CN110108662B - 集成化太赫兹产生聚焦滤波元件及太赫兹检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件及太赫兹检测系统，集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，包括圆弧形的可塑型胶质材料和涂层，圆弧形的可塑型胶质材料由液态的可塑性胶质材料与高非线性纳米颗粒均匀搅拌后，放置于磨具中塑型制成；涂层选用任何吸附可见和近红外光且透射太赫兹的涂层，涂层均匀包裹在加入高非线性纳米颗粒后成圆弧形的可塑型胶质材料的外弧表面，集成化太赫兹产生聚焦滤波元件一面为可塑型胶质材料平面，另一面为弧形涂层。通过简单的集成化装置既能产生太赫兹波，又能聚焦太赫兹，同时滤除泵浦光。同时，由该元件构成的太赫兹时域光谱系统将目前的系统集成化，可实现手持式太赫兹检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹时域光谱系统，特别涉及一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件及太赫兹检测系统。
背景技术
太赫兹波(THz)是频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，一般而言是指频率在0.1THz-10THz(即波长在0.03mm-3mm)之间的电磁波，因拥有其他电磁波段不具有的特点，如相干性、宽带性、透射性等优点。在材料研究、太赫兹成像、生物应用、工业加工、国防安全等领域有着重要的应用前景。
现有的太赫兹时域光谱系统，多数是利用光整流效应产生太赫兹辐射，其非线性晶体生长周期长，价格不菲，难以大规模使用。太赫兹辐射脉冲强度比较弱，而且结构复杂且太赫兹易在传输中损耗，造成太赫兹脉冲强度低难以探测其信号。更重要的是基于非线性晶体的太赫兹时域光谱系统，太赫兹产生、聚焦与泵浦激光滤波在不同的模块完成，这个过程占用了太多设备空间，无法集成在一个较小的空间内。
发明内容
本发明是针对传统太赫兹源晶体制作过程复杂、价格昂贵，产生效率低，难以大规模使用的问题，提出了一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件及太赫兹检测系统，通过简单的集成化装置既能产生太赫兹波，又能聚焦太赫兹，同时滤除泵浦光。同时，由该元件构成的太赫兹时域光谱系统将目前的系统集成化，可实现手持式太赫兹检测系统。
本发明的技术方案为：一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，包括圆弧形的可塑型胶质材料和涂层，圆弧形的可塑型胶质材料由液态的可塑性胶质材料与高非线性纳米颗粒均匀搅拌后，放置于磨具中塑型制成；涂层选用任何吸附可见和近红外光且透射太赫兹的涂层，涂层均匀包裹在加入高非线性纳米颗粒后成圆弧形的可塑型胶质材料的外弧表面，集成化太赫兹产生聚焦滤波元件一面为可塑型胶质材料平面，另一面为弧形涂层。
所述可塑型胶质材料弧高为1-10mm。
所述可塑型胶质材料选用透光率高、相溶性好的聚二甲基烷或聚甲基丙烯酸甲酯有机物。
所述高非线性纳米颗粒选用铌酸锂晶体、砷化镓晶体、磷化镓晶体、锗晶体、锗锡混晶中的一种晶体。
所述高非线性纳米颗粒制作成粒径大小为5～1000nm的纳米颗粒后，均匀搅拌入液态的可塑性胶质材料中。
所述涂层选用特氟龙涂层，特氟龙涂层厚度0.1～3mm。
一种太赫兹检测系统，依次包括泵浦激光源、集成化太赫兹产生聚焦滤波元件、光学元件和太赫兹探测装置；泵浦激光源输出激光光束经过集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，通过集成化太赫兹产生聚焦滤波元件产生太赫兹，聚焦太赫兹，滤除泵浦光后，输出太赫兹波；泵浦激光源输出激光光束经过光学元件改变激光光束方向和控制光斑大小后，光学元件输出探测光；太赫兹波和太探测光进入赫兹探测装置，赫兹探测装置探测出太赫兹的时域波形。
所述太赫兹检测系统，所述的激光器的激光脉冲宽度在飞秒量级，同时输出波长在紫外、可见或者红外波段；脉冲激光经过分光棱镜被分为两束线偏振光，一束为反射线偏振光，经第一高反射镜垂直入射到集成化太赫兹产生聚焦滤波元件可塑型胶质材料平面；另一束为透射线偏振光，入射到光学元件中；激光器和分光棱镜之间的二分之一波片可改变两个线偏振光的比例大小，提高太赫兹辐射和探测效率。
本发明的有益效果在于：本发明集成化太赫兹产生聚焦滤波元件及太赫兹检测系统，将传统的太赫兹源、抛物面镜、滤波材料集成化，大大的简化了光路设计、安装及调试，具有体积小、成本低、便于大规模生产应用的优点；本发明提供的集成化元件中的高非线性纳米颗粒因可以从晶体碎料中提取制作，极大地克服了传统太赫兹源晶体制备困难，价格昂贵等问题，大幅度降低太赫兹时域光谱系统的成本；实际过程中还可通过掺杂其他纳米颗粒，如掺杂三氧化钼、纳米金等有局域场增强效果的纳米颗粒，增强非线性效应，进一步提高太赫兹波的产生效率。
附图说明
图1为本发明制备成功的集成化太赫兹产生聚焦滤波元件结构示意图；
图2为本发明制备成功的集成化太赫兹产生聚焦滤波元件实物图；
图3为本发明太赫兹检测系统结构示意图；
图4为本发明运用集成化太赫兹产生聚焦滤波元件的太赫兹检测系统具体方案框图；
图5为使用本发明太赫兹检测系统所得太赫兹时域光谱图。
具体实施方式
太赫兹波因其广泛的应用前景和独特的性能，如穿透性、带宽性、相干性、瞬态性等，越来越受到科研工作者的重视。但缺少功率高、价格低、体积小、轻携性等问题是限制太赫兹的发展及应用的主要难题。
在太赫兹时域光谱系统中，利用光整流方法产生太赫兹辐射的同时欲想提高其辐射效率，除了选用非线性系数高的晶体，还可以利用高非线性纳米颗粒掺杂一些特殊材料，如三氧化钼来提高太赫兹波转换效率。
经研究发现，集成化元件具有体积小、可便携式、价格廉价、稳定性高等优点，若能将泵浦源系统集成化，既可以实现太赫兹源转化效率的提升，又能满足体积小、价格低、便携式等优点。
基于以上，本发明实施例提供了一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件。所述的集成化元件是用一块毫米量级的可塑型胶质材料制作而成。
可塑型胶质材料是一种可以在室温下操作、价格不高、韧性和强度可调配、粘附性良好的有机物，选用一些透光率高、相溶性好的材料，如可塑型胶质材料的聚二甲基烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。在室温下，将液态的可塑性胶质材料与高非线性纳米颗粒均匀搅拌后，放置于透射式透镜磨具中塑型，形成圆弧形的可塑型胶质材料，可塑型胶质材料弧高为1-10mm。
高非线性纳米颗粒通常采用非线性系数高、光学整流效应强的晶体制作，如铌酸锂晶体(LiNbO3)、砷化镓晶体(GaAs)、磷化镓晶体(GaP)、锗晶体(Ge)、锗锡混晶(GexSn1-x)等晶体，将其制作成粒径大小为5～1000nm的纳米颗粒，辐射太赫兹波长为0～60THz。实际过程中，这些纳米颗粒可采用这些晶体生长过程中的碎末、边角料通过研磨或激光消融等手段制备。由于纳米颗粒的局域场增强效应因此由该材料制备的光学元件拥有较高的太赫兹转换效率。
过滤泵浦激光并透射太赫兹波的涂层可选用任何吸附可见和近红外光且透射太赫兹的涂层，如特氟龙涂层等，特氟龙涂层厚度0.1～3mm。涂层均匀包裹在加入高非线性纳米颗粒后成圆弧形的可塑型胶质材料的外弧表面，得到集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，集成化太赫兹产生聚焦滤波元件一面为可塑型胶质材料平面，另一面为弧形涂层，如图1所示，一次塑型。
为了此集成化元件可以快速、大规模生成，本发明采用机械化操作，使用微型精密的透镜磨具经热塑成型得到。
制备成功的元件如图2所示。可同时实现太赫兹波的产生、聚焦及滤除泵浦光的作用。
如图3所示，本发明实施例中提供了一种太赫兹时域光谱系统，依次包括泵浦激光源100、上述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件200，光学元件300和太赫兹探测装置400。泵浦激光源100用于提供太赫兹产生所需要的激光光束。集成化太赫兹产生聚焦滤波元件200为该装置核心元件，用于产生太赫兹，聚焦太赫兹，滤除泵浦光。光学元件300用于改变激光光束方向、控制光斑大小。太赫兹探测装置400用于探测出太赫兹的时域波形。
如图4所示，所述的泵浦激光源100包括激光器101，所述的激光器101可以为固体激光器、气体激光器和光纤激光器等激光器中一种。所述的激光器101的激光脉冲宽度在飞秒量级，同时输出波长可在紫外、可见或者红外波段。脉冲激光经过分光棱镜103被分为两束线偏振光，一束为反射线偏振光，经第一高反射镜104垂直入射到集成化太赫兹产生聚焦滤波元件200可塑型胶质材料平面；另一束为透射线偏振光，入射到光学元件300中。激光器101和分光棱镜103之间的二分之一波片102可以改变两个线偏振光的比例大小，提高太赫兹辐射和探测效率。
所述的激光光源装置的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm或者红外波段700-10000nm。
所述的光学元件300包括延时器301、第二高反射镜302、透镜303和ITO304，所述的延时器301用于提供飞秒脉冲激光与太赫兹脉冲之间的延时，为了快速实现太赫兹时域光谱扫描，此处的延时器301采用音圈电机。探测光经过延时器301、第二高反射镜302入射到透镜303，脉冲激光聚焦后经过ITO 304透射到太赫兹探测装置中的非线性晶体401上，同时经过集成化太赫兹产生聚焦滤波元件200后从涂层出射的太赫兹波经过ITO 304与探测脉冲水平共线入射到非线性晶体401。
所述的太赫兹探测装置400依次包括碲化锌晶体401、第三高反射镜402、四分之一波片403、第二透镜404、沃拉斯顿棱镜405、光电探测器406。当无太赫兹波存在时，调节四分之一波片403，使线偏振光变为圆偏振光，所述的圆偏振光经过第二透镜404入射到沃拉斯顿棱镜405中被分为两个大小相同、方向垂直的线偏振光，分别入射到光电探测器406的两个光电探头上，所述的光电探头的差值最小，可认为是零；当太赫兹波存在时，会在碲化锌晶体401中发生光电效应的逆过程，改变探测光的偏振态，使之原来的圆偏振光变为椭圆偏振光，光电探测器406接收不同大小的光强，此差值正比于太赫兹电场的大小。同时，使用延时器301(音圈电机)改变探测飞秒激光脉冲和待测太赫兹脉冲之间的时延，扫描出整个太赫兹的时域脉冲波形。
我们将自己制备的集成化太赫兹产生聚焦滤波元件200加载在现有的太赫兹时域光谱扫描系统上，利用该元件同时实现太赫兹辐射的产生、聚焦与滤波。通过音圈电机代表的延时器301改变时间延迟，获得太赫兹时域光谱图，如图5所示。
Claims (8)
1.一种集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，包括圆弧形的可塑型胶质材料和涂层，圆弧形的可塑型胶质材料由液态的可塑性胶质材料与高非线性纳米颗粒均匀搅拌后，放置于模具中塑型制成；涂层选用任何吸附可见和近红外光且透射太赫兹的涂层，涂层均匀包裹在加入高非线性纳米颗粒后成圆弧形的可塑型胶质材料的外弧表面，集成化太赫兹产生聚焦滤波元件一面为可塑型胶质材料平面，另一面为弧形涂层。
2.根据权利要求1所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，所述可塑型胶质材料弧高为1-10mm。
3.根据权利要求1或2所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，所述可塑型胶质材料选用透光率高、相溶性好的聚二甲基烷或聚甲基丙烯酸甲酯有机物。
4.根据权利要求1或2所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，所述高非线性纳米颗粒选用铌酸锂晶体、砷化镓晶体、磷化镓晶体、锗晶体、锗锡混晶中的一种晶体。
5.根据权利要求4所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，所述高非线性纳米颗粒制作成粒径大小为5～1000nm的纳米颗粒后，均匀搅拌入液态的可塑性胶质材料中。
6.根据权利要求1或2所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，其特征在于，所述涂层选用特氟龙涂层，特氟龙涂层厚度为0.1～3mm。
7.使用权利要求1所述集成化太赫兹产生聚焦滤波元件的一种太赫兹检测系统，其特征在于，依次包括泵浦激光源、集成化太赫兹产生聚焦滤波元件、光学元件和太赫兹探测装置；泵浦激光源输出激光光束经过集成化太赫兹产生聚焦滤波元件，通过集成化太赫兹产生聚焦滤波元件产生太赫兹，聚焦太赫兹，滤除泵浦光后，输出太赫兹波；泵浦激光源输出激光光束经过光学元件改变激光光束方向和控制光斑大小后，光学元件输出探测光；太赫兹波和探测光进入太赫兹探测装置，太赫兹探测装置探测出太赫兹的时域波形。
8.根据权利要求7所述一种太赫兹检测系统，其特征在于，所述泵浦激光源的激光脉冲宽度在飞秒量级，同时输出波长在紫外、可见或者红外波段；激光脉冲经过分光棱镜被分为两束线偏振光，一束为反射线偏振光，经第一高反射镜垂直入射到集成化太赫兹产生聚焦滤波元件的可塑型胶质材料平面；另一束为透射线偏振光，入射到光学元件中；泵浦激光源和分光棱镜之间的二分之一波片可改变两个线偏振光的比例大小，提高太赫兹辐射和探测效率。
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2019
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