CN112540416A - 一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统，方法包括：获取太赫兹波和斯托克斯光；对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；根据所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光产生上转换信号；根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。本发明采用太赫兹参量产生器中产生的斯托克斯光作为太赫兹脉冲上转换探测系统的泵浦光，泵浦脉冲和太赫兹脉冲时域重合度更好，抑制了太赫兹脉冲上转换产生的噪声。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹脉冲上转换探测技术领域，特别是涉及一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统。
背景技术
is-TPG(种子注入式太赫兹参量产生器)是一种高峰值功率、窄线宽、宽带可调谐的太赫兹源，其使用LiNbO3(铌酸锂)晶体能在0.7-3THz频率范围内产生线宽5GHz左右，峰值功率十千瓦级的太赫兹脉冲，并且具有小型化、室温工作、操作简单等优势，是一种非常具有实用化潜力的太赫兹源。根据is-TPG的特点，上转换探测是探测is-TPG产生太赫兹脉冲的最灵敏探测技术。上转换探测过程中，太赫兹能量是被放大的，同时产生的上转换信号单光子能量比太赫兹高上百倍，且频率在探测技术非常成熟的近红外波段，非常易于探测。因此该技术非常适合微弱太赫兹信号的探测。
目前应用上转换探测技术已可探测最小至aJ量级的太赫兹能量，动态范围高达90-100dB。但上转换探测系统依然存在以下问题：由泵浦光自发下转换产生的宽带斯托克斯信号难以去除，使上转换系统探测噪声较大；系统响应线性度差，太赫兹脉冲能量90dB左右的变化引起上转换信号能量变化仅为30dB左右，探测的准确度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统，以抑制太赫兹脉冲上转换产生的噪声。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太赫兹脉冲上转换探测系统，包括：
太赫兹参量产生器，用于输出太赫兹波和斯托克斯光；
太赫兹整形模块，设置在所述太赫兹波的出射路径上，用于对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；
斯托克斯光调节模块，设置在所述斯托克斯光的出射路径上，用于对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；
第一晶体，设置在所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光的传播路径上，用于接收所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光，并使所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光作用产生上转换信号；
探测器，设置在所述上转换信号的出射路径上，用于接收所述上转换信号，并根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。
可选地，所述太赫兹参量产生器包括：
种子光光源，用于发出种子光；
泵浦光源，用于发出泵浦光；
第二晶体，设置在所述种子光光源和所述泵浦光源的出射路径上，用于接收所述种子光和所述泵浦光，使所述种子光和所述泵浦光发生非线性作用产生太赫兹波和斯托克斯光，并输出所述斯托克斯光；
棱镜，设置在所述第二晶体上，用于耦合输出所述太赫兹波。
可选地，所述太赫兹参量产生器还包括：设置在所述种子光光源出射路径上的第一反射镜和第二反射镜，以及第一平移台；
所述第一反射镜和所述第二反射镜用于反射所述种子光；
所述第二反射镜设置在所述第一平移台中，通过移动所述第一平移台，使所述种子光的反射光与所述泵浦光在所述第二晶体表面重合并以预设夹角入射所述第二晶体。
可选地，所述种子光的波长调谐范围为1066～1074nm，工作方式为连续，功率为0.5W；所述泵浦光的波长为1064nm，重复频率为100Hz，单脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为400ps，光斑形状为高斯型，光斑半高宽2mm。
可选地，所述第二晶体为长方体非线性晶体，长8mm，宽4mm，高60mm。
可选地，所述太赫兹整形模块包括：依次设置在所述太赫兹波出射路径上的太赫兹柱透镜、第一太赫兹球面透镜、第三反射镜、第四反射镜和第二太赫兹波球面透镜；
所述太赫兹柱透镜和所述第一太赫兹球面透镜用于透射所述太赫兹波，得到太赫兹波透射光；
所述第三反射镜和所述第四反射镜用于反射所述太赫兹波透射光，得到太赫兹波反射光；
所述第二太赫兹波球面透镜用于透射所述太赫兹波反射光，得到整形后的太赫兹波。
可选地，所述斯托克斯光调节模块包括：依次设置在所述斯托克斯光出射路径上的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜，以及第二平移台；
所述第五反射镜、所述第六反射镜、所述第七反射镜、所述第八反射镜和所述第九反射镜用于反射所述斯托克斯光；
所述第六反射镜和所述第七反射镜设置在所述第二平移台中，通过移动所述第二平移台，使所述第六反射镜和所述第七反射镜对所述斯托克斯光的反射时间进行调节。
可选地，所述第一晶体为梯形非线性晶体，形状为四棱柱，所述四棱柱的截面有一个为等腰梯形。
可选地，所述探测器为近红外光谱仪。
一种太赫兹脉冲上转换探测方法，包括：
获取太赫兹波和斯托克斯光；
对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；
对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；
根据所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光产生上转换信号；
根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统，系统包括：太赫兹参量产生器，用于输出太赫兹波和斯托克斯光；太赫兹整形模块，设置在所述太赫兹波的出射路径上，用于对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；斯托克斯光调节模块，设置在所述斯托克斯光的出射路径上，用于对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；第一晶体，设置在所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光的传播路径上，用于接收所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光，并使所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光作用产生上转换信号；探测器，设置在所述上转换信号的出射路径上，用于接收所述上转换信号，并根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。本发明采用太赫兹参量产生器中产生的斯托克斯光作为太赫兹脉冲上转换探测系统的泵浦光，泵浦脉冲和太赫兹脉冲时域重合度更好，抑制了太赫兹脉冲上转换产生的噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的太赫兹脉冲上转换探测系统的结构图；
图2为本发明实施例1提供的时域脉冲对比示意图；图2(a)为现有技术中上转换探测系统的时域脉冲示意图；图2(b)为本发明中上转换探测系统的时域脉冲示意图；
图3为本发明实施例1提供的信号传播路径对比示意图；图3(a)为现有技术中信号在晶体中传播路径示意图；图3(b)为本发明中信号在第一晶体中传播路径示意图。
符号说明：1-泵浦光源，2-种子光光源，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第一平移台，6-第二晶体，7-棱镜，8-第一光阑，9-第五反射镜，10-第六反射镜，11-第七反射镜，12-第二平移台，13-第八反射镜，14-第九反射镜，15-太赫兹柱透镜，16-第一太赫兹球面透镜，17-第三反射镜，18-第四反射镜，19-第二太赫兹波球面透镜，20-第一晶体，21-第二光阑，22-探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种太赫兹脉冲上转换探测方法及系统，以抑制太赫兹脉冲上转换产生的噪声。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例1提供的太赫兹脉冲上转换探测系统的结构图，如图1所示，太赫兹脉冲上转换探测系统包括：
太赫兹参量产生器，用于输出太赫兹波和斯托克斯光。
太赫兹整形模块，设置在太赫兹波的出射路径上，用于对太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波。
斯托克斯光调节模块，设置在斯托克斯光的出射路径上，用于对斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光。
第一晶体20，设置在整形后的太赫兹波和调节后的斯托克斯光的传播路径上，用于接收整形后的太赫兹波和调节后的斯托克斯光，并使整形后的太赫兹波和调节后的斯托克斯光作用产生上转换信号。具体地，第一晶体20为梯形非线性晶体，形状为四棱柱，四棱柱的截面有一个为等腰梯形。材质为MgO:LiNbO3。
探测器22，设置在上转换信号的出射路径上，用于接收上转换信号，并根据上转换信号探测太赫兹脉冲。具体地，探测器22为近红外光谱仪。
在本实施例中，太赫兹参量产生器包括：
种子光光源2，用于发出种子光。其中，种子光的波长调谐范围为1066～1074nm，工作方式为连续，功率为0.5W。
泵浦光源1，用于发出泵浦光。其中，泵浦光的波长为1064nm，重复频率为100Hz，单脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为400ps，光斑形状为高斯型，光斑半高宽2mm。
第二晶体6，设置在种子光光源2和泵浦光源1的出射路径上，用于接收种子光和泵浦光，使种子光和泵浦光发生非线性作用产生太赫兹波和斯托克斯光，并输出斯托克斯光。其中，第二晶体6为长方体非线性晶体，长8mm，宽4mm，高60mm，材质为MgO:LiNbO3。
棱镜7，设置在第二晶体6上，用于耦合输出太赫兹波。其中棱镜7为高阻硅棱镜。
进一步地，太赫兹参量产生器还包括：设置在种子光光源2出射路径上的第一反射镜3和第二反射镜4，以及第一平移台5。第一反射镜3和第二反射镜4用于反射种子光，第二反射镜4设置在第一平移台5中，通过移动第一平移台5，使种子光的反射光与泵浦光在第二晶体6表面重合并以预设夹角入射第二晶体6。其中，第一反射镜3和第二反射镜4为镀金反射镜。
在本实施例中，太赫兹整形模块包括：依次设置在太赫兹波出射路径上的太赫兹柱透镜15、第一太赫兹球面透镜16、第三反射镜17、第四反射镜18和第二太赫兹波球面透镜19。太赫兹柱透镜15和第一太赫兹球面透镜16用于透射太赫兹波，得到太赫兹波透射光。第三反射镜17和第四反射镜18用于反射太赫兹波透射光，得到太赫兹波反射光。第二太赫兹波球面透镜19用于透射太赫兹波反射光，得到整形后的太赫兹波。
在本实施例中，斯托克斯光调节模块包括：依次设置在斯托克斯光出射路径上的第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜13和第九反射镜14，以及第二平移台12。第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜13和第九反射镜14用于反射斯托克斯光。第六反射镜10和第七反射镜11设置在第二平移台12中，通过移动第二平移台12，使第六反射镜10和第七反射镜11对斯托克斯光的反射时间进行调节。其中，第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜13和第九反射镜14为镀介质膜的反射镜。本实施例中的平移台12可调节上转换探测系统中泵浦脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟，提高两脉冲的时域重合程度。
以下对本发明的原理进行说明：
如图1所示，泵浦光源1发出泵浦光入射第二晶体6，种子光光源2发出种子光通过第一反射镜3、第二反射镜4后与泵浦光成预设夹角在第二晶体6表面重合并入射第二晶体6，其中预设夹角满足非线性相位匹配条件。泵浦光和种子光在第二晶体6内会发生非线性作用产生太赫兹波和斯托克斯光。
太赫兹波通过设置在第二晶体6下方的棱镜7耦合输出，再依次通过太赫兹柱透镜15、第一太赫兹球面透镜16、第三反射镜17、第四反射镜18和第二太赫兹波球面透镜19入射第一晶体20。
第一光阑8将斯托克斯光和泵浦光分离。分离出来的斯托克斯光依次通过第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜13和第九反射镜14入射第一晶体20。
太赫兹波和斯托克斯光在第一晶体20内相互作用产生上转换信号，第二光阑21将上转换信号和斯托克斯光的反射光分离。通过探测器22探测上转换信号即可探测太赫兹脉冲。
图2为本发明实施例1提供的时域脉冲对比示意图。其中图2(a)为现有技术中上转换探测系统的时域脉冲示意图，如图2(a)所示，现有技术中泵浦脉冲的时域宽度远大于待测太赫兹脉冲，泵浦脉冲中与太赫兹脉冲时域不重合部分由于自发下转换产生宽带斯托克斯信号，是探测噪声的主要来源。图2(b)为本发明中上转换探测系统的时域脉冲示意图，如图2(b)所示，本发明中采用is-TPG系统(即太赫兹参量产生器)中产生的斯托克斯光作为泵浦脉冲，和待测太赫兹脉冲时域宽度相近，可抑制泵浦脉冲中与太赫兹脉冲时域不重合部分自发下转换引起的探测噪声，能提高探测准确性。
图3为本发明实施例1提供的信号传播路径对比示意图。其中图3(a)为现有技术中信号在晶体中传播路径示意图，如图3(a)所示，太赫兹波由硅棱镜导入。非线性作用发生在长方体非线性晶体表面附近，其表面对太赫兹波及上转换信号的多次反射使该物理过程相对复杂，降低了系统响应的线性程度。图3(b)为本发明中信号在第一晶体中传播路径示意图。如图3(b)所示。本发明中第一晶体20为梯形非线性晶体，形状为四棱柱，四棱柱的截面有一个为等腰梯形。上转换发生在第一晶体20内部，物理过程相对简单，提高了系统响应的线性程度。
实施例2
本实施例提供了一种太赫兹脉冲上转换探测方法，包括：
步骤S1：获取太赫兹波和斯托克斯光。
步骤S2：对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波。
步骤S3：对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光。
步骤S4：根据所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光产生上转换信号。
步骤S5：根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。
本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)采用太赫兹参量产生器中产生的斯托克斯光作为太赫兹脉冲上转换探测系统的泵浦光(指整个转换系统的泵浦光，并非太赫兹参量产生器泵浦光源发出的泵浦光)，泵浦脉冲和太赫兹脉冲时域重合度更好，抑制了太赫兹脉冲上转换产生的噪声。
(2)本发明中采用截面为等腰梯形的四棱柱作为上转换探测系统的非线性晶体，非线性过程发生于晶体内部，过程更加简单，提高了统响应的线性程度。
(3)本发明采用光谱仪作为上转换探测系统的探测器，降低了自发下转换产生的宽带信号对探测结果的影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，包括：
太赫兹参量产生器，用于输出太赫兹波和斯托克斯光；
太赫兹整形模块，设置在所述太赫兹波的出射路径上，用于对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；
斯托克斯光调节模块，设置在所述斯托克斯光的出射路径上，用于对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；
第一晶体，设置在所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光的传播路径上，用于接收所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光，并使所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光作用产生上转换信号；
探测器，设置在所述上转换信号的出射路径上，用于接收所述上转换信号，并根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。
2.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述太赫兹参量产生器包括：
种子光光源，用于发出种子光；
泵浦光源，用于发出泵浦光；
第二晶体，设置在所述种子光光源和所述泵浦光源的出射路径上，用于接收所述种子光和所述泵浦光，使所述种子光和所述泵浦光发生非线性作用产生太赫兹波和斯托克斯光，并输出所述斯托克斯光；
棱镜，设置在所述第二晶体上，用于耦合输出所述太赫兹波。
3.根据权利要求2所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述太赫兹参量产生器还包括：设置在所述种子光光源出射路径上的第一反射镜和第二反射镜，以及第一平移台；
所述第一反射镜和所述第二反射镜用于反射所述种子光；
所述第二反射镜设置在所述第一平移台中，通过移动所述第一平移台，使所述种子光的反射光与所述泵浦光在所述第二晶体表面重合并以预设夹角入射所述第二晶体。
4.根据权利要求2所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述种子光的波长调谐范围为1066～1074nm，工作方式为连续，功率为0.5W；所述泵浦光的波长为1064nm，重复频率为100Hz，单脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为400ps，光斑形状为高斯型，光斑半高宽2mm。
5.根据权利要求2所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述第二晶体为长方体非线性晶体，长8mm，宽4mm，高60mm。
6.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述太赫兹整形模块包括：依次设置在所述太赫兹波出射路径上的太赫兹柱透镜、第一太赫兹球面透镜、第三反射镜、第四反射镜和第二太赫兹波球面透镜；
所述太赫兹柱透镜和所述第一太赫兹球面透镜用于透射所述太赫兹波，得到太赫兹波透射光；
所述第三反射镜和所述第四反射镜用于反射所述太赫兹波透射光，得到太赫兹波反射光；
所述第二太赫兹波球面透镜用于透射所述太赫兹波反射光，得到整形后的太赫兹波。
7.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述斯托克斯光调节模块包括：依次设置在所述斯托克斯光出射路径上的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜，以及第二平移台；
所述第五反射镜、所述第六反射镜、所述第七反射镜、所述第八反射镜和所述第九反射镜用于反射所述斯托克斯光；
所述第六反射镜和所述第七反射镜设置在所述第二平移台中，通过移动所述第二平移台，使所述第六反射镜和所述第七反射镜对所述斯托克斯光的反射时间进行调节。
8.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述第一晶体为梯形非线性晶体，形状为四棱柱，所述四棱柱的截面有一个为等腰梯形。
9.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲上转换探测系统，其特征在于，所述探测器为近红外光谱仪。
10.一种太赫兹脉冲上转换探测方法，其特征在于，包括：
获取太赫兹波和斯托克斯光；
对所述太赫兹波进行整形，得到整形后的太赫兹波；
对所述斯托克斯光进行调节，得到调节后的斯托克斯光；
根据所述整形后的太赫兹波和所述调节后的斯托克斯光产生上转换信号；
根据所述上转换信号探测太赫兹脉冲。
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