CN110954497A - 一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，属于太赫兹波光电子领域，包括激光光源、两个波长转换器件A、B，两个非线性太赫兹变换器件A、B，样品及单光子探测或成像器件；激光光源通过波长转换器件A产生两个波长的激光，并在非线性太赫兹变换器件A内产生具有相干特性的太赫兹波，该太赫兹波在样品散射、吸收作用下能量衰减至单光子量级，激光光源通过波长转换器件B产生一个单一波长的近红外激光，并与太赫兹波单光子信号在非线性太赫兹变换器件B内产生频率上转换信号，在单光子探测或成像器件内被转换为电子信号，实现太赫兹波的单光子探测和成像。本发明能够实现在室温下对宽谱范围内的太赫兹波的单光子探测和成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，属于太赫兹波光电子技术领域。
背景技术
太赫兹波是一种频率单位为THz的电磁波。太赫兹波的定义相对较为广泛，广义上来说，0.01THz至100THz都可以称为太赫兹波。太赫兹波的频率在0.1THz以下可以用电子学的方法来测量；在30THz(10微米)以上可以使用远红外探测器直接测量；而0.1-30THz波段范围的太赫兹波，相对来说探测技术仍未成熟。
目前0.1-30THz波段范围的太赫兹波，可使用的探测方式很多，有热探测、超导探测、光整流探测、量子级联激光器(QCL)探测、频率变换探测等。热探测方式探测太赫兹波频谱范围最广，但灵敏度和工作温度密切相关，因此需要极低温制冷，而且响应速度慢，灵敏度也有限。QCL探测也需要低温来达到高灵敏度，而且可探测频谱范围极窄。光整流探测则需要昂贵的飞秒激光作为光源。其中，只有基于超导的探测方式才能够达到单光子探测能力，如基于超导的量子电容探测、量子干涉探测、约瑟夫逊结探测等。超导探测方式不仅需要低温制冷，其探测的频率基本上也被限制于单一频率或有限的几个频率。这使得太赫兹波范围内的单光子探测仍处于实验室内使用，暂时无法进入实际应用中。而对于太赫兹波单光子级的成像，目前尚未有报道可以实现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，通过利用高效的非线性频率变换和高灵敏度的近红外光单光子探测与成像器件，达到对太赫兹波进行单光子级高灵敏度探测与成像的能力。本方法无需低温制冷，既可以通过激光波长设计，对太赫兹波频率进行调谐而适用于0.1-30THz波段宽谱波长，也可以通过使用超短激光脉冲，形成宽谱段的可测量太赫兹频率范围，从而实现单光子量级的高灵敏度太赫兹波探测与成像，在太赫兹波应用方面有着广泛的应用前景。
本发明采用以下技术方案：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，包括激光光源、波长转换器件A、波长转换器件B、非线性太赫兹变换器件A、非线性太赫兹变换器件B、样品以及单光子探测或成像器件，单光子探测或成像器件具有单光子量级的探测和成像灵敏度；
激光光源作为整个系统的能量供应，对于成像应用激光脉冲频率不低于25Hz，对于单光子探测应用脉冲频率不限，用来产生具有相干特性的太赫兹波及频率变换用激光，激光光源通过波长转换器件A产生两个新的波长的激光，并在非线性太赫兹变换器件A内产生具有相干特性的太赫兹波，该太赫兹波在样品散射、吸收、空间传输损耗等因素作用下信号能量衰减至单光子量级，即太赫兹波单光子信号，激光光源通过波长转换器件B产生一个单一波长的近红外激光，并与太赫兹波单光子信号在非线性太赫兹变换器件B内产生频率上转换信号，频率上转换信号在单光子探测或成像器件内被转换为电子信号，实现太赫兹波的单光子探测和成像。
本发明由于激光光源用于波长变换，因此激光光源峰值功率较强，具有较好的光束质量，对于成像应用，则激光脉冲频率不低于25Hz。
波长变换器A在激光光源为单一波长激光器时使用，作用是将激光光源的能量进行转化，并作为非线性太赫兹变换器件A的输入部分。
近红外激光在非线性太赫兹变换器件A中转换为太赫兹波，太赫兹波与近红外激光在非线性太赫兹变换器件B中转换为近红外光，并通过单光子探测或成像器件探测和成像。近红外激光和太赫兹波进行能量的相互转换过程为通过光学非线性效应将近红外激光的能量转化至太赫兹波段并作为太赫兹波光源照射到样品上，衰减为单光子量级的太赫兹波，并且用于产生这部分转换的近红外激光的功率密度，大于所使用非线性晶体的太赫兹波光子产生倍增增益所需要的阈值，太赫兹信号可以是经样品散射、透射或反射以及传播路径损耗后剩余部分到达探测方的信号；在携带样品信号后，再次通过光学非线性效应将能量和信息转化至近红外波段。上述的能量转化过程可分别通过不同的晶体、周期性极化晶体或者光纤等多种手段实现，不同的手段可能具有不同的结果，相同的晶体也可以通过不同的切割方式以及不同的输入激光从而实现不同的转换方式，可根据实际情况灵活选择组合方式实现能量转换，均不影响本发明的实施。
非线性太赫兹变换器件A和非线性太赫兹变换器件B将可见光或近红外光与太赫兹波段进行能量相互转换。非线性太赫兹变换器件A产生的太赫兹波作为系统的太赫兹波能量源，照射在样品上；样品可以是一个特别制作的样品，如写有文字的纸片样品、掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品、生物组织切片样品等，也可以是一定距离以外的待测物品，如远处的楼房、植被、树叶叶片等。携带了样品信息的太赫兹波可以是透射信号，也可以是反射信号，由于光源功率较低、样品吸收、传输衰减等原因，到达探测方的单光子量级的微弱信号。太赫兹波单光子级信号被太赫兹波收集系统收集后，在非线性太赫兹变换器件B重新转换至可见光或近红外光能量，太赫兹波单光子级弱信号被太赫兹波光学系统聚焦(探测系统)或聚焦成像(成像系统)后，在非线性太赫兹变换器件B通过光学非线性频率上转换过程，重新转换至近红外光能量，近红外光的单光子探测或成像器件记录下单光子级别的信息，从而实现太赫兹波的室温下单光子探测与成像。
优选的，所述单光子探测或成像器件具有单光子探测能力，包括但不限于Si基单光子探测器、InGaAs基单光子探测器、Si基单光子探测器阵列、InGaAs基单光子探测器阵列、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)和增强电荷耦合器件(ICCD)。
优选的，所述激光光源包括但不限于单一波长激光器、双波长激光器。
优选的，波长转换器件A或波长转换器B可以和激光光源合并，也可以根据采用方案的不同而省略，需要根据实际情况的不同而进行调整，所述波长转换器件A和波长转换器件B的光学非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
优选的，激光光源采用1.34微米波长的纳秒脉冲的Nd:YVO4激光器，波长转换器件A采用内腔拉曼变换方式将激光光源的波长转换为1.52微米，拉曼变换晶体采用不掺杂的YVO4晶体，波长转换器件B取消，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为写有文字的纸片样品，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体也采用DAST晶体，单光子探测或成像器件采用32×32InGaAs单光子探测器阵列；
波长转换器件A通过拉曼变换的方式对激光光源发出的1.34微米的激光进行波长变换，获得1.52微米波长激光，波长转换器件A产生的近红外激光的脉冲宽度为20ns，重复频率为1kHz，单脉冲能量1uJ，Nd:YVO4激光器分出的一束激光和波长转换器件A产生的激光合成双波长近红外激光传输至非线性太赫兹变换器件A中，并在非线性太赫兹变换器件A中通过差频获得单脉冲能量小于100pJ的26.7THz的太赫兹波，经太赫兹波光学系统传导，照射在纸片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于纸片样品对太赫兹波的散射大，使得能够传输到后端的用于探测和成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；Nd:YVO4激光器中产生的1.34微米激光的剩余部分作为非线性太赫兹变换器件B的光源，单光子量级的太赫兹信号和1.34微米的光源在非线性太赫兹变换器件B中的DAST晶体中通过非线性单程差频，将信号转换成1.52微米激光，转换后的激光通过近红外光学成像光路系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至32×32InGaAs单光子探测器阵列上，实现对近红外激光的单光子级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子探测与成像。
本发明的太赫兹波保留空间信息的方式，与太赫兹波光学部分的设计有关，其手段类似于光学领域的镜头的作用，但具体器件不同，主要使用的器件比如凹面镜、凸面镜、离轴抛物面镜、各种类型的太赫兹波透镜等，而具体的设计则需要根据实际应用的需求具体设计，就好像光学仪器里的光路设计一样，可参照现有技术进行，此处不再赘述。
优选的，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生910nm和943nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用BNA晶体，样品为树叶叶片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体也采用BNA晶体，单光子探测或成像器件采用sCMOS相机；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生910nm和943nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A中，并在其内的BNA晶体中通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的11.6THz的太赫兹波，树叶叶片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于树叶叶片样品中含有水分，对太赫兹波的损耗大，能够传输到后端的用于成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B，波长转换器件B采用KTP晶体振荡谐振产生910nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B的光源与样品中透射的太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B，并在其内的BNA晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成943nm激光，转换后的943nm激光通过近红外光学成像系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至sCMOS相机上。单光子探测或成像器件使用高灵敏度低噪声sCMOS相机作为成像器件，具有近红外波段的单光子量级的探测成像能力，能够实现对近红外激光的单光子量级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子量级探测与成像。
进一步优选的，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1313nm和1415nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用BNA晶体，单光子探测或成像器件采用EMCCD相机；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生1313nm和1415nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A中，在其内的DAST晶体中通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的16.5THz的太赫兹波，并照射在掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于GaAs半导体片样品中的Si离子掺杂导致的自由载流子增多，使得样品对太赫兹波的反射较大，能够传输到后端的用于成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B，波长转换器件B采用KTP晶体振荡谐振产生910nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B的光源与样品中透射的太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B，并在其内的BNA晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成958nm激光，转换后的958nm激光通过近红外光学成像光路系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至EMCCD相机上。单光子探测或成像器件使用EMCCD相机作为成像器件，具有近红外波段的单光子探测成像能力，能够实现对近红外激光的单光子级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子探测与成像。
进一步优选的，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1415nm和1445nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为写有字迹的纸片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生1415nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用DAST晶体，单光子探测或成像器件采用InGaAs单光子探测器；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生1415nm和1445nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A中，并在其内的DAST晶体通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的4.3THz的太赫兹波，并照射在写有字迹的纸片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，成像后太赫兹波单像素能量接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B，采用KTP晶体振荡谐振产生1415nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B的光源与样品中透射的单光子量太赫兹波入射到非线性太赫兹变换器件B，并在其内的DAST晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成1445nm激光，转换后的激光保留了太赫兹波的空间信息，并传导至InGaAs单光子探测器上。单光子探测或成像器件使用InGaAs单光子探测器，具有近红外波段的单光子探测能力，通过对样品进行逐点扫描，可以实现单光子级样品的太赫兹信息成像。
进一步优选的，激光光源采用1064nm固体YAG激光器，波长转换器件A采用光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为KTP晶体，将1064nm激光倍频为532nm激光，再经KTP晶体产生1072nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用种子光注入参量产生的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用LN晶体，样品为生物组织切片样品，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用LN晶体，单光子探测或成像器件采用Si单光子探测器；
1064nm固体YAG激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量20mJ，波长转换器件A采用光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为KTP晶体，将1064nm激光倍频为532nm激光，再经KTP晶体产生1072nm激光，单脉冲能量为0.1mJ，1064nm和1072nm波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A中，近红外光到太赫兹波的非线性变换采用种子光注入参量产生的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用LN晶体，两种波长的激光以1.5°夹角入射到LN晶体内，并靠近一个侧面，LN晶体侧面采用Si棱柱对产生的太赫兹波进行耦合，出射2.1THz的太赫兹波，出射的太赫兹波照射在生物组织切片样品上，采用反射模式来获得样品的太赫兹波信息；1064nm固体YAG激光器中产生的激光剩余部分直接作为非线性太赫兹变换器件B的光源(本实施例不采用波长变换器B)，即该激光与样品中透射的单光子量太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B，并在其内的LN晶体中采用种子光注入参量变换，将太赫兹信号转换成1072nm激光，并传导至Si单光子探测器上。单光子探测或成像器件使用Si单光子探测器，具有近红外波段的单光子探测能力，通过对样品进行逐点扫描，可以实现单光子级样品的太赫兹信息成像。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
1)现有的太赫兹单光子探测都是基于超导技术，需要低温制冷，不利于应用。本发明使用的技术都是在常温下工作，单光子探测或单光子成像器件的工作温度都是室温或半导体简单制冷就可以获得的温度范围。
2)现有技术中，太赫兹单光子探测仅能应用于单一或有限的几个太赫兹频率，无法适应应用的需求，本发明能够探测的太赫兹范围可以根据所选择的频率变换方式的特性，通过合理确定所需要的近红外激光波长和非线性晶体，从而可以在0.1-30THz波段内调谐至研究者所关注的、对应样品特性的某一个波长。本发明实际应用中也可以采用超短激光脉冲在非线性晶体中产生宽谱的太赫兹波，以实现宽谱太赫兹波的探测与成像。
3)现有技术中太赫兹波成像器件或方法的灵敏度较低，尚未有达到单光子成像水平，本发明的方法可以实现对太赫兹波的单光子量级成像。
附图说明
图1为本发明的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例7的成像结果示意图；
图中，1-激光光源，2.1-波长转换器件A，2.2-波长转换器件B，3-非线性太赫兹变换器件A，4-样品，5-非线性太赫兹变换器件B，6-单光子探测或成像器件。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，如图1所示，包括激光光源1、波长转换器件A 2.1、波长转换器件B 2.2、非线性太赫兹变换器件A 3、非线性太赫兹变换器件B 5、样品4以及单光子探测或成像器件6，单光子探测或成像器件6具有单光子量级的探测和成像灵敏度；
激光光源1作为整个系统的能量供应，对于成像应用激光脉冲频率不低于25Hz，对于单光子探测应用脉冲频率不限，用来产生具有相干特性的太赫兹波及频率变换用激光，激光光源1通过波长转换器件A 2.1产生两个新的波长的激光，并在非线性太赫兹变换器件A 3内产生具有相干特性的太赫兹波，该太赫兹波在样品4散射、吸收、空间传输损耗等因素作用下信号能量衰减至单光子量级，即太赫兹波单光子信号，激光光源1通过波长转换器件B 2.2产生一个单一波长的近红外激光，并与太赫兹波单光子信号在非线性太赫兹变换器件B 5内产生频率上转换信号，频率上转换信号在单光子探测或成像器件6内被转换为电子信号，实现太赫兹波的单光子探测和成像。
本发明由于激光光源用于波长变换，因此激光光源1峰值功率较强，具有较好的光束质量，对于成像应用，则激光脉冲频率不低于25Hz。
波长变换器A 2.1在激光光源1为单一波长激光器时使用，作用是将激光光源的能量进行转化，并作为非线性太赫兹变换器件A 3的输入部分。
本发明中，近红外激光在非线性太赫兹变换器件A 3中转换为太赫兹波，太赫兹波与近红外激光在非线性太赫兹变换器件B 5中转换为近红外光，并通过单光子探测或成像器件6探测和成像。近红外激光和太赫兹波进行能量的相互转换过程为通过光学非线性效应将近红外激光的能量转化至太赫兹波段并作为太赫兹波光源照射到样品4上，衰减为单光子量级的太赫兹波，并且用于产生这部分转换的近红外激光的功率密度，大于所使用非线性晶体的太赫兹波光子产生倍增增益所需要的阈值，太赫兹信号可以是经样品散射、透射或反射以及传播路径损耗后剩余部分到达探测方的信号；在携带样品信号后，再次通过光学非线性效应将能量和信息转化至近红外波段。上述的能量转化过程可分别通过不同的晶体、周期性极化晶体或者光纤等多种手段实现，不同的手段可能具有不同的结果，相同的晶体也可以通过不同的切割方式以及不同的输入激光从而实现不同的转换方式，可根据实际情况灵活选择组合方式实现能量转换，均不影响本发明的实施。
非线性太赫兹变换器件A 3和非线性太赫兹变换器件B 5将可见光或近红外光与太赫兹波段进行能量相互转换。非线性太赫兹变换器件A 3产生的太赫兹波作为系统的太赫兹波能量源，照射在样品4上；样品4可以是一个特别制作的样品，如写有文字的纸片样品、掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品、生物组织切片样品等，也可以是一定距离以外的待测物品，如远处的楼房、植被、树叶叶片等。携带了样品信息的太赫兹波可以是透射信号，也可以是反射信号，由于光源功率较低、样品吸收、传输衰减等原因，到达探测方的单光子量级的微弱信号。太赫兹波单光子级信号被太赫兹波收集系统收集后，在非线性太赫兹变换器件B 5重新转换至可见光或近红外光能量，太赫兹波单光子级弱信号被太赫兹波光学系统聚焦(探测系统)或聚焦成像(成像系统)后，在非线性太赫兹变换器件B 5通过光学非线性频率上转换过程，重新转换至近红外光能量，近红外光的单光子探测或成像器件记录下单光子级别的信息，从而实现太赫兹波的室温下单光子探测与成像。
实施例2：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，单光子探测或成像器件6具有单光子探测能力，包括但不限于Si基单光子探测器、InGaAs基单光子探测器、Si基单光子探测器阵列、InGaAs基单光子探测器阵列、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)和增强电荷耦合器件(ICCD)。
实施例3：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1包括但不限于单一波长激光器、双波长激光器。
实施例4：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，波长转换器件A 2.1和波长转换器件B 2.2的光学非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
实施例5：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用1.34微米波长的纳秒脉冲的Nd:YVO4激光器，波长转换器件A 2.1采用内腔拉曼变换方式将激光光源的波长转换为1.52微米，拉曼变换晶体采用不掺杂的YVO4晶体，波长转换器件B 2.2取消，非线性太赫兹变换器件A 3的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A 3中的非线性晶体采用DAST晶体，样品4为写有文字的纸片样品，非线性太赫兹变换器件B 5中的非线性晶体也采用DAST晶体，单光子探测或成像器件6采用32×32InGaAs单光子探测器阵列；
波长转换器件A 2.1通过拉曼变换的方式对激光光源1发出的1.34微米的激光进行波长变换，获得1.52微米波长激光，波长转换器件A 2.1产生的近红外激光的脉冲宽度为20ns，重复频率为1kHz，单脉冲能量1uJ，Nd:YVO4激光器分出的一束激光和波长转换器件A2.1产生的激光合成双波长近红外激光传输至非线性太赫兹变换器件A 3中，并在非线性太赫兹变换器件A 3中通过差频获得单脉冲能量小于100pJ的26.7THz的太赫兹波，经太赫兹波光学系统传导，照射在纸片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于纸片样品对太赫兹波的散射大，使得能够传输到后端的用于探测和成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；Nd:YVO4激光器中产生的1.34微米激光的剩余部分作为非线性太赫兹变换器件B 5的光源，单光子量级的太赫兹信号和1.34微米的光源在非线性太赫兹变换器件B 5中的DAST晶体中通过非线性单程差频，将信号转换成1.52微米激光，转换后的激光通过近红外光学成像光路系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至32×32InGaAs单光子探测器阵列上，实现对近红外激光的单光子级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子探测与成像。
实施例6：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用532nm固体激光器，波长转换器件A 2.1采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生910nm和943nm激光，非线性太赫兹变换器件A 3的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A 3中的非线性晶体采用BNA晶体，样品4为树叶叶片样品，波长转换器件B 2.2采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B 5中的非线性晶体也采用BNA晶体，单光子探测或成像器件6采用sCMOS相机；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生910nm和943nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A 3中，并在其内的BNA晶体中通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的11.6THz的太赫兹波，并照射在树叶叶片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于树叶叶片样品中含有水分，对太赫兹波的损耗大，能够传输到后端的用于成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B2.2，波长转换器件B 2.2采用KTP晶体振荡谐振产生910nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B 5的光源与样品中透射的太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B 5，并在其内的BNA晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成943nm激光，转换后的943nm激光通过近红外光学成像系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至sCMOS相机上。单光子探测或成像器件6使用高灵敏度低噪声sCMOS相机作为成像器件，具有近红外波段的单光子量级的探测成像能力，能够实现对近红外激光的单光子量级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子量级探测与成像。
实施例7：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用532nm固体激光器，波长转换器件A 2.1采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1313nm和1415nm激光，非线性太赫兹变换器件A 3的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A3中的非线性晶体采用DAST晶体，样品4为掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品，波长转换器件B 2.2采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B5中的非线性晶体采用BNA晶体，单光子探测或成像器件6采用EMCCD相机；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生1313nm和1415nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A 3中，在其内的DAST晶体中通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的16.5THz的太赫兹波，并照射在掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，由于GaAs半导体片样品中的Si离子掺杂导致的自由载流子增多，使得样品对太赫兹波的反射较大，能够传输到后端的用于成像的太赫兹波能量极小，单像素接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B 2.2，波长转换器件B 2.2采用KTP晶体振荡谐振产生910nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B 5的光源与样品中透射的太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B 5，并在其内的BNA晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成958nm激光，转换后的958nm激光通过近红外光学成像光路系统，保留了太赫兹波的空间信息，并传导至EMCCD相机上，如图2所示。单光子探测或成像器件6使用EMCCD相机作为成像器件，具有近红外波段的单光子探测成像能力，能够实现对近红外激光的单光子级信号成像，从而实现了室温下对太赫兹光的单光子探测与成像。
实施例8：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用532nm固体激光器，波长转换器件A 2.2采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1415nm和1445nm激光，非线性太赫兹变换器件A 3的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A3中的非线性晶体采用DAST晶体，样品4为写有字迹的纸片样品，波长转换器件B 2.2采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生1415nm激光，非线性太赫兹变换器件B 5中的非线性晶体采用DAST晶体，单光子探测或成像器件6采用InGaAs单光子探测器；
532nm固体激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量10mJ，双晶体光参量振荡谐振腔通过不同角度切割的KTP晶体分别产生1415nm和1445nm激光，单脉冲能量为1uJ，两种波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A 3中，并在其内的DAST晶体通过单程差频获得单脉冲能量小于100pJ的4.3THz的太赫兹波，并照射在写有字迹的纸片样品上，太赫兹波携带样品信息的方式为透射方式，成像后太赫兹波单像素能量接近于单光子量级；532nm固体激光器中产生的激光剩余部分进入另一路进入波长转换器件B 2.2，采用KTP晶体振荡谐振产生1415nm激光，作为非线性太赫兹变换器件B 5的光源与样品中透射的单光子量太赫兹波入射到非线性太赫兹变换器件B 5，并在其内的DAST晶体中通过非线性单程差频，将太赫兹信号转换成1445nm激光，转换后的激光保留了太赫兹波的空间信息，并传导至InGaAs单光子探测器上。单光子探测或成像器件6使用InGaAs单光子探测器，具有近红外波段的单光子探测能力，通过对样品进行逐点扫描，可以实现单光子级样品的太赫兹信息成像。
实施例9：
一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，结构如实施例1所示，所不同的是，激光光源1采用1064nm固体YAG激光器，波长转换器件A 2.1采用光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为KTP晶体，将1064nm激光倍频为532nm激光，再经KTP晶体产生1072nm激光，非线性太赫兹变换器件A 3的光学非线性频率变换方式采用种子光注入参量产生的方式，非线性太赫兹变换器件A 3中的非线性晶体采用LN晶体，样品4为生物组织切片样品，非线性太赫兹变换器件B 5中的非线性晶体采用LN晶体，单光子探测或成像器件6采用Si单光子探测器；
1064nm固体YAG激光器，重复频率为100Hz，脉冲宽度6ns，单脉冲能量20mJ，波长转换器件A 2.1采用光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为KTP晶体，将1064nm激光倍频为532nm激光，再经KTP晶体产生1072nm激光，单脉冲能量为0.1mJ，1064nm和1072nm波长的激光传输至非线性太赫兹变换器件A 3中，近红外光到太赫兹波的非线性变换采用种子光注入参量产生的方式，非线性太赫兹变换器件A 3中的非线性晶体采用LN晶体，两种波长的激光以1.5°夹角入射到LN晶体内，并靠近一个侧面，LN晶体侧面采用Si棱柱对产生的太赫兹波进行耦合，出射2.1THz的太赫兹波，出射的太赫兹波照射在生物组织切片样品上，采用反射模式来获得样品的太赫兹波信息；1064nm固体YAG激光器中产生的激光剩余部分直接作为非线性太赫兹变换器件B 5的光源(本实施例不采用波长变换器B)，即该激光与样品中透射的单光子量太赫兹波一起经光学系统入射到非线性太赫兹变换器件B 5，并在其内的LN晶体中采用种子光注入参量变换，将太赫兹信号转换成1072nm激光，并传导至Si单光子探测器上。单光子探测或成像器件6使用Si单光子探测器，具有近红外波段的单光子探测能力，通过对样品进行逐点扫描，可以实现单光子级样品的太赫兹信息成像。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，包括激光光源、波长转换器件A、波长转换器件B、非线性太赫兹变换器件A、非线性太赫兹变换器件B、样品以及单光子探测或成像器件；
激光光源作为整个系统的能量供应，对于成像应用激光脉冲频率不低于25Hz，用来产生具有相干特性的太赫兹波及频率变换用激光，激光光源通过波长转换器件A产生两个新的波长的激光，并在非线性太赫兹变换器件A内产生具有相干特性的太赫兹波，该太赫兹波在样品散射、吸收、空间传输损耗因素作用下信号能量衰减至单光子量级，即太赫兹波单光子信号，激光光源通过波长转换器件B产生一个单一波长的近红外激光，并与太赫兹波单光子信号在非线性太赫兹变换器件B内产生频率上转换信号，频率上转换信号在单光子探测或成像器件内被转换为电子信号，实现太赫兹波的单光子探测和成像。
2.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，所述单光子探测或成像器件具有单光子探测能力，包括但不限于Si基单光子探测器、InGaAs基单光子探测器、Si基单光子探测器阵列、InGaAs基单光子探测器阵列、电子倍增电荷耦合器件和增强电荷耦合器件。
3.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，所述激光光源包括但不限于单一波长激光器、双波长激光器。
4.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，所述波长转换器件A和波长转换器件B的光学非线性频率变换方式包括但不限于光学参量变换、差频、和频和拉曼变换。
5.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，激光光源采用1.34微米波长的纳秒脉冲的Nd:YVO4激光器，波长转换器件A采用内腔拉曼变换方式将激光光源的波长转换为1.52微米，拉曼变换晶体采用不掺杂的YVO4，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为写有文字的纸片样品，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体也采用DAST晶体，单光子探测或成像器件采用32×32InGaAs单光子探测器阵列。
6.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生910nm和943nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用BNA晶体，样品为树叶叶片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体也采用BNA晶体，单光子探测或成像器件采用sCMOS相机。
7.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1313nm和1415nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为掺杂有Si离子的GaAs半导体片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生910nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用BNA晶体，单光子探测或成像器件采用EMCCD相机。
8.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，激光光源采用532nm固体激光器，波长转换器件A采用双晶体光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为不同角度切割的KTP晶体，分别产生1415nm和1445nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用单程差频的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用DAST晶体，样品为写有字迹的纸片样品，波长转换器件B采用单晶体KTP光参量振荡谐振腔，用于产生1415nm激光，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用DAST晶体，单光子探测或成像器件采用InGaAs单光子探测器。
9.根据权利要求1所述的基于频率转换的太赫兹波单光子探测与成像系统，其特征在于，激光光源采用1064nm固体YAG激光器，波长转换器件A采用光参量振荡谐振腔，参量变换晶体为KTP晶体，将1064nm激光倍频为532nm激光，再经KTP晶体产生1072nm激光，非线性太赫兹变换器件A的光学非线性频率变换方式采用种子光注入参量产生的方式，非线性太赫兹变换器件A中的非线性晶体采用LN晶体，样品为生物组织切片样品，非线性太赫兹变换器件B中的非线性晶体采用LN晶体，单光子探测或成像器件采用Si单光子探测器。
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| CN112629657A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-04-09 | 济南量子技术研究院 | 基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法 |
| CN112629657B (zh) * | 2020-12-14 | 2023-04-11 | 济南量子技术研究院 | 基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法 |
| CN112697275A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-23 | 华北电力大学 | 一种基于iccd矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法 |
| CN112697275B (zh) * | 2021-01-05 | 2023-09-01 | 华北电力大学 | 一种基于iccd矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法 |
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