CN109900360B - 一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置及方法，属于自由电子激光太赫兹技术领域，所述装置包括偏振片、声信号探测单元、放大器和示波器，其中，放大器通过第一传输电缆与声信号探测单元的输出端连接，示波器通过第二传输电缆与放大器的输出端连接，本发明基于声学原理设计，结构简单紧凑易于实现，适用范围广，可以实现太赫兹波的无阻拦测量及实时在线测量，适于在自由电子激光太赫兹波功率测量领域推广应用。

Description

一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置及方法

技术领域

本发明属于自由电子激光太赫兹波技术领域，具体地说涉及一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置及方法。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1THz～10THz范围内的电磁辐射，在电磁频谱图上介于微波和红外光之间。由于太赫兹波源以及太赫兹探测的问题未能很好解决，太赫兹科学技术的发展受到很大的限制，成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。

对于太赫兹波功率的探测，目前有热效应探测器和基于电子学的电子探测器两种。热效应探测器是基于热吸收效应的宽波段探测，这类探测器典型的包括辐射热计、热释电探测器、高莱探测器等。其中，辐射热计是一种量热式探测器，它利用热敏电阻在受到太赫兹辐射时的阻值变化来测量太赫兹波的功率；热释电探测器是利用晶体的热释电效应(晶体的温度变化时其两端产生电势差的现象)来探测太赫兹波功率；高莱探测器(高莱盒)是一种根据热膨胀原理制作的太赫兹辐射功率计，其工作单元是一个封闭的小气体室，该气体室的一面由薄膜构成，当气室中的气体吸收太赫兹辐射发生热膨胀时薄膜产生形变，通过测量薄膜的形变可计算得出太赫兹波的功率。热效应探测器共同的缺点包括热背景噪声大、响应速度较慢，无法准确探测脉冲宽度较小的脉冲太赫兹波(尤其是高重复频率的脉冲太赫兹波)。此外，不同种类热效应探测器各自的缺点包括：辐射热计必须在低温环境中(液氦冷却的环境)操作、系统体积庞大；热释电探测器不能用来探测连续的太赫兹波，只能探测被调制的或脉冲太赫兹波；高莱探测器允许的最大输入功率很低(平均功率10μW)，因此不能用于测量较强的太赫兹波，并且，高莱探测器是一种精密仪器，使用时必须保持仪器稳固安放、避免振动以保持气室中气体的稳定从而确保测量的准确性。基于电子学的电子探测器的典型代表是肖特基二极管探测器，其优点是使用方便，响应速度较快，可在常温环境中操作，缺点是只能探测频率小于1.2THz的太赫兹波、对静电放电很敏感。基于肖特基二极管的差频探测器拓展了肖特基二极管探测器的探测频率范围，但差频探测方式需要一台太赫兹激光器作为已知的本地振荡器进行差频，激光器通常价格昂贵，并且，一台激光器仅能覆盖较小的频率范围，对于测量宽谱的自由电子激光太赫兹波需要数量众多的激光器。

发明内容

发明人在长期实践中发现：自由电子激光太赫兹波具有光谱范围宽(可覆盖整个太赫兹波段)且连续可调、光束品质高、宏脉冲脉宽可调且峰值功率/平均功率高、重复频率高、可工作在高占空比乃至连续波等特点，因此，热效应探测器和电子探测器均不能很好满足自由电子激光太赫兹波峰值功率测量的综合要求。

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于声学原理(声音信号探测)的测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置及方法，其能够在常温环境中进行无阻拦测量，能够测量太赫兹全波谱范围，能够测量高功率、短脉冲、高重复频率脉冲太赫兹波乃至连续太赫兹波，结构简单紧凑，易于制作使用且成本低廉。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置，包括：

偏振片，用于衰减经太赫兹窗口出射的太赫兹波，其位于太赫兹窗口与太赫兹波焦点之间，且偏振片的轴线与太赫兹波光路轴线相平行；

声信号探测单元，用于探测声音信号并实时转化为电信号，所述声音信号为太赫兹波电离空气过程以及太赫兹波截止时空气中离子复合过程产生的声音信号，所述声信号探测单元对应太赫兹波焦点设置，且声信号探测单元位于太赫兹波光路外侧；

放大器，用于将声信号探测单元产生的电信号进行放大，其通过第一传输电缆与声信号探测单元的输出端连接，且放大器位于太赫兹波光路外侧；

示波器，用于测量经放大器放大后的电信号，其通过第二传输电缆与放大器的输出端连接，且示波器位于太赫兹波光路外侧。

进一步，所述偏振片与太赫兹窗口的水平距离不大于20mm。

进一步，所述偏振片的轴线与太赫兹波光路轴线重合。

进一步，所述偏振片的半径大于太赫兹波光斑的半径。

进一步，所述声信号探测单元与太赫兹波焦点的水平距离不大于50mm，且声信号探测单元与太赫兹光路轴线的垂直距离不大于50mm。

进一步，所述示波器的带宽大于50MHz。

进一步，所述第一传输电缆、第二传输电缆均为同轴屏蔽电缆。

另，本发明还提供一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将偏振片的偏振角度设置为0°，此时，经太赫兹窗口出射的太赫兹波的功率被衰减至0，空气未被太赫兹波电离；

S2：将偏振片的偏振角度自0°开始进行连续调节，此时，出射的太赫兹波的功率增大，当太赫兹波功率增大至临界功率Pc时，空气被太赫兹波电离，记录示波器测得的电信号Uc；

S3：将偏振片的偏振角度增大至90°，此时，出射的太赫兹波的功率没有衰减且增大至峰值功率Pmax，示波器测得的电信号达到最大值并记录为Umax；

S4：根据Pmax＝(Umax÷Uc)×Pc，即可得到峰值功率Pmax。

进一步，所述太赫兹波焦点处光斑为r，空气被太赫兹波电离的临界电场强度为Ec，则Pc＝((Ec×r)÷15.5)²，其中，空气的临界电场强度Ec为3MV/m。

本发明的有益效果是：

1、结构简单紧凑，易于实现，且装置可以在常温环境中使用，装置中无需贵重、精密的测量仪器或设备，装置使用方便且成本低廉，同时，装置对太赫兹波的测量不依赖于被测太赫兹波的频率、功率以及脉冲宽度等参数，适用范围广，能够测量太赫兹全波谱范围以及强太赫兹波，同时，能够测量高功率、短脉冲、高重复频率脉冲太赫兹波乃至连续太赫兹波。

2、装置将太赫兹波电离空气的过程以及太赫兹波截止时离子复合的过程产生的声音信号实时转化为电信号进行放大测量，响应速度快，能够准确分辨太赫兹波(包括窄脉宽、高重频太赫兹波)的前后沿，从而准确测量其峰值功率，同时，可以实现太赫兹波的无阻拦测量及实时在线测量，不损失太赫兹波的能量和功率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是实施例二中示波器测得的波形示意图。

附图中：1-太赫兹窗口、2-偏振片、3-声信号探测单元、4-放大器、5-示波器、6-第一传输电缆、7-第二传输电缆、8-太赫兹波光路轴线。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置，包括偏振片2、声信号探测单元3、放大器4和示波器5，其中，放大器4通过第一传输电缆6与声信号探测单元3的输出端连接，示波器5通过第二传输电缆7与放大器4的输出端连接，作为优选，所述第一传输电缆6、第二传输电缆7均为同轴屏蔽电缆。

具体的，偏振片2用于衰减经太赫兹窗口1出射的太赫兹波，本实施例中，偏振片2选用太赫兹波偏振片。所述偏振片2位于太赫兹窗口1与太赫兹波焦点之间，且偏振片2与太赫兹窗口1的水平距离不大于20mm。所述偏振片2的轴线与太赫兹波光路轴线8相平行，同时，偏振片2的半径大于太赫兹波光斑的半径。作为优选，所述偏振片2的轴线与太赫兹波光路轴线8重合。在其他一些实施例中，当偏振片2的轴线与太赫兹波光路轴线8还可不重合，但是，需要确保太赫兹波完全穿过偏振片2。

声信号探测单元3用于探测声音信号并实时转化为电信号，其位于太赫兹波光路外侧。所述声音信号为太赫兹波电离空气过程以及太赫兹波截止时空气中离子复合过程产生的声音信号。所述声信号探测单元3对应太赫兹波焦点设置，具体的，所述声信号探测单元3与太赫兹波焦点的水平距离不大于50mm，且声信号探测单元3与太赫兹光路轴线8的垂直距离不大于50mm。

放大器4用于将声信号探测单元3产生的电信号进行放大，示波器5用于测量经放大器4放大后的电信号，同时，放大器4、示波器5均位于太赫兹波光路外侧，所述示波器5的带宽大于50MHz。也就是说，偏振片2位于太赫兹波光路中，而声信号探测单元3、放大器4、示波器5位于太赫兹波光路外侧且与太赫兹波光路不交叉、无重叠。本实施例中，偏振片2和声信号探测单元3围绕太赫兹波光路放置于光学平台上，放大器4和示波器5由电缆引出放置于控制室的测量平台上。

采用所述装置测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的方法，包括如下步骤：

S1：将偏振片2的偏振角度设置为0°，经太赫兹窗口1出射的太赫兹波的功率被衰减至0，空气未被太赫兹波电离，此时，声信号探测单元3探测不到声音信号。

S2：将偏振片2的偏振角度自0°开始进行连续调节，出射的太赫兹波的功率增大，当太赫兹波功率增大至临界功率Pc时，空气被太赫兹波电离，此时，声信号探测单元3探测到太赫兹波电离空气过程及太赫兹波截止时空气中离子复合过程产生的声音信号并转化成电信号，所述电信号经放大器4放大并传输至示波器5，记录示波器5测得的电信号Uc。同时，所述太赫兹波焦点处光斑为r(可由CCD相机测量)，空气被太赫兹波电离的临界电场强度为Ec，则Pc＝((Ec×r)÷15.5)²，其中，空气的临界电场强度Ec为3MV/m。

S3：将偏振片2的偏振角度增大至90°，此时，出射的太赫兹波的功率没有衰减且增大至峰值功率Pmax，此时，示波器5测得的电信号达到最大值并记录为Umax。

S4：根据Pmax＝(Umax÷Uc)×Pc，即可得到峰值功率Pmax。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

采用本发明所述的装置对频率为2.56THz、宏脉冲宽度分别为300μs/0.9ms/1.4ms、太赫兹波焦点处光斑为1mm的自由电子激光太赫兹波进行峰值功率测量。

具体的，偏振片2的轴线与太赫兹波光路轴线8相重合，太赫兹波从偏振片2中心穿过。偏振片2与太赫兹窗口1的水平距离为15mm，偏振片2的半径为12.7mm。选用动圈麦克风作为声信号探测单元3，麦克风放置于偏振片2前方太赫兹波焦点处，即麦克风与太赫兹波焦点的水平距离为0mm，麦克风与太赫兹波光路轴线8的垂直距离为30mm。选用音频功率放大器作为放大器4。选用500MHz带宽的示波器5测量放大器4输出的电信号波形。

具体过程如下：

(1)将偏振片2偏振角度设置为0°，此时，空气未被太赫兹波电离。

(2)从偏振角度为0°开始缓慢连续调节偏振角度，当太赫兹波功率增大至某一数值时空气被太赫兹波电离，记录此时示波器5的读数为Uc＝42mV，此时太赫兹波功率为临界功率Pc，由计算知大气中当焦点处光斑为1mm时临界功率Pc为0.037MW。

(3)继续增大偏振角度至90°，太赫兹波没有衰减，示波器5测得的电信号达到最大值Umax＝2.5V，由此计算得到所测太赫兹波峰值功率Pmax＝2.2MW。

上述过程中，示波器5测得的波形示意图如图2示。图中，三条曲线由上至下对应的宏脉冲宽度分别为300μs、0.9ms、1.4ms，同时，随着时间变化(即沿着图2的横坐标)三条曲线中第一个峰波峰向下，对应太赫兹波电离空气过程产生的声音信号，第二个峰波峰向上，对应太赫兹波截止时空气中离子复合过程产生的声音信号。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置，其特征在于，包括：

偏振片，用于衰减经太赫兹窗口出射的太赫兹波，其位于太赫兹窗口与太赫兹波焦点之间，且偏振片的轴线与太赫兹波光路轴线相平行；

声信号探测单元，用于探测声音信号并实时转化为电信号，所述声音信号为太赫兹波电离空气过程以及太赫兹波截止时空气中离子复合过程产生的声音信号，所述声信号探测单元对应太赫兹波焦点设置，且声信号探测单元位于太赫兹波光路外侧；

放大器，用于将声信号探测单元产生的电信号进行放大，其通过第一传输电缆与声信号探测单元的输出端连接，且放大器位于太赫兹波光路外侧；

示波器，用于测量经放大器放大后的电信号，其通过第二传输电缆与放大器的输出端连接，且示波器位于太赫兹波光路外侧；

所述测量自由电子激光太赫兹波峰值功率的装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将偏振片的偏振角度设置为0°，此时，经太赫兹窗口出射的太赫兹波的功率被衰减至0，空气未被太赫兹波电离；

S2：将偏振片的偏振角度自0°开始进行连续调节，此时，出射的太赫兹波的功率增大，当太赫兹波功率增大至临界功率Pc时，空气被太赫兹波电离，记录示波器测得的电信号Uc，所述太赫兹波焦点处光斑为r，空气被太赫兹波电离的临界电场强度为Ec，则Pc＝((Ec×r)÷15.5)²，其中，空气的临界电场强度Ec为3MV/m；

S3：将偏振片的偏振角度增大至90°，此时，出射的太赫兹波的功率没有衰减且增大至峰值功率Pmax，示波器测得的电信号达到最大值并记录为Umax；

S4：根据Pmax＝(Umax÷Uc)×Pc，即可得到峰值功率Pmax。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振片与太赫兹窗口的水平距离不大于20mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振片的轴线与太赫兹波光路轴线重合。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述偏振片的半径大于太赫兹波光斑的半径。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述声信号探测单元与太赫兹波焦点的水平距离不大于50mm，且声信号探测单元与太赫兹波光路轴线的垂直距离不大于50mm。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述示波器的带宽大于50MHz。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一传输电缆、第二传输电缆均为同轴屏蔽电缆。

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