CN112697275A - 一种基于iccd矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，所述平台包含太赫兹激励发生单元及太赫兹激励时域波形探测还原单元，其中：太赫兹激励发生单元主要由飞秒脉冲激光源、光学镜组、改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜、高阻硅片、电光采样传感器构成，用于实现太赫兹脉冲的产生；太赫兹激励时域波形探测还原单元主要由飞秒激光脉冲源、光学斩波器、光学镜组、线性电动平移台、光学延迟线、ICCD矩阵、GPIB‑USB采集卡、锁相放大器以及计算机构成，用于实现太赫兹时域波形的探测以及反演还原。ICCD矩阵的引入在保证测量精度及稳定性的基础之上，可实现对太赫兹时域波形的高效、快速实时测量，而且具有较大的延伸创造空间，为太赫兹波在更多领域的应用提供了可能。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹时域波形测量领域，具体是一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法。
背景技术
由于THz电磁波具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性以及安全性等多种特性，其在物体成像、时域谱分析、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用场景，如何提高THz波产生及探测效率一直是一个亟需解决的问题。
目前，现有的太赫兹时域波形测量平台大都基于电光采样技术，采用平衡探测器对探测激光状态变化进行测量以实现太赫兹时域波形的还原，但是，由于现有技术手段的限制，其探测效率一直处于较低水平。ICCD矩阵的引入在保证测量精度及稳定性的基础之上，可实现对太赫兹时域波形的高效、快速实时测量，而且具有较大的延伸创造空间，为太赫兹波在更多领域的应用提供了可能。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题与缺陷，本发明的目的是提供一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台的构建及测量方法，基于ICCD矩阵对光状态变化捕捉的高灵敏度优势，以电光采样技术完成了对太赫兹时域波形的测量与处理，同时，双飞秒脉冲激光源的应用以及泵浦光路与探测光路的分离设计，减少了由于脉冲激光源不稳定波动所带来的误差，提高了太赫兹脉冲时域波形的测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，如图1所示，包含太赫兹波激励发生单元与太赫兹激励时域波形探测还原单元，其中：
所述太赫兹波激励发生单元由第一飞秒脉冲激光源（1）、第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）、第一凸透镜（4）、改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）、离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）、第二凸透镜（8）以及电光采样传感器（9）构成；
所述太赫兹激励时域波形探测还原单元由第二飞秒脉冲激光源（10）、光学斩波器（11）、起偏器（12）、线性电动平移台（13）、第三平面反射镜（14）、光学延迟线（15）、第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）、第六平面反射镜（18）、第七平面反射镜（19）、四分之一波片（20）、沃拉斯顿棱镜（21）、ICCD矩阵（22）、GPIB-USB采集卡（23）、锁相放大器（24）及计算机（25）构成；
所述第一飞秒脉冲激光源（1）所发出的飞秒脉冲激光作为泵浦光首先经过第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）的反射以及第一凸透镜（4）会聚后照射至改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5），在改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）内部发生差频震荡形成低频极化电场，向外辐射太赫兹脉冲，随后，太赫兹脉冲经过离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）及第二凸透镜（8）准直聚焦过滤后照射至电光采样传感器（9），在太赫兹脉冲的作用下，电光采样传感器（9）发生Pockels效应，光学特性发生改变；
所述第二飞秒脉冲激光源（10）所发出的飞秒脉冲激光作为探测光首先照射进入光学斩波器（11），光学斩波器（11）获取探测激光信息后作为参考信号输入锁相放大器（24）；随后，探测光经起偏器（12）起偏、线性电动平移台（13）相位延迟处理、第三平面反射镜（14）反射后进入光学延迟线（15），再经第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）及第六平面反射镜（18）反射后照射至电光采样传感器（9），电光采样传感器（9）在太赫兹脉冲的作用下光学特性发生改变，探测光通过时偏振状态也随之发生改变，经由第七平面反射镜（19）反射至四分之一波片（20），探测光由线偏振状态转换为椭圆偏振状态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光s光与p光透射到ICCD矩阵（22），ICCD矩阵（22）对偏振光光强变化进行捕捉，随后通过GPIB-USB采集卡（23）将所捕捉动态信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24）与光学斩波器（11）所输入参考信号比较，由计算机（25）反演处理后得出太赫兹脉冲时域波形。
所述改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）材料为基于Al2O3纳米掺杂的含苯硫醚基团改性聚酰亚胺，其具体制作方法如下：
步骤一、在流通氮气环境下，将4,4-二氨基二苯醚单体与Al2O3纳米颗粒加入二甲基乙酰胺溶液中，并在水浴中进行超声震荡与机械搅拌1小时后转入油浴；
步骤二、按比例分次将均苯四甲酸二酐成单体溶入二甲基乙酰胺溶液中，在室温搅拌30分钟后升温至40度继续搅拌12小时，待反应物全部溶解后，多次使用滤纸过滤，充分去除未溶解的固体材料，得到改性聚酰亚胺酸溶液；
步骤三、将改性聚酰亚胺酸溶液置于单口烧瓶，使用循环水式多用真空泵对所得改性聚酰亚胺酸溶液进行除气处理，待聚酰亚胺酸溶液中无气泡产生后将其密封保存；
步骤四、将聚酰亚胺酸溶液倒置于洁净玻璃表面，使用自动涂膜机在洁净玻璃表面的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液；
步骤五、将涂抹改性聚酰亚胺酸溶液的洁净玻璃转移至可进行梯度升温的高温干燥反应箱内，首先由室温升温至60度保持2小时，随后逐步升温至150度、200度以及250度各保持1小时，最后升温至300度以及400度各保持0.5小时，待自然降温至室温后取出便可获得改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜。
所述电光采样传感器（9）双层复合结构，自上而下由高阻泵浦激光阻隔片（9-1）以及改性聚酰亚胺薄膜（9-2）构成，其具体制作方法如下：
步骤一、在流通氮气环境下，将4,4-二氨基二苯醚单体、Al2O3纳米颗粒以及均苯四甲酸二酐成单体按比例分次加入二甲基乙酰胺溶液中充分搅拌，待反应完全后，使用滤纸多次过滤去除未溶解固体，并进行除气处理，得到改性聚酰亚胺酸溶液并于氮气环境保存；
步骤二、利用自动旋涂机在高阻泵浦激光阻隔片的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液，采取梯度升温加热固化的方法，制成电光采样传感器（9）。
一种利用上述平台进行的基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量方法，包括如下步骤：
步骤一、以第一飞秒激光脉冲源（1）以及第二飞秒脉冲激光源（10）激光出射高度为标准高度，使用一系列等高小孔光阑，调节平面反射镜反射角度及俯仰角，保证激光脉冲在传播及反射过程中处于同一高度且与光学平台边线处于平行状态；
步骤二、移动调节离轴抛物面反射镜组（6）中第一离轴抛物面反射镜的二维镜架位置至使激光出射光斑正圆且远近等大，移动第二离轴抛物面反射镜至激光会聚焦点处，微调其二维镜架，保证反射光斑正圆不发生扭曲且水平；
步骤三、启动第一飞秒激光脉冲源（1）及第二飞秒激光脉冲源（10），测量开始；
步骤四、光学斩波器（11）提取探测光信息并将其转换为电信号作为参考信号输入锁相放大器（24），GPIB-USB采集卡（23）将ICCD矩阵（22）所捕捉的探测光偏振状态变化信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24），对比获得太赫兹激励特征信息；
步骤五、计算机（25）对所获得太赫兹时域波形信息处理，通过反演算法获得太赫兹时域波形。
在保证测量精度及稳定性的基础之上，本测量平台及方法可实现对太赫兹时域波形的高效、快速实时测量，而且具有较大的延伸创造空间，为太赫兹波在更多领域的应用提供了可能。
附图说明
图1为本发明一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法的工作原理图，其中：
1-第一飞秒激光脉冲源；2-第一平面反射镜；3-二平面反射镜；4-第一凸透镜；5-改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜；6-离轴抛物面反射镜组；7-高阻硅片；8-第二凸透镜；9-电光采样传感器；10-第二飞秒脉冲激光源；11-光学斩波器；12-起偏器；13-线性电动平移台；14-第三平面反射镜；15-光学延迟线；16-第四平面反射镜；17-第五平面反射镜；18-第六平面反射镜；19-第七平面反射镜；20-四分之一波片；21-沃拉斯顿棱镜；22- ICCD矩阵；23-GPIB-USB采集卡；24-锁相放大器；25-计算机。
图2为电光采样传感器的结构示意图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于所说明部分，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，如图1所示，包含太赫兹波激励发生单元与太赫兹激励时域波形探测还原单元，其中：
所述太赫兹波激励发生单元由第一飞秒脉冲激光源（1）、第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）、第一凸透镜（4）、改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）、离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）、第二凸透镜（8）以及电光采样传感器（9）构成；
所述太赫兹激励时域波形探测还原单元由第二飞秒脉冲激光源（10）、光学斩波器（11）、起偏器（12）、线性电动平移台（13）、第三平面反射镜（14）、光学延迟线（15）、第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）、第六平面反射镜（18）、第七平面反射镜（19）、四分之一波片（20）、沃拉斯顿棱镜（21）、ICCD矩阵（22）、GPIB-USB采集卡（23）、锁相放大器（24）及计算机（25）构成；
所述第一飞秒脉冲激光源（1）所发出的飞秒脉冲激光作为泵浦光首先经过第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）的反射以及第一凸透镜（4）会聚后照射至改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5），在改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）内部发生差频震荡形成低频极化电场，向外辐射太赫兹脉冲，随后，太赫兹脉冲经过离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）及第二凸透镜（8）准直聚焦过滤后照射至电光采样传感器（9），在太赫兹脉冲的作用下，电光采样传感器（9）发生Pockels效应，光学特性发生改变；
所述第二飞秒脉冲激光源（10）所发出的飞秒脉冲激光作为探测光首先照射进入光学斩波器（11），光学斩波器（11）获取探测激光信息后作为参考信号输入锁相放大器（24）；随后，探测光经起偏器（12）起偏、线性电动平移台（13）相位延迟处理、第三平面反射镜（14）反射后进入光学延迟线（15），再经第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）及第六平面反射镜（18）反射后照射至电光采样传感器（9），电光采样传感器（9）在太赫兹脉冲的作用下光学特性发生改变，探测光通过时偏振状态也随之发生改变，经由第七平面反射镜（19）反射至四分之一波片（20），探测光由线偏振状态转换为椭圆偏振状态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光s光与p光透射到ICCD矩阵（22），ICCD矩阵（22）对偏振光光强变化进行捕捉，随后通过GPIB-USB采集卡（23）将所捕捉动态信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24）与光学斩波器（11）所输入参考信号比较，由计算机（25）反演处理后得出太赫兹脉冲时域波形。
所述改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（6）材料为基于Al2O3纳米掺杂的含苯硫醚基团改性聚酰亚胺，其具体制作方法如下：
步骤一、在流通氮气环境下，将4,4-二氨基二苯醚单体与Al2O3纳米颗粒加入二甲基乙酰胺溶液中，并在水浴中进行超声震荡与机械搅拌1小时后转入油浴；
步骤二、按比例分次将均苯四甲酸二酐成单体溶入二甲基乙酰胺溶液中，在室温搅拌30分钟后升温至40度继续搅拌12小时，待反应物全部溶解后，多次使用滤纸过滤，充分去除未溶解的固体材料，得到改性聚酰亚胺酸溶液；
步骤三、将改性聚酰亚胺酸溶液置于单口烧瓶，使用循环水式多用真空泵对所得改性聚酰亚胺酸溶液进行除气处理，待聚酰亚胺酸溶液中无气泡产生后将其密封保存；
步骤四、将聚酰亚胺酸溶液倒置于洁净玻璃表面，使用自动涂膜机在洁净玻璃表面的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液；
步骤五、将涂抹改性聚酰亚胺酸溶液的洁净玻璃转移至可进行梯度升温的高温干燥反应箱内，首先由室温升温至60度保持2小时，随后逐步升温至150度、200度以及250度各保持1小时，最后升温至300度以及400度各保持0.5小时，待自然降温至室温后取出便可获得改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜。
所述电光采样传感器（9）双层复合结构，自上而下由高阻泵浦激光阻隔片（9-1）以及改性聚酰亚胺薄膜（9-2）构成，其具体制作方法如下：
步骤一、在流通氮气环境下，将4,4-二氨基二苯醚单体、Al2O3纳米颗粒以及均苯四甲酸二酐成单体按比例分次加入二甲基乙酰胺溶液中充分搅拌，待反应完全后，使用滤纸多次过滤去除未溶解固体，并进行除气处理，得到改性聚酰亚胺酸溶液并于氮气环境保存；
步骤二、利用自动旋涂机在高阻泵浦激光阻隔片的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液，采取梯度升温加热固化的方法，制成电光采样传感器（9）。
本平台所提供的平台具体操作步骤如下：
步骤一、以第一飞秒激光脉冲源（1）以及第二飞秒脉冲激光源（10）激光出射高度为标准高度，使用一系列等高小孔光阑，调节平面反射镜反射角度及俯仰角，保证激光脉冲在传播及反射过程中处于同一高度且与光学平台边线处于平行状态；
步骤二、移动调节离轴抛物面反射镜组（6）中第一离轴抛物面反射镜的二维镜架位置至使激光出射光斑正圆且远近等大，移动第二离轴抛物面反射镜至激光会聚焦点处，微调其二维镜架，保证反射光斑正圆不发生扭曲且水平；
步骤三、启动第一飞秒激光脉冲源（1）及第二飞秒激光脉冲源（10），测量开始；
步骤四、光学斩波器（11）提取探测光信息并将其转换为电信号作为参考信号输入锁相放大器（24），GPIB-USB采集卡（23）将ICCD矩阵（22）所捕捉的探测光偏振状态变化信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24），对比获得太赫兹激励特征信息；
步骤五、计算机（25）对所获得太赫兹时域波形信息处理，通过反演算法获得太赫兹时域波形。
通过对所述太赫兹时域波形测量平台及方法的综合分析，发现本方法在保证测量精度及稳定性的基础之上，可实现对太赫兹时域波形的高效、快速实时测量，而且具有较大的延伸创造空间，为太赫兹波在更多领域的应用提供了可能。
Claims (8)
1.一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所述平台包括太赫兹波激励发生单元与太赫兹激励时域波形探测还原单元，其中：
所述太赫兹波激励发生单元由第一飞秒脉冲激光源（1）、第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）、第一凸透镜（4）、改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）、离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）、第二凸透镜（8）以及电光采样传感器（9）构成；
所述太赫兹激励时域波形探测还原单元由第二飞秒脉冲激光源（10）、光学斩波器（11）、起偏器（12）、线性电动平移台（13）、第三平面反射镜（14）、光学延迟线（15）、第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）、第六平面反射镜（18）、第七平面反射镜（19）、四分之一波片（20）、沃拉斯顿棱镜（21）、ICCD矩阵（22）、GPIB-USB采集卡（23）、锁相放大器（24）及计算机（25）构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于双飞秒脉冲激光源的应用以及泵浦光路与探测光路的分离设计：
所述第一飞秒脉冲激光源（1）所发出的飞秒脉冲激光作为泵浦光首先经过第一平面反射镜（2）、第二平面反射镜（3）反射以及第一凸透镜（4）会聚后照射至改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5），在改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）内部发生差频震荡形成低频极化电场，向外辐射太赫兹脉冲，随后，太赫兹脉冲经过离轴抛物面反射镜组（6）、高阻硅片（7）及第二凸透镜（8）准直过滤聚焦后照射至电光采样传感器（9），在太赫兹脉冲的作用下，电光采样传感器（9）发生Pockels效应，光学特性发生改变；
所述第二飞秒脉冲激光源（10）所发出的飞秒脉冲激光作为探测光首先照射进入光学斩波器（11），光学斩波器（11）获取探测激光信息后作为参考信号输入锁相放大器（24）；随后，探测光经起偏器（12）起偏、线性电动平移台（13）相位延迟处理、第三平面反射镜（14）反射后进入光学延迟线（15），再经第四平面反射镜（16）、第五平面反射镜（17）及第六平面反射镜（18）反射后照射至电光采样传感器（9），电光采样传感器（9）在太赫兹脉冲的作用下光学特性发生改变，探测光通过时偏振状态也随之发生改变，经由第七平面反射镜（19）反射至四分之一波片（20），探测光由线偏振状态转换为椭圆偏振状态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光s光与p光透射到ICCD矩阵（22），ICCD矩阵（22）对偏振光光强变化进行捕捉，随后通过GPIB-USB采集卡（23）将所捕捉动态信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24）与光学斩波器（11）所输入参考信号比较，由计算机（25）反演处理后得到太赫兹脉冲时域波形。
3.根据权利要求1所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所用改性聚酰亚胺电光聚合物薄膜（5）材料为基于Al2O3纳米掺杂的含苯硫醚基团改性聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所用电光采样传感器（9）结构为双层复合结构，自上而下由高阻泵浦激光阻隔片以及改性聚酰亚胺薄膜构成。
5.根据权利要求5所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所述高阻泵浦激光阻隔片为高阻硅片，其厚度为3mm，单位阻抗为17500Ω/cm，可吸收残余泵浦激光，并起到反射探测激光的作用。
6.根据权利要求5所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所述改性聚酰亚胺薄膜材料为基于Al2O3纳米掺杂的含苯硫醚基团改性聚酰亚胺。
7.根据权利要求1所述的一种基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量平台及方法，其特征在于所用ICCD矩阵（22）由多个高速相机组成，可实现对探测光偏振状态及光强变化的实时捕捉，并经由GPIB-USB采集卡（23）将所捕捉信息由光信号转变为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24）。
8.一种利用权利要求1-7任意权利要求所述系统进行的基于ICCD矩阵的太赫兹时域波形测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、以第一飞秒激光脉冲源（1）以及第二飞秒脉冲激光源（10）激光出射高度为标准高度，使用一系列等高小孔光阑，调节平面反射镜反射角度及俯仰角，保证激光脉冲在传播及反射过程中处于同一高度且与光学平台边线处于平行状态；
步骤二、移动调节离轴抛物面反射镜组（6）中第一离轴抛物面反射镜的二维镜架位置至使激光出射光斑正圆且远近等大，移动第二离轴抛物面反射镜至激光会聚焦点处，微调其二维镜架，保证反射光斑正圆不发生扭曲且水平；
步骤三、启动第一飞秒激光脉冲源（1）、第二飞秒激光脉冲源（10）、光学斩波器（11）、GPIB-USB采集卡（23）及锁相放大器（24），测量开始；
步骤四、光学斩波器（11）提取探测光信息并将其转换为电信号作为参考信号输入锁相放大器（24），GPIB-USB采集卡（23）将ICCD矩阵（22）所捕捉的探测光偏振状态变化信息转换为电信号作为输入信号输入锁相放大器（24），对比获得太赫兹激励特征信息；
步骤五、计算机（25）对所获得太赫兹时域波形信息处理，通过反演算法获得太赫兹时域波形。
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