CN109238466A - 太赫兹波偏振态的表征方法及时间分辨焦平面成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹波偏振态的表征方法。该方法包括：根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波产生的纵向电场分量；计算汇聚太赫兹波在两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场；在所述纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息；利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态。本发明实施例的方法，基于对汇聚太赫兹波在焦平面附近引发的纵向电场的分布进行分析，通过对振幅分布图像和相位分布图像进行合适的采样，获得太赫兹波偏振态的偏振特征参数以及偏振旋转方向，算法简单、运算量小、且能够精确表征太赫兹波偏振态，实现对太赫兹波偏振态的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种太赫兹波偏振态的表征方法及时间分辨焦平面成像系统。
背景技术
作为一种新型的远红外检测技术，太赫兹(THz)时域光谱已逐渐成为一种成熟的光学测试工具，并在半导体工业、生物学、化学等方面展现了强大的应用能力。众所周知，在测量材料的光学各向异性时(如具有二向色性、双折射、旋光等特性的物质)，光波的偏振态包含了很重要的信息。目前，太赫兹范围内的偏振光谱成像技术正得到人们越来越多的关注，并且已经被运用于各种应用领域。
目前测量太赫兹偏振态的主流方法有两种，第一种方法是通过特殊设计太赫兹光导天线探测器，进行偏振测量。2014年Dmitry S.Bulgarevich等人设计了一种对偏振敏感的探测器。入射波到达探测器后会在探测器上形成电流，分别测得探测器上下两个边的电流和左右两个边的电流，进而可以计算得到入射波的偏振角度。第二种方法是改进了传统的电光采样技术，通过旋转探测晶体的光轴方向进行偏振态的探测。例如2008年张然兮等人使用<110>ZnTe晶体作为探测晶体，分别测量太赫兹的竖直偏振分量和将探测晶体旋转90度之后测量太赫兹的水平偏振分量，进而获得太赫兹波的偏振态。
上述两种方法的缺点在于，方法一需要制作特殊的探测器，制备工艺复杂，且制备过程中电极的差异还会引入测量误差；另一方面要求太赫兹波和探测光很好的定位在天线探测器的中心，否则也会引入测量误差。方法二需要对同一个信号进行两次测量，并且计算过程复杂。因此，需要寻找一种更加简单快捷的方法，实现对太赫兹波的偏振态的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单快捷对太赫兹波偏振态进行表征和测量的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹波偏振态的表征方法。包括：
根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波在观测面上产生的纵向电场分量；
计算汇聚太赫兹波由两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场；
在纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息；
利用偏振态信息表征太赫兹波的偏振态。
在本发明的一个实施例中，根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波产生的纵向电场分量的步骤包括：
根据Richards-Wolf公式，计算沿x方向偏振的线偏振太赫兹波汇聚后在观测面上的纵向电场分量为：
其中，A是比例常数，是位于观测面上的观测点的柱坐标，r是观测点到光轴的距离，z是观测点到太赫兹透镜的距离，是方位角，J1(krsinθ)是第一类的一阶贝塞尔函数，k是真空中的波数，θ是太赫兹波束与光轴之间的夹角。
在本发明的一个实施例中，计算汇聚太赫兹波在两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场的步骤包括：
对纵向电场分量进行归一化；
对两个正交的径向横截面产生的纵向电场分量进行加权线性叠加，得到纵向复合电场为
其中，a和b为偏振特征参数，a表示长轴，b表示短轴。
在本发明的一个实施例中，在纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息的步骤包括：在振幅分布图上进行采样，根据振幅采样数据确定太赫兹波的振幅特征信息。
在本发明的一个实施例中，振幅特征信息包括振幅最大值Amax和振幅最小值Amin；利用偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
根据振幅最大值和振幅最小值计算振幅极值比：Rate_A＝Amin/Amax；
利用振幅极值比表征太赫兹波的偏振类型：
当Rate_A＝0时，太赫兹波的偏振类型为线偏振；
当Rate_A＝1时，太赫兹波的偏振类型为圆偏振；
当0<Rate_A<1时，太赫兹波的偏振类型为椭圆偏振。
在本发明的一个实施例中，振幅特征信息包括振幅最大值Amax、振幅最小值Amin、振幅最大值对应的方位角利用偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
利用振幅特征信息表征太赫兹波的偏振特征参数：长轴a、短轴b和长轴方位角
利用振幅最大值表征长轴，即a＝Amax；
利用振幅最小值表征短轴，即b＝Amin；
利用振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
在本发明的一个实施例中，在纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息的步骤还包括：在相位分布图上进行采样，根据相位采样数据确定太赫兹波的相位特征信息。
在本发明的一个实施例中，振幅特征信息包括振幅最大值Amax和振幅最小值Amin；相位特征信息为相位单调性；当在相位分布图上进行采样的方式为逆时针采样时，利用偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
根据振幅最大值和振幅最小值计算振幅极值比：Rate_A＝Amin/Amax；
根据振幅极值比和相位单调性表征太赫兹波的偏振类型：
当Rate_A＝0，且相位单调性为方波变化时，太赫兹波的偏振类型为线偏振；
当Rate_A＝1，且相位单调性为单调递增时，太赫兹波的偏振类型为右旋圆偏振；
当Rate_A＝1，且相位单调性为单调递减时，太赫兹波的偏振类型为左旋圆偏振；
当0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递减时，太赫兹波的偏振类型为左旋椭圆偏振；
当0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递增时，太赫兹波的偏振类型为右旋椭圆偏振。
在本发明的一个实施例中，振幅特征信息包括振幅最大值Amax、振幅最小值Amin、振幅最大值对应的方位角相位特征信息为相位单调性，包括方波变化、单调递增、单调递减；当在相位分布图上进行采样的方式为逆时针采样时，利用偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
(1)利用振幅特征信息表征太赫兹波的偏振特征参数：长轴a、短轴b和长轴方位角
利用振幅最大值表征长轴，即a＝Amax；
利用振幅最小值表征短轴，即b＝Amin；
利用振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
(2)利用相位特征信息表征太赫兹波的偏振旋转方向：
利用方波变化表征偏振无旋转；
利用单调递增表征右旋偏振；
利用单调递减表征左旋偏振。
在本发明的一个实施例中，振幅特征信息还包括振幅最小值对应的方位角利用振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角的步骤中包括：
根据振幅最小值对应的方位角计算振幅最大值对应的方位角；
利用振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
本发明还提供了一种用于太赫兹波偏振态的表征方法的时间分辨焦平面成像系统。包括：
太赫兹产生晶体，用于接收太赫兹产生光入射以产生太赫兹波；
探测晶体，放置于太赫兹产生晶体之后，用于接收汇聚后的太赫兹波入射以产生纵向电场，并用于同时接收探测光入射以采集探测晶体的图像；
硅凸透镜，放置于探测晶体之前，并使探测晶体位于硅凸透镜的焦平面附近；
沃拉斯顿棱镜，放置于探测晶体之后，用于接收携带探测晶体的折射率椭球信息的探测光并将探测光分成偏振方向互相垂直的两束线偏振探测光；
成像设备，放置于沃拉斯顿棱镜之后，用于接收两束线偏振探测光，以对探测晶体进行图像采集，并用于将光学影像转化为数字信号。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：机械斩波器，放置于太赫兹产生晶体之前，并与成像设备电连接，用以调制太赫兹产生光输出的重复频率以控制成像设备对探测晶体的图像进行同步采集。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：非偏振分束器，放置于探测晶体之后，用于将探测光反射至探测晶体上，并使探测光与同时照射在探测晶体上的太赫兹波重合。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：λ/4波片，放置于沃拉斯顿棱镜之前，用于调整两束线偏振探测光的光强，使两束线偏振探测光的光强相等。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：太赫兹线栅偏振器，放置于太赫兹产生晶体之后，用于调节太赫兹波的偏振态为线偏振态。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：太赫兹线栅偏振片，放置于太赫兹线栅偏振器之前，用于对太赫兹波进行保偏，形成偏振态为x线偏振的准平面太赫兹波。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：抛物面镜组，放置于太赫兹产生晶体之后，用于将太赫兹波调节为平行光；抛物面镜组包括第一抛物面镜、第二抛物面镜和第三抛物面镜；太赫兹线栅偏振片放置于第一抛物面镜和第二抛物面镜之间；太赫兹线栅偏振器放置于第二抛物面镜之后的焦平面处。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：第一凸透镜，放置于沃拉斯顿棱镜之前，使沃拉斯顿棱镜位于第一凸透镜的焦平面处，以使探测光汇聚后聚焦入射到沃拉斯顿棱镜上。
在本发明的一个实施例中，成像系统还包括：第二凸透镜，放置于沃拉斯顿棱镜之后，用于对两束线偏振探测光进行准直后平行入射到成像设备上以进行成像。
本发明实施例提供的太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统，通过使汇聚太赫兹波聚焦在探测晶体表面，在探测晶体上引发的纵向电场分布对探测晶体折射率椭球进行调制，再对携带了太赫兹波纵向电场信息的探测晶体进行一次成像测量，通过对振幅分布图像和相位分布图像进行合适的采样，获得太赫兹波偏振态的偏振特征参数以及偏振旋转方向。该成像系统简单易操作、测量快速，表征方法算法简单、运算量小，能够精确表征太赫兹波偏振态，实现对太赫兹波偏振态的快速测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的太赫兹波聚焦原理示意图；
图2是本发明实施例的太赫兹波偏振态的表征方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波产生纵向电场的原理示意图；
图4(a)和图4(b)是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图；
图5(a)和图5(b)是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图；
图6(a)和图6(b)是本发明实施例提供的线偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图；
图7(a)和图7(b)是本发明实施例提供的线偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图；
图8(a)和图8(b)是本发明实施例提供的右旋圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图；
图9(a)和图9(b)是本发明实施例提供的右旋圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图；
图10(a)和图10(b)是本发明实施例的左旋椭圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图；
图11(a)和图11(b)是本发明实施例提供的左旋椭圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图；
图12是本发明实施例提供的测量太赫兹波偏振态的时间分辨焦平面成像系统示意图；
图13是本发明实施例提供的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对线偏振太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图；
图14是本发明实施例提供的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对椭圆偏振太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图；
图15是本发明实施例的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对宽带太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例的方法基于汇聚太赫兹波的纵向电场分布，通过分析其振幅分布和相位分布特性，获得太赫兹波的偏振特征参数，实现对太赫兹波偏振态的表征。
实施例一
图1是本发明实施例提供的太赫兹波聚焦原理示意图。当任意偏振的太赫兹波经过太赫兹透镜汇聚时，在任意两个正交的径向横截面上都可以引发纵向电场分量，任意两个正交的径向横截面例如包括X-O-Z平面和Y-O-Z平面。如图1中所示，太赫兹波束沿Z轴正方向入射，任意一个偏振分量的偏振方向与Z轴垂直，a、b、为太赫兹波束的三个偏振特征参数，由三个偏振特征参数和偏振旋转方向共同决定太赫兹波的偏振态。a和b所在偏振面为太赫兹波束的其中一个偏振面，a表示偏振面的长轴，b表示偏振面的短轴，是长轴方位角，即长轴和X轴之间的夹角。
如上，具有一组确定的偏振特征参数a、b、和偏振旋转方向的太赫兹波束汇聚后，引发的纵向电场分量在焦平面附近的观测面上的振幅和相位按一定的规律分布。例如当太赫兹波为圆偏振太赫兹波时，经太赫兹透镜聚焦后产生纵向电场，该纵向电场在焦平面附近的观测面上的振幅分布图为圆环形状。当太赫兹波为椭圆偏振太赫兹波时，经太赫兹透镜聚焦后由于在聚焦过程中椭圆偏振太赫兹波的偏振旋转对称性被破坏，产生的纵向电场在焦平面附近的观测面上的振幅分布图具有双波瓣特征。因此本发明实施例基于汇聚太赫兹波的纵向电场的振幅分布和相位分布表征太赫兹波的偏振态。
图2是本发明实施例提供的太赫兹波偏振态的表征方法的流程图。该表征方法包括以下步骤：
S1、根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波在观测面上产生的纵向电场分量。
观测面选择在焦平面附近，最理想的观测面为焦平面。在本发明的一个实施例中，考虑实际测量时一般无法精确测量到焦平面上的电场分布图，因此观测面在焦平面两侧距离焦平面1mm范围内进行选择，优选地为距离焦平面0.2mm。
图3是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波产生纵向电场的原理示意图。
其中，图3(a)是汇聚太赫兹波中x偏振的太赫兹波的纵向电场分量示意图。根据Richards-Wolf公式，入射的太赫兹波中，沿x方向偏振的线偏振太赫兹波，汇聚后在观测面上的纵向电场分量可写为：
其中，A是比例常数，是位于观测面上的观测点的柱坐标，r是观测点到光轴的距离，z是观测点到太赫兹透镜的距离，即观测面与太赫兹透镜之间的距离，是方位角；J1(krsinθ)是第一类的一阶贝塞尔函数，k是真空中的波数，θ是太赫兹波束与光轴之间的夹角，θmax是最大汇聚角。在本发明的一个实施例中，最大汇聚角为θmax＝12°。
S2、计算汇聚太赫兹波由两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场。
图3(b)和图3(c)是汇聚太赫兹波的两个正交的径向横截面分别产生的纵向电场分量的示意图。其中，图3(b)对应方位角为的径向横截面，图3(c)对应方位角为的径向横截面。对公式(1)的进行归一化，并旋转方位角分别到和产生对应方位角为和的两个径向横截面的纵向电场分量和
图3(d)是汇聚太赫兹波的纵向复合电场的示意图。对和进行加权线性叠加，即得到任意偏振的太赫兹波的纵向复合电场Ez。
其中，a和b为偏振特征参数，a表示长轴，b表示短轴。
在本发明的一个实施例中，归一化后a和b的大小分别为a＝1，0≤b≤1。和之间的相位延迟选择为π/2。
S3、在纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息。偏振态信息包括：振幅特征信息和相位特征信息。
根据公式(2)的纵向复合电场表达式，得到汇聚太赫兹波在观测面上的振幅分布图和相位分布图。提取偏振态信息的步骤包括：
S31、在振幅分布图上进行采样，根据振幅采样数据确定太赫兹波的振幅特征信息。振幅特征信息包括振幅最大值及其对应的方位角、振幅最小值及其对应的方位角；
图4(a)和图4(b)是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图。图4(a)中，波瓣上越亮的区域代表振幅值越大，越暗的区域代表振幅值越小。在振幅分布图上对振幅进行采样时，可选择封闭曲线采样方式，封闭曲线可以为圆、正方形、长方形等。在本发明的一个实施例中，在振幅分布图上进行采样的具体方式为圆周采样，即在振幅分布图上取一个半径为R1的圆，以顺时针或逆时针方向顺序提取圆周上的所有点对应的振幅数据作为振幅采样数据。此处，在选取封闭曲线的大小时，应当使该封闭曲线上的振幅数据同时包含振幅分布图上的振幅最大值和振幅最小值，即使封闭曲线落在波瓣所在区域，并且经过波瓣上的最亮区域。
根据振幅采样数据得到振幅采样曲线，在振幅采样曲线上找到振幅最大值Amax及其对应的方位角振幅最小值Amin及其对应的方位角例如图4(b)所示的振幅采样曲线是在图4(a)上进行逆时针圆周采样获得，振幅最大值为Amax＝0.998，对应方位角为振幅最小值为Amin＝0.449，对应方位角为
S32、在相位分布图上进行采样，根据相位采样数据确定相位特征信息。相位特征信息为相位单调性。
图5(a)和图5(b)是本发明实施例提供的汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图。图5(a)中越亮的区域代表相位值越大，越暗的区域代表相位值越小。在相位分布图上对相位进行采样时，可选择封闭曲线采样方式，封闭曲线可以为圆、正方形、长方形等。在本发明的一个实施例中，在相位分布图上进行采样的具体方式为圆周采样，即在相位分布图上取一个半径为R2的圆，从最亮点或最暗点开始，以顺时针或逆时针方向顺序提取圆周上的所有点对应的相位数据作为相位采样数据。例如图5(a)所示的相位分布图，从最暗点开始以逆时针方向顺序提取圆周上的所有点对应的相位数据作为相位采样数据。此处，在选取封闭曲线的大小时，应当使该封闭曲线落在波瓣所在区域。
根据相位采样数据得到相位采样曲线，判断相位单调性。相位单调性包括三种为：方波变化、单调递增、单调递减。
在本发明的一个实施例中，如图5(b)所示的相位采样曲线，相位从约0.5π逐渐递增至约2.5π，其相位单调性为单调递增。
以上步骤S31和步骤S32中，进行圆周采样时，因采样率的限制，使得提取到的振幅最大值Amax及对应的方位角振幅最小值Amin及对应的方位角均与实际值有微小偏差，可以通过提高采样率来提高精度，例如采用多个不同大小的圆周进行采样，以提取更多数据。
S4、利用提取到的偏振态信息表征太赫兹波的偏振态。
太赫兹波的偏振态包括偏振特征参数和偏振旋转方向。
S41、利用振幅特征信息表征太赫兹波的三个偏振特征参数。其中，三个偏振特征参数包括偏振面的长轴、短轴和长轴方位角。
(1)利用振幅最大值和振幅最小值表征太赫兹波的偏振面长轴a和短轴b
太赫兹波的偏振面长轴a＝Amax，偏振面短轴b＝Amin。
在本发明的一个实施例中，如图4(b)中，Amax＝0.998，Amin＝0.449，则太赫兹波的偏振面长轴a＝0.998，偏振面短轴b＝0.449。
(2)利用振幅最大值对应的方位角表征太赫兹波的长轴方位角。
在本发明的一个实施例中，振幅最大值对应的方位角为则太赫兹波的长轴方位角表征为
在本发明的另一个实施例中，先根据振幅最小值对应的方位角计算得到振幅最大值对应的方位角再用于表征太赫兹波的长轴方位角
如图4(b)，可以看出，在振幅最小值附近，振幅变化比较明显，而振幅最大值附近的振幅变化较小，因此优选地采用振幅最小值对应的方位角计算得到振幅最大值对应的方位角为则太赫兹波的长轴方位角为
S42、利用相位特征信息表征太赫兹波的偏振旋转方向
根据步骤S32得到的相位特征信息即相位单调性确定太赫兹波的偏振旋转方向。需要说明的是，根据相位单调性确定太赫兹波的偏振旋转方向时还需要考虑在步骤S32中采用的采样方式是逆时针方向还是顺时针方向。
当采样方式为逆时针方向时，对太赫兹波的偏振旋转方向表征如下：
当相位单调性为方波变化时，太赫兹波的偏振无旋转；
当相位单调性为单调递增时，太赫兹波为右旋偏振；
当相位单调性为单调递减时，太赫兹波为左旋偏振。
容易得知，当采样方式为顺时针方向时，偏振旋转方向相反。
在本发明的一个实施例中，如图5(b)中根据逆时针采样得到的相位采样曲线的形状，其相位单调性为单调递增，因此对应太赫兹波为右旋偏振。
根据以上步骤S1～步骤S4，通过分析太赫兹波汇聚后产生的纵向复合电场的振幅分布和相位分布，便可以确定太赫兹波的偏振态。因此，太赫兹波的偏振态可由偏振面的长轴、短轴、长轴方位角和相位单调性共同表征。
本发明实施例的太赫兹波偏振态的表征方法，基于对汇聚太赫兹波在焦平面附近引发的纵向电场的分布进行分析，通过对振幅分布图像和相位分布图像进行合适的采样，获得太赫兹波偏振态的偏振特征参数以及偏振旋转方向。具有以下有益效果：
(1)利用该表征方法，将不同太赫兹偏振分量引起的纵向电场通过成像投射到太赫兹图像的不同空间位置，如此在通过实验进行成像测量时，只需要进行一次测量，所有的偏振态信息都包含在一幅太赫兹图像中，使得实验操作比传统多次测量的方法更简单，也避免了多次测量带来的较大的误差；
(2)该表征方法采用的算法简单，运算量小；
(3)该表征方法仅响应太赫兹波的纵向电场，即Ez分量，所以对每个偏振分量引入的Ez都有相同的灵敏度，轻微的偏差不会严重影响计算精度，能够更精确地表征太赫兹波偏振态。
实施例二
本发明实施例二的太赫兹波偏振态的表征方法与实施例一的不同在于，步骤S4包括：
S43、利用振幅极值比Rate_A表征太赫兹波的偏振类型。
根据步骤S31得到了振幅最大值Amax和振幅最小值Amin，可以计算得到振幅极值比Rate_A＝Amin/Amax，根据振幅极值比Rate_A的大小可以确定太赫兹波的偏振类型，具体如下：
当Rate_A＝0时，表明太赫兹波的偏振类型为线偏振；
当Rate_A＝1时，表明太赫兹波的偏振类型为圆偏振；
当0<Rate_A<1时，表明太赫兹波的偏振类型为椭圆偏振。
在本发明的一个实施例中，如图4(b)中，Amax＝0.998，Amin＝0.449，计算得Rate_A＝Amin/Amax＝0.5，则表明对应太赫兹波的偏振类型为椭圆偏振。
本发明实施例的太赫兹波偏振态的表征方法，基于对汇聚太赫兹波在焦平面附近引发的纵向电场的分布进行分析，通过对振幅分布图像进行合适的采样，利用振幅极值比表征太赫兹波的偏振类型，可以快速确定太赫兹波的偏振类型。
实施例三
本发明实施例三的太赫兹波偏振态的表征方法与实施例一或实施例二的不同在于，步骤S4包括：
S44、利用振幅极值比Rate_A和相位单调性表征太赫兹波的偏振类型。
根据步骤S31得到了振幅最大值Amax和振幅最小值Amin，可以计算得到振幅极值比Rate_A＝Amin/Amax；根据步骤S32得到了相位单调性，包括方波、单调递增、单调递减。
同时考虑太赫兹波的振幅极值比Rate_A和相位单调性，则当相位采样曲线采用逆时针采样时，
(1)当振幅极值比Rate_A＝0，且相位单调性为方波变化时，则表明太赫兹波的偏振类型为线偏振。
图6(a)和图6(b)是本发明实施例提供的线偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图。发现，在振幅分布图上选取半径为R1的圆周时，当R1在波瓣所在区域内取任何值，采样后得到的振幅采样曲线上，Amin＝0，则振幅极值比Rate_A＝Amin/Amax＝0。
图7(a)和图7(b)是本发明实施例提供的线偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图。从相位分布图可以看出，在波瓣所在区域内，相位分成两个区域，在每个区域内都呈等值均匀分布。对应地，在相位分布图上选取半径为R2的圆周时，当R2在波瓣所在区域内取任何值时，采样后得到的相位采样曲线为方波。
因此得到，当振幅极值比Rate_A＝0，或相位单调性为方波变化时，则表明太赫兹波的偏振类型为线偏振。
值得说明的是，在进行成像测量时，可能会引入实验误差，获得的振幅分布图像和相位分布图像不精确，计算时由于采样率的限制也可能引入误差，导致计算得到的振幅极值比Rate_A≠0或相位采样曲线并不严格显示为方波。因此，在实际测量和计算时，当振幅极值比Rate_A＝0，或相位单调性为方波变化，即两个条件任一个满足时，或两个条件同时近似满足时，则可以表明太赫兹波的偏振类型为线偏振。
在本发明的一个实施例中，设定线偏振太赫兹波的频率为Freq＝0.5THz，长轴方位角为其汇聚后产生的纵向复合电场为在提取的振幅采样曲线上，振幅最大值Amax＝0.998，偏差为0.002，对应方位角为偏差为0.3°；振幅最小值Amin＝0，对应方位角为偏差为0.3°；得到振幅极值比为Rate_A＝0/0.998＝0，两个方位角相差119.7°-29.7°＝90°；提取的相位采样曲线为方波，相位值只包含-π/2和π/2两个值，且在方位角为位置处出现π的跳变。
(2)当振幅极值比Rate_A＝1，且相位单调性为单调递增，则表明太赫兹波的偏振类型为右旋圆偏振。
图8(a)和图8(b)是本发明实施例提供的右旋圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图。发现，在振幅分布图上选取半径为R1的圆周时，当R1在波瓣所在区域内取任何值，采样后得到的振幅采样曲线上，Amax＝Amin，则振幅极值比Rate_A＝Amin/Amax＝1。
图9(a)和图9(b)是本发明实施例提供的右旋圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图。从相位分布图可以看出，在波瓣所在区域内，相位沿逆时针方向由暗到亮渐变。对应地，在相位分布图上选取半径为R2的圆周时，当R2在波瓣所在区域内取任何值时，采样后得到的相位采样曲线上，相位从小到大逐渐递增，即相位单调性为单调递增。
因此得到，当振幅极值比Rate_A＝1，且相位单调性为单调递增时，则表明太赫兹波的偏振类型为右旋圆偏振。
在本发明的一个实施例中，设定右旋圆偏振太赫兹波的频率为Freq＝0.5THz，长轴方位角为其汇聚后产生的纵向复合电场为在提取的振幅采样曲线上，振幅最大值和振幅最小值为Amax＝Amin≈1，得到振幅极值比为Rate_A＝1；提取的相位采样曲线上，相位从小到大逐渐递增，相位单调性为单调递增。
(3)当振幅极值比Rate_A＝1，且相位单调性为单调递减，则表明太赫兹波的偏振类型为左旋圆偏振。
类似于(2)中描述的右旋圆偏振的表征方法，发现，在左旋圆偏振太赫兹波的振幅分布图上选取半径为R1的圆周时，当R1在波瓣所在区域内取任何值，采样后得到的振幅采样曲线上，Amax＝Amin，则振幅极值比Rate_A＝Amin/Amax＝1。
在左旋圆偏振太赫兹波的相位分布图上，在波瓣所在区域内，相位沿逆时针方向由亮到暗渐变。对应地，在相位分布图上选取半径为R2的圆周时，当R2在波瓣所在区域内取任何值时，采样后得到的相位采样曲线上，相位从大到小逐渐递减，即相位单调性为单调递减。
因此得到，当振幅极值比Rate_A＝1，且相位单调性为单调递减时，则表明太赫兹波的偏振类型为左旋圆偏振。
(4)当振幅极值比0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递减，则表明太赫兹波的偏振类型为左旋椭圆偏振。
图10(a)和图10(b)是本发明实施例的左旋椭圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的振幅分布采样示意图和振幅采样曲线示意图。发现，在振幅分布图上选取半径为R1的圆周时，当圆周经过波瓣所在区域的最亮点时，采样后得到的振幅采样曲线上，0<Amax/Amin<1，即振幅极值比满足0<Rate_A<1。
图11(a)和图11(b)是本发明实施例提供的左旋椭圆偏振汇聚太赫兹波的纵向复合电场的相位分布采样示意图和相位采样曲线示意图。从相位分布图可以看出，在波瓣所在区域内，相位沿逆时针方向由亮到暗渐变。对应地，在相位分布图上选取半径为R2的圆周时，当R2在波瓣所在区域内取任何值时，采样后得到的相位采样曲线上，相位从大到小逐渐递减，即相位单调性为单调递减。
因此得到，当振幅极值比为0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递减时，则表明太赫兹波的偏振类型为左旋椭圆偏振。
在本发明的一个实施例中，设定左旋椭圆偏振太赫兹波的频率为Freq＝0.5THz，长轴方位角为其汇聚后产生的纵向复合电场为在提取的振幅采样曲线上，振幅最大值Amax＝0.998，偏差为0.002，对应方位角为偏差为0.3°；振幅最小值Amin＝0.449，对应方位角为偏差为0.3°；得到振幅极值比为Rate_A＝0.449/0.998＝0.5，两个方位角相差119.7°-29.7°＝90°；提取的相位采样曲线上，相位从大到小逐渐递减，相位单调性为单调递减。
(5)当振幅极值比0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递增，则表明太赫兹波的偏振类型为右旋椭圆偏振。
类似于(5)中描述的左旋椭圆偏振的表征方法，发现，在右旋椭圆偏振太赫兹波的振幅分布图上选取半径为R1的圆周时，当圆周经过波瓣所在区域的最亮点时，采样后得到的振幅采样曲线上，0<Amax/Amin<1，即振幅极值比满足0<Rate_A<1。
在右旋椭圆偏振太赫兹波的相位分布图上，在波瓣所在区域内，相位沿逆时针方向由暗到亮渐变。对应地，在相位分布图上选取半径为R2的圆周时，当R2在波瓣所在区域内取任何值时，采样后得到的相位采样曲线上，相位从小到大逐渐递增，即相位单调性为单调递增。
因此得到，当振幅极值比为0<Rate_A<1，且相位单调性为单调递增时，则表明太赫兹波的偏振类型为右旋椭圆偏振。
本发明实施例的太赫兹波偏振态的表征方法，基于对汇聚太赫兹波在焦平面附近引发的纵向电场的分布进行分析，通过对振幅分布图像和相位分布图像进行合适的采样，利用振幅极值比和相位单调性同时表征太赫兹波的偏振类型，可以快速确定太赫兹波的偏振类型。
实施例四
图12是本发明实施例提供的测量太赫兹波偏振态的时间分辨焦平面成像系统示意图。该成像系统包括：太赫兹产生晶体4、硅凸透镜10、探测晶体11、沃拉斯顿棱镜15、成像设备17。其中，
太赫兹产生晶体4用于使太赫兹产生光I照射到太赫兹产生晶体4上以产生太赫兹波Ш。太赫兹产生光I可采用近红外光脉冲，太赫兹产生晶体4可采用锑化锌ZnTe晶体、铌酸锂LiNbO3晶体或磷化镓GaP晶体等，本发明实施例采用<110>方向ZnTe晶体。
探测晶体11是具有电光效应的电光晶体，用于由探测光Ⅱ和太赫兹波Ш同时照射到探测晶体11以采集探测晶体11的图像，探测晶体11可采用锑化锌ZnTe晶体、磷化镓晶体GaP等，本发明实施例采用<100>方向ZnTe晶体。
硅凸透镜10，放置于探测晶体11之前，用于对平行入射的太赫兹波Ш进行汇聚以在放置于硅凸透镜10焦平面处的探测晶体11上产生纵向电场。
沃拉斯顿棱镜15放置于探测晶体11之后，用于将携带探测晶体11的折射率椭球信息的探测光Ⅱ分成偏振方向互相垂直的两束线偏振探测光。
成像设备17放置于沃拉斯顿棱镜15之后，可采用CCD摄像头(电荷耦合元件)，用于接收探测光Ⅱ分成的两束偏振方向互相垂直的线偏振探测光，实现对探测晶体11的图像采集，并把光学影像转化为数字信号。
该成像系统还包括机械斩波器2，与成像设备17电连接，用以控制成像设备对图像进行同步采集。机械斩波器2位于太赫兹产生光I照射太赫兹产生晶体4之前的光路中以调制太赫兹产生光I输出的重复频率。
该成像系统还包括太赫兹偏振器8，放置于太赫兹产生晶体4之后的光路中，用于改变太赫兹波Ш的偏振态，具体地通过旋转太赫兹偏振器8实现。太赫兹偏振器8采用太赫兹线栅偏振器或太赫兹四分之一波片。
该成像系统还包括太赫兹线栅偏振片6，放置于太赫兹偏振器8之前的光路中，当太赫兹偏振器8采用太赫兹线栅偏振器时，用于对太赫兹波Ш进行保偏，最终形成偏振态为x线偏振的准平面太赫兹波。
该成像系统还包括偏振分束器1，用于将光源设备提供的激光脉冲分为两束，一束作为太赫兹产生光I，一束作为探测光Ⅱ。
该成像系统还包括凹透镜3，放置于太赫兹产生晶体4之前，用于对太赫兹产生光I进行扩束。
该成像系统还包括抛物面镜组，抛物面镜组包括第一抛物面镜5、第二抛物面镜7和第三抛物面镜9。第一抛物面镜5和第二抛物面镜7放置于太赫兹线栅偏振片6的两侧，第三抛物面镜9放置于太赫兹偏振器8之后。第一抛物面镜5用于对太赫兹波Ш先进行准直，使其平行入射到太赫兹线栅偏振片6上，第二抛物面镜7再对太赫兹波Ш进行汇聚，使其聚焦入射到放置于第二抛物面镜7焦平面处的太赫兹偏振器8，最后由第三抛物面镜9对太赫兹波Ш再次准直变成平行光。
该成像系统还包括非偏振分束器12，放置于探测晶体11之后，非偏振分束器12的透射率与反射率均为50％，用于将探测光Ⅱ反射至探测晶体11上，使探测光Ⅱ在探测晶体11上与太赫兹波Ш实现重合，使探测光Ⅱ携带具有太赫兹波Ш在探测晶体11上产生的纵向电场信息的探测晶体的图像后再经非偏振分束器12透射出去。
该成像系统还包括第一凸透镜13，放置于沃拉斯顿棱镜15之前，并且使沃拉斯顿棱镜15位于其焦平面处，第一凸透镜13用于对探测光Ⅱ进行汇聚，使其聚焦入射到沃拉斯顿棱镜15上。
该成像系统还包括λ/4波片14，放置于沃拉斯顿棱镜15之前，用于调整探测光Ⅱ分成的两束线偏振探测光的光强，使两束光的光强相等。
该成像系统还包括第二凸透镜16，放置于沃拉斯顿棱镜15之后，用于使探测光Ⅱ分成的两束线偏振探测光分别准直后平行入射到成像设备17上进行成像测量。
该成像系统还包括偏振器19，放置于探测光Ⅱ的光路中，且位于探测晶体11之前，以对探测光Ⅱ进行保偏。
该成像系统还包括反射镜18，放置于探测光Ⅱ的光路中，用于改变探测光Ⅱ的传播方向。
本发明实施例的成像系统的主要工作过程如下：
800nm的飞秒脉冲激光经过偏振分束器1产生两路光束，分别为竖直偏振的探测光Ⅱ和水平偏振的太赫兹产生光I。太赫兹产生光I经凹透镜3扩束后入射到太赫兹产生晶体4上，由非线性光整流过程产生太赫兹波Ш；太赫兹波Ш经太赫兹线栅偏振片6后变成偏振态为x线偏振的准平面太赫兹波，并入射到太赫兹偏振器8上，太赫兹偏振器8通过旋转调节太赫兹波Ш的偏振态；同时，在此过程中，太赫兹波Ш经过抛物面镜组，经历了准直、聚焦、再准直。接着，在成像系统的探测部分，平行太赫兹波Ш经硅凸透镜10汇聚后照射到探测晶体11上产生纵向电场，并基于电光效应调制探测晶体11的折射率椭球。同时探测光Ⅱ经偏振器19调整其偏振态之后，再经非偏振分束器12反射至探测晶体11上，又由探测晶体11表面反射后透过非偏振分束器12传播至系统的成像部分。由探测晶体11出射的探测光Ⅱ的偏振态由于探测晶体11的折射率椭球的改变随之发生改变，因此探测光Ⅱ获取了太赫兹波的纵向电场信息。在系统的成像部分，探测光Ⅱ经第一凸透镜13会聚并由λ/4波片14对其偏振态进行调整后入射到沃拉斯顿棱镜15上，分成偏振方向互相垂直、光强相等的两个线偏振光束，再经第二凸透镜16分别准直后入射到成像设备17上，成像设备17采用太赫兹差分成像技术进行差分测量，对探测光Ⅱ携带的探测晶体11的图像进行采集，将采集到的两个图像进行相减，并把光学影像转化为数字信号。
本发明实施例的测量太赫兹波偏振态的时间分辨焦平面成像系统，通过使汇聚太赫兹波聚焦在探测晶体表面，在探测晶体上引发的纵向电场分布对探测晶体折射率椭球进行调制，再对携带了太赫兹波纵向电场信息的探测晶体进行一次成像测量，很好地利用太赫兹电场的Ez分量实现了对太赫兹波偏振态的测量。该成像系统不需要制备任何复杂的偏振敏感传感器、不需要仔细调整探测晶体的方位角，也不需要进行多次的测量，实现了对太赫兹波偏振态的精确、快速测量。
实施例五
在本发明的一个实施例中，基于实施例一至实施例三任一描述的太赫兹波偏振态表征方法和实施例四描述的时间分辨焦平面成像系统，对线偏振太赫兹波的偏振态进行了成像测量。进行成像测量时，采用的太赫兹波的频率为0.5THz，验证所采用的太赫兹偏振器8为太赫兹线栅偏振器。
图13是本发明实施例提供的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对线偏振太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图。如图13(a)中所示，横坐标所示的“Rotation angle”代表太赫兹线栅偏振器上读出的线偏振太赫兹波的长轴方位角的数值，变化步长为10°；纵坐标所示的“Iang-90°”代表根据太赫兹波偏振态表征方法计算得到的线偏振太赫兹波的振幅最大值对应的方位角也即长轴方位角的数值。实线代表理论数据，圆点代表实验数据。可以看出，实验值与理论值基本符合。
图13(a)中的7个插图是实验测量到的长轴方位角分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°时的振幅分布图像。由于在时太赫兹波的强度被极大的衰减，所以振幅图像几乎看不清楚。但是通过其余6个振幅分布图可以非常清晰地看出长轴方位角的变化趋势，与实施例一所述的理论很符合。
如图13(b)中所示，横坐标将长轴方位角的精度放大，以2°为步长，对应方位角分别为2°、4°、6°、8°进行测量，实验值与理论值也符合得很好，最大误差仅为0.7°。
在本发明的另一个实施例中，基于实施例一至实施例三任一描述的太赫兹波偏振态表征方法和实施例四描述的时间分辨焦平面成像系统，对椭圆偏振太赫兹波的偏振态进行了成像测量。进行成像测量时，采用的太赫兹波的频率为0.5THz，验证所采用的太赫兹偏振器8为中心波长为600μm的太赫兹四分之一波片偏振器。
图14是本发明实施例提供的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对椭圆偏振太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图。横坐标所示的“Rotationangle”代表太赫兹四分之一波片偏振器上读出的椭圆偏振太赫兹波的长轴方位角的数值，变化步长为10°；纵坐标所示的“Iamp/Aamp”代表根据太赫兹波偏振态表征方法计算得到的椭圆偏振太赫兹波的振幅极值比即实施例一所述的“Rate_A＝AAmin/AAmax”。实线代表理论数据，三角符号代表实验数据。可以看出，实验值与理论值基本符合。
另外如图14中，当横坐标从-40°变化到0°时，纵坐标从0.77单调递减到0.01，表明当长轴方位角变化为0°时，椭圆偏振太赫兹波转变为了线偏振太赫兹波。而当横坐标从0°变化到40°时，纵坐标从0.01单调递增到0.81，表明当长轴方位角大于0°时，线偏振太赫兹波又转变为了椭圆偏振太赫兹波。
图14中的10个插图是实验测量到的长轴方位角分别为-20°、0°、20°、40°时的振幅分布图像和相位分布图像，上面是振幅分布图像，下面是相位分布图像。通过5个振幅分布图可以非常清晰地看出长轴方位角的变化趋势以及线偏振与椭圆偏振的转换趋势。通过5个相位分布图可以看出，当长轴方位角小于0°时，太赫兹波的相位随长轴方位角的增大，呈单调递增趋势，因此表明太赫兹波为右旋椭圆偏振太赫兹波；当长轴方位角大于0°时，太赫兹波的相位随长轴方位角的增大，呈单调递减趋势，因此表明太赫兹波为左旋椭圆偏振太赫兹波。
在本发明的又一个实施例中，基于实施例一至实施例三任一描述的太赫兹波偏振态表征方法和实施例四描述的时间分辨焦平面成像系统，对宽带太赫兹波的偏振态进行了成像测量。进行成像测量时，采用的宽带太赫兹波的频率范围为0.2THz～0.8THz，验证所采用的太赫兹偏振器8为中心波长为600μm的太赫兹四分之一波片偏振器，并将太赫兹四分之一波片偏振器的长轴方位角固定在-45°。
图15是本发明实施例的基于太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统对宽带太赫兹波偏振态测量的实验结果示意图。横坐标为太赫兹波的频率；纵坐标所示的“Iamp/Aamp”代表根据太赫兹波偏振态表征方法计算得到的椭圆偏振太赫兹波的振幅极值比即实施例一所述的
“Rate_A＝AAmin/AAmax”；三角符号代表实验数据。从振幅极值比的变化曲线可以看出，在0.5THz处，振幅极值比达到0.97，在远离0.5THz时，振幅极值比下降。这表明，所测量的宽带太赫兹波，在0.5THz附近接近于圆偏振，而在其他频率范围内降级为椭圆偏振。7个插图为实验测量到的太赫兹频率分别为Freq＝0.2THz、0.3THz、0.4THz、0.5THz、0.6THz、0.7THz、0.8THz时的振幅分布图像。从振幅分布图上也可以清楚地看到，在0.5THz处，振幅分布图呈现出圆环分布，而在其他频率范围内呈现出双波瓣分布。
综上所述，本发明实施例提供的太赫兹波偏振态表征方法及时间分辨焦平面成像系统，通过使汇聚太赫兹波聚焦在探测晶体表面，在探测晶体上引发的纵向电场分布对探测晶体折射率椭球进行调制，再对携带了太赫兹波纵向电场信息的探测晶体进行一次成像测量，通过对振幅分布图像和相位分布图像进行合适的采样，获得太赫兹波偏振态的偏振特征参数以及偏振旋转方向。该成像系统简单易操作、测量快速，表征方法算法简单、运算量小，能够精确表征太赫兹波偏振态，实现对太赫兹波偏振态的快速测量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种太赫兹波偏振态的表征方法，其特征在于，所述方法包括：
根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波在观测面上产生的纵向电场分量；
计算汇聚太赫兹波由两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场；
在所述纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息；
利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据矢量叠加原理计算汇聚太赫兹波产生的纵向电场分量的步骤包括：
根据Richards-Wolf公式，计算沿x方向偏振的线偏振太赫兹波汇聚后在观测面上的纵向电场分量为：
其中，A是比例常数，是位于观测面上的观测点的柱坐标，r是观测点到光轴的距离，z是观测点到太赫兹透镜的距离，是方位角，J1(krsinθ)是第一类的一阶贝塞尔函数，k是真空中的波数，θ是太赫兹波束与光轴之间的夹角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算所述汇聚太赫兹波在两个正交的径向横截面产生的纵向复合电场的步骤包括：
对所述纵向电场分量进行归一化；
对所述两个正交的径向横截面产生的纵向电场分量进行加权线性叠加，得到所述纵向复合电场为
其中，a和b为偏振特征参数，a表示长轴，b表示短轴。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息的步骤包括：
在振幅分布图上进行采样，根据振幅采样数据确定太赫兹波的振幅特征信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述振幅特征信息包括振幅最大值Amax和振幅最小值Amin；所述利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
根据所述振幅最大值和所述振幅最小值计算振幅极值比：Rate_A＝Amin/Amax；
利用所述振幅极值比表征太赫兹波的偏振类型：
当Rate_A＝0时，太赫兹波的偏振类型为线偏振；
当Rate_A＝1时，太赫兹波的偏振类型为圆偏振；
当0<Rate_A<1时，太赫兹波的偏振类型为椭圆偏振。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述振幅特征信息包括振幅最大值Amax、振幅最小值Amin、振幅最大值对应的方位角所述利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
利用所述振幅特征信息表征太赫兹波的偏振特征参数：长轴a、短轴b和长轴方位角
利用所述振幅最大值表征长轴，即a＝Amax；
利用所述振幅最小值表征短轴，即b＝Amin；
利用所述振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述纵向复合电场的分布图上提取偏振态信息的步骤还包括：
在相位分布图上进行采样，根据相位采样数据确定太赫兹波的相位特征信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述振幅特征信息包括振幅最大值Amax和振幅最小值Amin；所述相位特征信息为相位单调性；当在所述相位分布图上进行采样的方式为逆时针采样时，所述利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
根据所述振幅最大值和所述振幅最小值计算振幅极值比：Rate_A＝Amin/Amax；
根据所述振幅极值比和所述相位单调性表征太赫兹波的偏振类型：
当Rate_A＝0，且所述相位单调性为方波变化时，太赫兹波的偏振类型为线偏振；
当Rate_A＝1，且所述相位单调性为单调递增时，太赫兹波的偏振类型为右旋圆偏振；
当Rate_A＝1，且所述相位单调性为单调递减时，太赫兹波的偏振类型为左旋圆偏振；
当0<Rate_A<1，且所述相位单调性为单调递减时，太赫兹波的偏振类型为左旋椭圆偏振；
当0<Rate_A<1，且所述相位单调性为单调递增时，太赫兹波的偏振类型为右旋椭圆偏振。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述振幅特征信息包括振幅最大值Amax、振幅最小值Amin、振幅最大值对应的方位角所述相位特征信息为相位单调性，且包括方波变化、单调递增、单调递减；当在所述相位分布图上进行采样的方式为逆时针采样时，所述利用所述偏振态信息表征太赫兹波的偏振态的步骤包括：
(1)利用所述振幅特征信息表征太赫兹波的偏振特征参数：长轴a、短轴b和长轴方位角
利用所述振幅最大值表征长轴，即a＝Amax；
利用所述振幅最小值表征短轴，即b＝Amin；
利用所述振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
(2)利用所述相位特征信息表征太赫兹波的偏振旋转方向：
利用方波变化表征偏振无旋转；
利用单调递增表征右旋偏振；
利用单调递减表征左旋偏振。
10.根据权利要求6或9所述的方法，其特征在于，所述振幅特征信息还包括振幅最小值对应的方位角所述利用所述振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角的步骤中包括：
根据所述振幅最小值对应的方位角计算所述振幅最大值对应的方位角；
利用所述振幅最大值对应的方位角表征长轴方位角，即
11.一种用于权利要求1至10任一所述的太赫兹波偏振态的表征方法的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：
太赫兹产生晶体，用于接收太赫兹产生光入射以产生太赫兹波；
探测晶体，放置于所述太赫兹产生晶体之后，用于接收汇聚后的所述太赫兹波入射以探测纵向电场，并用于同时接收探测光入射以采集所述探测晶体的图像；
硅凸透镜，放置于所述探测晶体之前，并使所述探测晶体位于所述硅凸透镜的焦平面附近；
沃拉斯顿棱镜，放置于所述探测晶体之后，用于接收携带所述探测晶体的折射率椭球信息的探测光并将所述探测光分成偏振方向互相垂直的两束线偏振探测光；
成像设备，放置于所述沃拉斯顿棱镜之后，用于接收所述两束线偏振探测光，以对所述探测晶体进行图像采集，并用于将光学影像转化为数字信号。
12.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
机械斩波器，放置于所述太赫兹产生晶体之前，并与所述成像设备电连接，用以调制所述太赫兹产生光输出的重复频率以控制所述成像设备对所述探测晶体的图像进行同步采集。
13.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
非偏振分束器，放置于所述探测晶体之后，用于将所述探测光反射至所述探测晶体上，并使所述探测光与同时照射在所述探测晶体上的所述太赫兹波重合。
14.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
λ/4波片，放置于所述沃拉斯顿棱镜之前，用于调整所述两束线偏振探测光的光强，使所述两束线偏振探测光的光强相等。
15.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
太赫兹线栅偏振器，放置于所述太赫兹产生晶体之后，用于调节所述太赫兹波的偏振态为线偏振态。
16.根据权利要求15所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
太赫兹线栅偏振片，放置于太赫兹线栅偏振器之前，用于对所述太赫兹波进行保偏，形成偏振态为x线偏振的准平面太赫兹波。
17.根据权利要求16所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
抛物面镜组，放置于所述太赫兹产生晶体之后，用于将所述太赫兹波调节为平行光；所述抛物面镜组包括第一抛物面镜、第二抛物面镜和第三抛物面镜；所述太赫兹线栅偏振片放置于所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜之间；所述太赫兹线栅偏振器放置于所述第二抛物面镜之后的焦平面处。
18.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
第一凸透镜，放置于所述沃拉斯顿棱镜之前，使所述沃拉斯顿棱镜位于所述第一凸透镜的焦平面处，以使所述探测光汇聚后聚焦入射到所述沃拉斯顿棱镜上。
19.根据权利要求11所述的时间分辨焦平面成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：
第二凸透镜，放置于所述沃拉斯顿棱镜之后，用于对所述两束线偏振探测光进行准直后平行入射到所述成像设备上以进行成像。
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