CN109901086A - 一种实现波束匹配的准光单元结构 - Google Patents

Abstract

该发明为一种实现太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特点是它能够对焦点不唯一的椭圆高斯波束进行传输、相位矫正和聚束。在该准光单元结构下，从大口径波纹波导输出的不具有唯一焦点的椭圆高斯波束能够经过第一面具有微扰的镜面反射在第二镜面处获得具有相同束半径的波束；该新波束经过第二面微扰镜面反射后便可得到一束腰位置相同、束腰半径一致的高斯波束，从而实现对任意椭圆高斯波束的传输和相位修正的功能。

Description

一种实现波束匹配的准光单元结构

技术领域

本发明涉及一种应用于DNP-NMR的太赫兹准高斯波束的波束传输矫正系统，属于高功率太赫兹波传输技术领域。

背景技术

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一特定频率电磁辐射的物理过程。由于核磁共振谱的高分辨率，作为一种谱分析方法，核磁共振已广泛用于物理、化学、材料科学和生物医学领域。核磁共振信号强度与高能级和低能级上的粒子数之差Δn成正比，但是，由于核自旋能级的间隔很小，几乎是所有类型的吸收光谱中能级间隔最小的。随着检测的分子变大，单位体积内目标原子的数量减少，核磁共振灵敏度随之降低。与紫外光谱、红外光谱、顺磁共振等相比，常规核磁共振波谱的灵敏度是很低的，所以灵敏度对这一技术能否成功推广至关重要。

动态核极化(Dynamic Nuclear Polarization,DNP)是核磁共振波谱学中的一种重要手段。动态核极化是一种将电子自旋共振和核磁共振相结合的技术,它能使核自旋能级粒子数之差Δn大大增加，因此核磁共振信号强度也大大增强。电磁波驱动动态核极化是一种公认的增强固态/液态核磁共振波谱和成像信号的有效方法，提高磁场强度可以增大能级间隔，增大自旋能级粒子数差Δn，从而提高核磁共振的灵敏度。

提高磁场强度可以增大能级间隔，增大自旋能级粒子数差Δn，从而提高核磁共振的灵敏度。现代核磁共振波谱技术正在向高场方向发展。基于电子回旋受激辐射原理发展起来的快波回旋器件——太赫兹回旋管，被用作DNP-NMR的太赫兹辐射源。同时，为了与传输线匹配提高耦合效率，要求辐射源的输出场分布是理想的或者是接近理想的自由空间高斯分布。

DNP-NMR系统所需的太赫兹波频带很窄，其传输线可以近似为单频传输。可以将该太赫兹波转变为准高斯模式并使用较低损耗的波纹波导传播。因为样品有限的空间限制，传输系统的末端需要把能量从一个半径较大的波纹波导馈入一个半径较小的波纹波导中传输，实现这一过程需要一光学反射镜组，它将准高斯波束聚焦后传输到NMR采样器中。

发明内容

本发明的目的是对现有的DNP-NMR末端传输系统中的镜面系统进行改进，提供一种实现太赫兹波传输，同时能够改善高斯波束轴比、解决波束散光(聚焦点不一致)的镜面传输系统。该镜面系统位于DNP-NMR系统末端传输线处较大半径的波纹波导的输出端，由两面镜子组成。其中，第一面镜子可将原焦点不唯一的椭圆波束反射，在两面镜子间得到一束焦点不唯一、但在第二面镜子处具有相同束半径的波束，第二面镜子具有解决波束散光(聚焦点不一致)的功能，由于第二镜面处的束半径已经一致，镜间波束经过第二面镜子反射就一定可以得到具有唯一焦点，并且束腰半径一致的准高斯波束。

本发明的目的由以下技术措施实现：

准光单元结构由两面镜子组成，每一面镜子根据入射波束和所需岀射波的具体参数不同加入微扰。

准光单元结构的底座。

准光单元结构两面镜子的镜面支架。

准光单元结构的加入微扰的镜面，镜面和水平面呈45度；

本发明具有以下优点：

理想情况下，回旋管末端输出的准高斯波束经过波纹波导传输后，在其末端辐射出来的场应该是轴比为一、焦点一致的理想高斯波束，其束腰位置应为波纹波导末端处；实际上从波导末端输出的场一般是轴比不为一，焦点不一致的准高斯椭圆波束。采用这种准光单元结构，不仅可以实现对于理想高斯波束从大口径波纹波导到小口径波纹波导的传输、聚束与相位矫正，同时也可以针对焦点不一致的椭圆高斯波束设计出特殊的微扰以满足特定波束的传输、聚束与相位校正。

附图说明

图1为实现波束匹配的准光单元系统的左侧视图。

图2为实现波束匹配的准光单元系统的右侧视图。

图3和图4分别为第一和第二镜面示意图，分别对应图1图2的7和3，单位为米。

图中，1为底座，2、4为支架，6为输入端波纹波导，5为输出端波纹波导，7、3分别是第一和第二面带有微扰的镜面。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护的限制，该领域的技术熟悉人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

具体实施方式为，如图1所示，经过波纹波导传输的准高斯模式波束通过6的岀射口辐射，在自由空间中形成束腰位置不同、束腰半径不一致的椭圆高斯波束。经过测量和计算可得该波束的两个束腰位置与两个束腰半径，再根据最佳耦合理论，输出波束束腰需要在波纹波导5的入射口处，由此便可以设计7和3镜面微扰，构成完整的波束匹配准光单元结构。

如图2所示，7的具体镜面结构如图3所示，具有较低矢量高斯成分的入射波经过7反射，在3、7之间得到一新的椭圆高斯波束，该波束依然没有相同的束腰半径和束腰位置，但在3处的束半径大小一致；3的具体结构如图4所示：镜间波束经过3反射后便得到了在两个方向束腰半径相同、束腰位置一致的椭圆波束，焦点位置刚好在波纹波导5的入射口处，从而实现波束匹配，使得该波束能更好的耦合到5中；

对于500GHz的该准光单元结构：底座长110mm，宽50mm，高3mm，输入波导支架高118mm，上端放置输入波导；第一镜面支架高133mm，镜面嵌于支架处，第二镜面置于底座上。第一镜面的支架下端开一孔将输出波纹波导置入其内，中心位置距底座15mm。输入工作模式为线极化HE11工作模式，经模拟，设定输入波两个方向的束腰半径为4.5mm和3.8mm，焦散为80mm，矢量高斯成分为91.98％，通过波束匹配准光单元结构传输后，在岀射波导口处得到新波束的束腰，其两个方向束腰半径为2mm，矢量高斯成分为99.02％，效率为99.55％。

Claims (5)

1.一种实现太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特征在于该系统由2个波纹波导的输入/输出窗口、两面加入微扰的平面镜组成；其中的输入波纹波导和输出波纹波导是为了迎合该系统前端和后端的需求而加入的；镜面系统的微扰是根据一种新的算法而导出的，该算法是基于入射波的束腰半径与束腰位置、岀射波的束腰半径与束腰位置决定的。

2.如权利要求1所述的太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特征在于该系统可以将焦点不一致、束腰半径大小不一致的椭圆高斯波束经过两面镜子变为具有唯一束腰位置、相等束腰半径、具有很高矢量高斯成分的高斯波束。

3.如权利要求1所述的太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特征在于波束传播方向与两面镜子均呈45度方向。

4.如权利要求1所述的太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特征在于两面镜子的微扰是根据输入波束的具体参量与输出波束的特定要求而加入的，第一面镜子为第二面镜子提供辅助作用，第二面镜子同时解决波束束腰位置不统一、束腰半径不相等的问题。

5.如权利要求1所述的太赫兹波束匹配的准光单元结构，其特征在于该系统可以方便调整镜面微扰以满足输出波束束腰半径的要求。