制。
6.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测方法，其特征在于，所述太赫兹波脉冲与探测激光的共线和空间重合可通过在离轴抛物面镜焦点前设置铟锡氧化物半导体透明导电玻璃实现，该铟锡氧化物半导体透明导电玻璃与探测激光呈45度角。
7.一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置，其特征在于，该装置包括：依次设置在同一太赫兹波光路上的光学机械斩波器和90度离轴抛物面反射镜；依次设置在同一探测激光光路上的延迟装置、聚焦透镜、激光二分之一波片、β相偏硼酸钡晶体；设置在太赫兹波光路和探测激光光路重合处的铟锡氧化物半导体透明导电玻璃，铟锡氧化物半导体透明导电玻璃与探测激光呈45度角；依次设置在太赫兹波光路和探测激光光路重合光路上的激光基频光过滤片和光电倍增管。
8.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置，其特征在于，所述延迟装置由一组激光反光镜和电动控制平移台组成。
9.根据权利要求1所述的一种超宽频谱的太赫兹波时域光谱相干探测装置，其特征在于，所述β相偏硼酸钡晶体的厚度为10-200微米。
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