CN106802185B - 一种频率连续可调的窄线宽太赫兹光源及光谱仪、成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种频率连续可调的窄线宽太赫兹光源，包括：用于太赫兹波产生的泵浦光；用于衍射泵浦光的闪耀光栅；经过闪耀光栅产生的一级衍射光；具有周期性空间或相位调制的光学掩膜板，用于将一级衍射光进行相位或空间调制；连续变焦镜头，用于对调制的一级衍射光进行光束变换；光束变换后的光束；用于太赫兹波产生的非线性晶体；以及利用此太赫兹源的太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像仪。本发明通过改变变焦镜头的焦距，可以获得频率连续可调的窄线宽的太赫兹波，提高光谱仪的信噪比和成像仪的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光学和光电子学领域，特别涉及一种频率连续可调的太赫兹光源、太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像仪。
技术背景：
太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像系统是当前研究的热点。强的太赫兹光源是限制太赫兹技术进一步发展的瓶颈。现在常用的太赫兹产生方法包括光整流、光电导天线、空气等离子体、量子级联激光器等。这些方法产生的太赫兹波具有较宽的频谱范围，所以在特定的频率处能量很低，不能够满足高精度光谱探测和高分辨率太赫兹成像的要求。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种太赫兹光源，这种光源可以产生强度很高的窄线宽太赫兹波，产生的太赫兹波可以通过调节变焦镜头的焦距，从而覆盖一个比较宽的频率范围，在太赫兹光谱、太赫兹成像中具有重要的应用。
一种频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，该太赫兹光源包括：泵浦光，与所述泵浦光对应的闪耀光栅，用于衍射泵浦光产生一级衍射光；具有周期性空间或相位调制的光学掩膜板，用于将一级衍射光进行相位或空间调制；连续变焦镜头，用于对调制的一级衍射光进行光束变换；非线性晶体，用于产生太赫兹波；
泵浦光按照闪耀光栅的入射角入射；沿闪耀光栅的一级衍射光出射光线方向依次放置光学掩膜板、变焦镜头、非线性晶体。
所述的泵浦光为超短的脉冲激光；其波长可以是400nm-2000nm之间的任意波长；其脉冲长度是30fs-50ps之间的任意长度；其重复频率是任意的；
所述的闪耀光栅的光栅密度为100/mm-2000/mm之间；进一步，其闪耀角根据泵浦光波长和入射角度专门设计；
所述的光学掩膜板，其为光学玻璃，对泵浦光的透过率大于90％；其入射面镀有周期性的光学相位或空间调制模版；所述的周期在30μm-500μm之间；
所述的变焦镜头，镀有对泵浦光的增透膜；其变焦范围在1×—20×之间；
所述的光束变换后的光束，相对与光束变换之前，其只是光斑大小发生变化，仍然是准直的；
所述的非线性晶体，其为铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等；其输入的所述的调制的一级衍射光和输出的太赫兹波成一定的夹角；
所述的非线性晶体，为0.1-10mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体，优选1-5mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体。
一种太赫兹时域光谱仪，包括，本发明所述的频率可调的太赫兹光源；太赫兹波整形系统；样品仓；太赫兹波探测系统；以及软件。太赫兹光源入射到太赫兹波整形系统中，通过整形聚焦到样品仓中心；样品仓中心放置测试样品；经过样品仓投射或反射的太赫兹波入射到太赫兹波探测系统；通过软件来控制太赫兹波的入射和探测。
一种太赫兹成像仪，包括：本发明所述的频率可调的太赫兹光源或如所述的频率可调的太赫兹光源阵列；光学系统；样品仓；太赫兹探测系统；成像分析系统；以及显示器。太赫兹光源阵列经过光学系统变换得到准直的太赫兹波，准直的太赫兹波经过样品仓入射到太赫兹波探测系统；成像分析系统采集太赫兹探测系统的信号，并将其呈现在显示器上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍。
图1是根据本发明实施例的太赫兹光源的结构示意图；
图2是本发明实施例1中光学掩膜板的结构示意图；
图3是本发明实施例2中光学掩膜板的结构示意图；
附图标记说明：
1 是泵浦光；
2 是闪耀光栅；
3 是一级衍射光；
4 是光学掩膜板；
5 是调制后的一级衍射光；
6 是变焦镜头；
7 是变换后的一级衍射光；
8 是非线性晶体；
9 是输出的太赫兹波；
20 是光学掩膜板基底；
21 是掩膜板中的不透光区域；
22 是掩膜板中的透光区域；
30 是光学掩膜板基底；
31 是掩膜板中没有相位延迟的区域；
32 是在掩膜板表面做的相位延迟区域；
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明对进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在图1中给出了本发明的频率可调的太赫兹光源的典型结构示意图。如图1所示，该太赫兹光源包括几个部分：泵浦光1；闪耀光栅2；一级衍射光3；光学掩膜板4；调制后的一级衍射光5；变焦镜头6；变换后的一级衍射光7；非线性晶体8；输出的太赫兹波9。下面对该太赫兹光源的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。
泵浦光1是短脉冲的激光，根据光整流效应的需求，其波长λ、脉冲长度τ、重复频率fL等可以是多种可能。泵浦光以θin入射到闪耀光栅2的表面，并且以θout出射出第一级衍射光3。入射角θin、出射角θout、闪耀光栅2的闪耀角γ、泵浦光1的波长λ、闪耀光栅2的最小刻线距离a之间存在如下关系：
θin-θout＝2γ
a sin(-2γ)＝λ
出射的第一级衍射光3经过光学掩膜板4后，形成空间或者相位周期性调制的调制光5。所述的空间调制，光学掩膜板4中的掩膜周期成周期性的光透过或者不通过，亦即光形成了空间上的周期性亮暗相间的光斑；所述的相位调制，即光按照光学掩膜板4中的掩膜周期成周期性的相位延迟。
调制光5经过变焦镜头6的变换之后，其变换后的光束7也是空间或者相位周期性调制的，只是其调制周期发生了变化。变换后的光束7入射到非线性晶体8后，由于光整流的作用，出射出太赫兹波9。太赫兹波9的频率fTHz可以用下式计算得到：
其中Λ为光学掩膜板4中对应的光学掩膜周期，α是变焦镜头6的缩放系数，nTHz为非线性晶体8在太赫兹波处的折射率，ng为非线性晶体8在泵浦光1处的折射率，c为真空中的光速。
由上式可以看出，对于特定的周期Λ，改变变焦镜头6的焦距，其对应的太赫兹波频率可以在α1f—α2f之间连续变化；其中α1、α2分别为变焦镜头6的最小缩放比例和最大缩放比例，
即：改变变焦镜头6的焦距，就可以得到高强度的、窄线宽的、频率连续可调的太赫兹光源，将在太赫兹光谱、太赫兹成像中具有重要的应用。
实施例1：
作为本发明的一个实施例，如图1所示，下面对该太赫兹光源中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。
该实施例中，泵浦光1是波长为800nm、脉冲长度为50fs、重复频率为1KHz、平均功率为5W的钛宝石激光器；闪耀光栅2的大小为12.7mm×12.7mm×6mm，刻线密度为1200/mm，闪耀角度为26°14’；泵浦光1经过闪耀光栅后出射出第一级衍射光3。
光学掩膜板4中有周期为200μm的空间调制掩膜，如图2所示。
光学镜头6的可以在2×—5×之间连续变换，计算得到可以获得的太赫兹波9的波长的变化范围为：0.648THz—1.62THz；其强度可达100KV/m
光学晶体8为5mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体，入射面与太赫兹出射面的夹角为62°。
实施例2：
作为本发明的另外一个实施例，泵浦光1是波长为1550nm、脉冲长度为100fs、重复频率为1KHz、平均功率为2W的光纤激光器；闪耀光栅2的大小为25mm×25mm×6mm，刻线密度为600/mm，闪耀角度为28°41’；泵浦光1经过闪耀光栅后出射出第一级衍射光3。
光学掩膜板4中有周期为250μm的相位调制掩膜，如图3所示。
光学镜头6的可以在0.6×—15×之间连续变换，计算得到可以获得的太赫兹波9的波长的变化范围为：0.154THz—3.84THz；其强度可达0.1MV/m
光学晶体为1mol％MgO掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体，入射面与太赫兹出射面的夹角为62°。
实施例3
根据本发明另一个实施例，提供一种太赫兹光谱仪，该光谱仪包括上述图1所述的太赫兹光源、太赫兹波整形系统、样品仓、太赫兹波探测系统以及软件；太赫兹光源入射到太赫兹波整形系统中，通过整形聚焦到样品仓中心；样品仓中心放置测试样品；经过样品仓投射或反射的太赫兹波入射到太赫兹波探测系统；通过软件来控制太赫兹波的入射和探测。该系统中提供的太赫兹波具有100KV/m的强度，信噪比大于60dB。
实施例4
根据本发明另一个实施例，提供一种太赫兹成像仪，该太赫兹成像仪括上述图1所述的太赫兹光源阵列、光学系统、太赫兹探测系统、成像分析系统以及显示器。太赫兹光源阵列经过光学系统变换得到准直的太赫兹波，准直的太赫兹波经过样品仓入射到太赫兹波探测系统；成像分析系统采集太赫兹探测系统的信号，并将其呈现在显示器上。由于太赫兹光具有跟大的强度和很窄的线宽，既可以实现高分辨率成像，也可以实现太赫兹光谱成像，具有极强的实用性。
上述实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，该太赫兹光源包括：
泵浦光，
与所述泵浦光对应的闪耀光栅，用于衍射泵浦光产生一级衍射光；
具有周期性空间或相位调制的光学掩膜板，用于将一级衍射光进行相位或空间调制；
连续变焦镜头，用于对调制的一级衍射光进行光束变换；
非线性晶体，用于产生太赫兹波；
泵浦光按照闪耀光栅的入射角入射；沿闪耀光栅的一级衍射光出射光线方向依次放置光学掩膜板、变焦镜头、非线性晶体。
2.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的泵浦光为超短的脉冲激光。
3.如权利要求2所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的泵浦光波长是400nm-2000nm之间的任意波长；其脉冲长度是30fs-50ps之间的任意长度；其重复频率是任意的。
4.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的闪耀光栅的光栅密度为100/mm-2000/mm之间。
5.如权利要求4所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，其闪耀角根据泵浦光波长和入射角度专门设计。
6.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的光学掩膜板为光学玻璃，对泵浦光具有极高的透过性；所述的光学掩膜板入射面镀有周期性的光学相位或空间调制模版；所述的周期在30μm-500μm之间。
7.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的变焦镜头，镀有对泵浦光的增透膜。
8.如权利要求7所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的变焦镜头，其变焦范围在1×—20×之间。
9.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的光束变换后的光束，相对与光束变换之前，其只是光斑大小发生变化，仍然是准直的。
10.如权利要求1所述的频率连续可调的太赫兹光源，其特征在于，所述的非线性晶体，其为铌酸锂、钽酸锂或磷酸钛氧钾；所述的非线性晶体，其输入的所述的调制的一级衍射光和输出的太赫兹波成一定的夹角。
11.一种太赫兹时域光谱仪，包括：
如权利要求1-10任一项所述的频率连续可调的太赫兹光源；太赫兹波整形系统；样品仓；太赫兹波探测系统；以及软件。
12.一种太赫兹成像仪，包括：
如权利要求1-10任一项所述的频率连续可调的太赫兹光源，或如权利要求1或2所述的频率连续可调的太赫兹光源阵列；光学系统；样品仓；太赫兹探测系统；成像分析系统；以及显示器。
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