CN110824575A - 等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法，该系统包括双晶体光参量振荡器、基于DAST晶体的差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中，一束激光入射到双晶体光参量振荡器，经过光学参量振荡，输出两个频率相近且可调的闲频光作为差频时需要的双波长，在差频单元的DAST晶体中差频并输出超宽带的太赫兹波，该太赫兹波穿透等离子体产生单元产生的等离子体而进入探测器中。本发明采用基于有机晶体的非线性频率变换差频方法大大拓展了目前太赫兹研究的可测量频率范围(0‑20THz)，能够在超宽的调谐范围内研究等离子体对太赫兹波的影响。

Description

等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱探测技术领域，尤其涉及一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法。
背景技术
太赫兹(THz)波具有广泛性、瞬态性、低能性、宽带性等特点，能够广泛应用于光谱学、生物探测、质量控制、卫星通讯等领域。而在某些太赫兹探测环境中会存在等离子体层，由此对探测过程产生影响，因此太赫兹波的传输过程中针对等离子体影响的研究有重大意义。
然而针对太赫兹探测中有关等离子体的研究还很少有报道，并且目前产生太赫兹波的方法仍无法满足应用所需的宽频谱要求，成为制约太赫兹发展的主要因素。此外，在研究过程中还发现激光产生等离子体的尺寸相比于太赫兹光斑的尺寸过小，难以起到对太赫兹波探测目标物的遮挡的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供了一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；差频单元，包含DAST晶体，以所述双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在所述DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被所述差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；探测单元，对穿透等离子体后的所述太赫兹波进行测量。
其中，所述双晶体光参量振荡器包括选通反射镜、全反射镜和位于所述选通反射镜和全反射镜之间的相同的两块非线性晶体；所述激光通过选通反射镜入射至所述选通反射镜和全反射镜之间形成的振荡腔内，通过所述两块非线性晶体分别泵浦产生的两束闲频光在所述振荡腔内形成激光振荡，并通过所述选通反射镜输出；其中至少一块所述非线性晶体能够旋转而使泵浦光转化为频率可调的闲频光。
其中，所述差频单元还包括谐波镜和聚焦透镜，经所述谐波镜滤波后的两束闲频光，通过所述聚焦透镜聚焦在所述DAST晶体上；所述差频是基于DAST晶体的0类相位匹配。
其中，所述等离子产生单元包括石英管以及双环电极，所述石英管内通入气体，所述双环电极包裹于石英管外壁，所述等离子体自所述石英管喷流输出。
其中，所述等离子产生单元的石英管采用鸭嘴型喷口结构。
其中，所述探测单元采用高莱探测器。
其中，所述超宽带太赫兹光谱测量系统还包括倍频单元，用于倍频输出所述激光至双晶体光参量振荡器。
其中，所述倍频单元包括激光器、非线性晶体以及分束镜，由所述激光器发射的激光入射到所述非线性晶体上，在所述非线性晶体中进行相位匹配而完成倍频，倍频后的激光通过所述分束镜输出。
其中，所述非线性晶体为KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体或KTA晶体。
作为本发明的另一方面，提供了一种使用如上所述的超宽带太赫兹光谱测量系统进行测量的方法，包括以下步骤：将一束激光入射到双晶体光参量振荡器内，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；将双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光入射到差频单元，在所述差频单元的DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；使所述太赫兹波穿透等离子体产生单元基于介质阻挡放电原理产生的等离子体后，入射到探测单元进行测量；其中，入射至所述双晶体光参量振荡器内的激光优选为通过倍频单元倍频产生。
基于上述技术方案，本发明的等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明利用双晶体光参量振荡器泵浦有机晶体DAST辐射超宽带太赫兹波，穿透等离子体后通过探测单元对太赫兹波进行探测，由此得以在超宽的调谐范围内研究等离子体对太赫兹波的影响。
(2)本发明是在一般扫频太赫兹光谱系统的基础上，采用基于有机晶体的非线性频率变换差频方法大大拓展了目前太赫兹研究的可测量频率范围(0-20THz)，提供更宽的频率选择窗口。整体光谱测量系统的太赫兹波脉冲输出能量达到1μJ，测量信噪比达到32dB，光谱获取时间小于1分钟。
(3)本发明的等离子体产生单元在非均匀等离子体产生方法上采用基于介质阻挡放电原理的，在石英管中通入惰性气体并在管壁外包裹铜质环电极形成双环结构的大气压等离子体射流装置，克服了激光产生等离子体的尺寸远小于太赫兹光斑尺寸以及目标物几何尺寸的问题。
(4)本发明的等离子体产生单元产生的等离子体状态为喷流形式，不同于传统的介质阻挡放电将等离子体限制在放电间隙中，能够使等离子体与高压电极分开，增加了安全性；并且，在喷口位置采用鸭嘴型喷口设计，以获得等离子体射流长度在20mm以上，最大宽度达到5-6mm左右，等离子体的电子密度1013cm-3左右且喷口外的电子密度沿着径向也可看作高斯分布，完全实现对太赫兹光斑以及目标物的全覆盖。
附图说明
图1为本发明中超宽带太赫兹光谱测量系统结构示意图；
图2为本发明中非均匀等离子体产生装置示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-激光器；2-KTP晶体；3-分束镜；4-选通反射镜；5-KTP晶体；6-KTP晶体；7-全反射镜；8-谐波镜；9-聚焦透镜；10-DAST晶体；11-THz聚焦透镜；12-高莱探测器；13-惰性气体；14-石英管；15-铜质环电极；16-鸭嘴型喷口；17-等离子体射流区域；18-电压源。其中，1、2、3组成倍频单元，4、5、6、7组成双晶体光参量振荡器，8、9、10组成基于DAST晶体的差频单元，13、14、15、16、17、18组成等离子体产生单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明涉及到实验室环境下非均匀等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，用于非均匀等离子体及覆盖目标的超宽带太赫兹光谱探测。特别是超宽带太赫兹辐射源的设计，利用非线性频率变换差频的方法基于有机晶体产生太赫兹波辐射具有室温下工作、窄线宽、无阈值限制、调谐范围宽等优势，具有超宽带调谐频率范围达到0-20THz，利用介质阻挡放电技术获得气体喷流非均匀等离子体，能够有效、稳定的覆盖所需目标物，从而实现室温环境下的非均匀等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量。
具体地，本发明提供了一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；差频单元，包含DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐)晶体，以双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；探测单元，对穿透等离子体后的太赫兹波进行测量。
其中，上述超宽带太赫兹光谱测量系统还包括倍频单元，用于倍频输出激光至双晶体光参量振荡器。
其中，倍频单元包括激光器、非线性晶体以及分束镜，由激光器发射的激光入射到该非线性晶体上，在非线性晶体中进行相位匹配而完成倍频，倍频后的激光通过分束镜输出。上述倍频单元中的非线性晶体例如可以是KTP(磷酸氧钛钾)晶体、BBO(偏硼酸钡)晶体、LBO(三硼酸锂)晶体或KTA(砷酸钛氧钾)晶体等。其中的无机非线性晶体的相位匹配方式一般有I、II两种类型，是由所需的倍频输出光波长和所选用的非线性晶体决定，以KTP晶体为例，倍频输出光波长为532nm，其支持的为II类相位匹配。
其中，双晶体光参量振荡器包括选通反射镜、全反射镜和位于选通反射镜和全反射镜之间的相同的两块非线性晶体；倍频后的激光通过选通反射镜入射至选通反射镜和全反射镜之间形成的振荡腔内，通过两块非线性晶体分别泵浦产生的两束闲频光在振荡腔内形成激光振荡，并通过选通反射镜输出，作为DAST的双波长差频泵浦光。
上述双晶体光参量振荡器中，至少一块非线性晶体能够旋转而使泵浦光转化为频率可调的闲频光。具体而言，可以是其中一块非线性晶体能够旋转，而另一块非线性晶体被固定；也可以是两块非线性晶体能够同时被旋转，旋转速度可以相同或不同，只要能产生不同波长的两束闲频光即可。由此，通过旋转非线性晶体的角度实现输出的双波长差频泵浦光的快速调谐。
上述双晶体光参量振荡器中的非线性晶体例如可以是KTP(磷酸氧钛钾)晶体、BBO(偏硼酸钡)晶体、LBO(三硼酸锂)晶体或KTA(砷酸钛氧钾)晶体等。
其中，差频单元还包括谐波镜和聚焦透镜，经谐波镜滤波后的两束闲频光，通过聚焦透镜聚焦在DAST晶体上。
其中，差频是基于DAST晶体的0类相位匹配，两束闲频光，也即泵浦光，与产生的THz光偏振态方向一致，更容易获取。
其中，等离子产生单元包括石英管以及双环电极，石英管内通入惰性气体，双环电极包裹于石英管外壁，产生的等离子体自石英管喷流输出。
其中，等离子产生单元的石英管采用鸭嘴型喷口结构。
其中，探测单元采用高莱探测器。
本发明还提供了一种使用如上所述的超宽带太赫兹光谱测量系统进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：将一束激光入射到双晶体光参量振荡器内，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；将双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光入射到差频单元，在差频单元的DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；使太赫兹波穿透等离子体产生单元基于介质阻挡放电原理产生的等离子体后，入射到探测单元进行测量。
其中，入射至双晶体光参量振荡器的激光优选为通过倍频单元倍频产生，以输出稳定的泵浦光。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
具体地，本实施例提供了一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，整个系统分为五个部分，系统结构简单，采用优化组合的方式，使用最少的光学元件达到测量系统技术要求，如图1所示，该超宽带太赫兹光谱测量系统包括倍频单元、双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：
(1)在基于KTP晶体的倍频单元中，由激光器1发射的波长为1064nm的激光入射到KTP晶体2上，在KTP晶体2中满足的是第II类相位匹配。经过KTP晶体2倍频后出射的532nm激光入射到分束镜3上，分束镜3为1064nm高透、532nm全反镜，可以滤除未经倍频的1064nm的光，并将532nm的激光入射到双晶体光参量振荡器中。
(2)双晶体光学参量振荡器包括选通反射镜4、全反射镜7和两个相同参数的KTP晶体5、6，在选通反射镜4和全反射镜7之间形成KPT-OPO(光参量振荡器)振荡腔，腔长为30cm，属于双通腔，倍频得到的532nm绿光两次经过双KTP晶体，以保证双波长输出位置固定，补偿走离效应，腔内的KTP晶体放置在可旋转振镜上，通过Labview的程序控制振镜的高速旋转，进而改变KTP晶体相位匹配的θ角，输出两个频率相近且可调的闲频光作为差频时需要的双波长。
具体而言，采用两块KTP晶体作为光参量振荡器(OPO)的增益晶体，产生宽调谐的双波长差频泵浦光，根据KTP晶体的Sellmeier方程，设计KTP-OPO的相位匹配相关参数。
Figure BDA0002271695600000071
Figure BDA0002271695600000072
Figure BDA0002271695600000073
其中，nx、ny与nz分别为光学主轴x、y和z轴方向上的折射率，λ为泵浦光波长。
根据理论计算，选取线偏振的532nm绿光作为光参量振荡器的泵浦光，产生一束腔内振荡的线偏振信号光以及一束可调谐线偏振红外闲频光。KTP-OPO腔内放置两块相同参数的KTP晶体，KTP晶体切角为θ＝65°，γ＝0°。通过旋转OPO腔内一块KTP晶体，改变晶体的θ角度实现线偏振闲频光波长调谐，输出波长范围1.350-1.50μm。腔内另一块KTP晶体角度固定，输出线偏振闲频光波长1.35μm。KTP-OPO中两块KTP晶体各自产生的线偏振闲频光共同作为后续差频单元的泵浦光。
(3)基于DAST晶体10的差频单元包括谐波镜8、聚焦透镜9、DAST晶体10中，谐波镜8为532nm高反、1200-1500nm高透镜，与光路夹角为88°，可以滤除双波长中残存的532nm的激光，滤波后的激光通过聚焦透镜9聚焦在DAST晶体10上进行差频。DAST晶体10的差频过程是基于DAST晶体的0类相位匹配，双波长的偏振方向以及差频产生的太赫兹波的偏振方向平行于DAST晶体的结晶轴a轴方向，传播方向沿晶体c轴；
其中DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐)晶体是一种具有高二阶非线性系数和低介电常数的有机电光晶体材料，晶体由带负电荷的对甲苯磺酸阴离子和带正电荷的吡啶阳离子组成，分子中吡啶基团做电子受体，磺酸基团做电子供体，C＝C双键将两个π键共轭起来，是典型的D-π-A结构。在外光场作用下，DAST晶体电荷可以从分子的一段转移到另外一端，从而使DAST分子非线性极化率变大。研究表明，电子给受体强度越大分子内电荷转移程度越大，相应的微观二阶极化率也越大。DAST晶体呈非中心对称的宏观晶体堆积，属于单斜晶系，双轴晶体，空间群Cc，点群M，Z＝4，晶格常数
Figure BDA0002271695600000074
Figure BDA0002271695600000075
β＝92.24°。DAST晶体的结构特点使其展现出了良好的二阶非线性系数(χ(2)＝2020±220pm/V@1318nm)和低介电常数(ε1＝5.2±0.4)，在820nm波长处的晶体电光系数为γ11＝400±150pm/V，比ZnTe晶体的相应值大1-2个数置级，其倍频效应为尿素的1000倍。DAST晶体是一种性能优良的有机非线性晶体，同时也是用于产生THz辐射的有机晶体材料，在7-20THz频率范围内，其产生能量是ZnTe晶体的6倍，LiTaO3晶体的185倍，比高质量的GaAs和InP大42倍，在基于DAST晶体差频产生太赫兹辐射和探测领域，具有广阔的发展前景。
(4)等离子体产生单元的具体结构如图2所示，不同于传统的介质阻挡放电需将等离子体限制在放电间隙，该等离子体单元采用在石英管14中通入惰性气体13，管壁外包裹两层宽薄铜质环电极15形成双环电极的结构，在电压源18提供的电压下产生大气压下的等离子体喷流输出。这种方式避免了普通放电需将等离子体限制在放电间隙中的问题，使等离子体与高压电极分开，喷流输出，既增加了安全性，又获得了模拟等离子体鞘套实际情况的功能。特别在喷口位置，本发明采用特别设计的鸭嘴型喷口16结构，既减少了气体消耗，又可以大大增加管外等离子体空间尺寸，获得的等离子体的电子密度一般在1013cm-3左右，且喷口外的电子密度沿着径向也可看作高斯分布，方便理论计算和计算机仿真。而离子体射流长度在20mm以上，最大宽度达到5-6mm左右，获得的等离子体射流区域17完全满足对太赫兹光斑以及目标物的全覆盖。
(5)太赫兹波探测单元，包括常规的高莱探测器12(Golay Cell)，自DAST晶体输出的太赫兹波被聚焦透镜11聚焦后穿透等离子体区域17被高莱探测器收集，由此通过测量太赫兹波来研究等离子体对太赫兹波的影响。探测器接收头上的黑色聚乙烯可以滤除残余的近红外双波长光，探测器将收集到的太赫兹波能量反馈到Labview程序中并进行实时示波显示。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：
双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；
差频单元，包含DAST晶体，以所述双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在所述DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；
等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被所述差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；
探测单元，对穿透等离子体后的所述太赫兹波进行测量。
2.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述双晶体光参量振荡器包括选通反射镜、全反射镜和位于所述选通反射镜和全反射镜之间的相同的两块非线性晶体；
所述激光通过选通反射镜入射至所述选通反射镜和全反射镜之间形成的振荡腔内，通过所述两块非线性晶体分别泵浦产生的两束闲频光在所述振荡腔内形成激光振荡，并通过所述选通反射镜输出；
其中至少一块所述非线性晶体能够旋转而使泵浦光转化为频率可调的闲频光。
3.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述差频单元还包括谐波镜和聚焦透镜，经所述谐波镜滤波后的两束闲频光，通过所述聚焦透镜聚焦在所述DAST晶体上；
所述差频是基于DAST晶体的0类相位匹配。
4.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述等离子产生单元包括石英管以及双环电极，所述石英管内通入气体，所述双环电极包裹于石英管外壁，所述等离子体自所述石英管喷流输出。
5.根据权利要求4所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述等离子产生单元的石英管采用鸭嘴型喷口结构。
6.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述探测单元采用高莱探测器。
7.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述超宽带太赫兹光谱测量系统还包括倍频单元，用于倍频输出所述激光至双晶体光参量振荡器。
8.根据权利要求7所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述倍频单元包括激光器、非线性晶体以及分束镜，由所述激光器发射的激光入射到所述非线性晶体上，在所述非线性晶体中进行相位匹配而完成倍频，倍频后的激光通过所述分束镜输出。
9.根据权利要求2或7所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述非线性晶体为KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体或KTA晶体。
10.一种使用如权利要求1至8任一项所述的超宽带太赫兹光谱测量系统进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一束激光入射到双晶体光参量振荡器内，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；
将双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光入射到差频单元，在所述差频单元的DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；
使所述太赫兹波穿透等离子体产生单元基于介质阻挡放电原理产生的等离子体后，入射到探测单元进行测量；
其中，入射至所述双晶体光参量振荡器内的激光优选为通过倍频单元倍频产生。
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