CN115112232A - 一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置，包括：激光器，用于出射初始激光束；第一分光单元，用于将初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；第一KTP晶体，用于接收待测试的THz波和第一激光束，产生THz波参量上转换信号光；第二KTP晶体，用于放大THz波参量上转换信号光；第三KTP晶体，用于将第二激光束倍频；合束镜，用于对倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光进行合束；第四KTP晶体，用于放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；光电探测器或光谱仪，用于探测目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。本发明实现了高灵敏度、宽动态范围的THz波探测。
Description
技术领域
本发明实施例涉及THz波参量上转换探测领域，尤其涉及一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置。
背景技术
太赫兹波(terahertz wave，THz wave)是指频率在0.1-10THz范围的电磁波，在电磁波谱上，THz波介于远红外与毫米波之间，由于太赫兹频段位于传统的电子学向光子学的过渡区域，因此具有很多独特的性质。例如与X射线相比，其光子能量低，不会引起测量物质的电离。许多分子的振动和转动能级位于太赫兹频段，使得THz波谱呈现出特异性的吸收峰，有利于获得样本的指纹谱。此外，THz波还具有水敏感性等特点，因此THz技术已广泛应用于光谱特征分析，安全检查，生物医学诊断等诸多领域。
THz波探测技术是THz技术应用中十分重要的一个方面，由于一般的THz辐射源具有输出功率较低，热噪声较大的缺点，且大气对THz波具有很强的吸收，许多实际应用中都需要一种高灵敏度、宽频段响应的THz波探测手段。THz波探测器可以分为相干探测和非相干探测两类，其中基于相干探测的电光采样法和光电导天线法一般用于飞秒激光泵浦产生的THz波探测，探测范围局限于0.1-3THz，且其必须使用超快激光作为泵浦源，使用成本较高。外差接收机结构设计复杂，且对混频器和本地振荡器要求较高。而常见的非相干探测器，如热释电探测器、高莱探测器以及热辐射计，或需要工作在超低温的冷却环境中，或容易受到环境热噪声、热振动的干扰，响应速度慢，探测灵敏度低。因此，高灵敏度、宽频段响应、室温工作的THz波探测技术对THz技术的发展具有极为重要的意义。
发明内容
本发明提供一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置，以解决现有技术的不足，实现高灵敏度、宽频段响应、室温工作的THz波探测。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置，用于探测THz波，包括：
激光器，用于出射初始激光束；
第一分光单元，位于所述初始激光束的传播路径上，用于将所述初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；
第一KTP晶体，位于待测试的THz波和所述第一激光束的传播路径上，用于接收待测试的所述THz波和所述第一激光束，以所述第一激光束作为泵浦光，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，产生THz波参量上转换信号光；
第二KTP晶体，用于基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术放大所述THz波参量上转换信号光；
第三KTP晶体，位于所述第二激光束的传播路径上，用于将所述第二激光束进行倍频；
合束镜，位于倍频后的所述第二激光束和所述THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于对倍频后的所述第二激光束和所述THz波参量上转换信号光进行合束；
第四KTP晶体，位于所述合束镜合束后的光束的传播路径上，用于基于共线相位匹配和光学参量放大技术，以倍频后的所述第二激光束作为泵浦光，放大所述THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；
光电探测器或光谱仪，位于所述目标THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于探测所述目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。
可选的，所述第四KTP晶体基于共线相位匹配和光学参量放大技术放大所述THz波参量上转换信号光还形成闲频光；
所述探测装置还包括第二分光单元，所述第二分光单元位于所述第四KTP晶体和所述光电探测器或光谱仪之间的光束传播路径，用于将所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光分束。
可选的，所述初始激光束、所述第一激光束和所述第二激光均为线偏振光，所述初始激光束、所述第一激光束和所述第二激光的偏振态均为第一偏振方向；
所述探测装置还包括第一半波片、第二半波片和第一布儒斯特窗口片，
所述第一半波片位于所述第二激光束的传播路径上且位于所述第三KTP晶体之前，用于将所述第二激光束的偏振态由所述第一偏振方向转换为第二偏振方向，所述第二偏振方向与所述第一偏振方向的夹角为45°；
所述第二半波片和所述第一布儒斯特窗口片依次位于倍频后的所述第二激光束的传播路径上；所述第一布儒斯特窗口片用于透射第三偏振方向的线偏振光，所述第三偏振方向与所述第一偏振方向垂直；所述第二半波片用于改变倍频后的所述第二激光束的偏振方向，以调节透射所述第一布儒斯特窗口片的线偏振光的能量；
所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光均为线偏振光，所述目标THz波参量上转换信号光的偏振态为第三偏振方向，所述闲频光的偏振态为第一偏振方向；
所述第二分光单元包括偏振分光器，用于根据偏振方向将所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光分束。
可选的，所述的探测装置，还包括第一激光接收器；所述第一激光接收器位于所述闲频光的传播路径上，用于接收所述闲频光。
可选的，所述的探测装置，还包括第一高反镜和第二高反镜；
所述第一高反镜和所述第二高反镜均位于所述第二激光束的传播路径上，且所述第一高反镜位于所述第一分光单元和所述第一半波片之间，所述第二高反镜位于所述第三KTP晶体和所述第二半波片之间；
所述第一高反镜和所述第二高反镜均用于反射所述第二激光束。
可选的，所述第一KTP晶体、所述第二KTP晶体、所述第一半波片、第三KTP晶体、所述第二高反镜、所述第二半波片、所述第一布儒斯特窗口片、所述合束镜、所述第四KTP晶体和所述偏振分光器中的至少一个光学元件表面设置有减反膜；
所述第一高反镜、所述第二高反镜和所述合束镜中的至少一个光学元件表面设置有高反膜。
可选的，所述探测装置还包括第三半波片和第二布儒斯特窗口片，所述第三半波片和所述第二布儒斯特窗口片依次位于所述第一激光束的传播路径上且位于所述第一KTP晶体之前；
所述第二布儒斯特窗口片用于透射第一偏振方向的线偏振光；所述第三半波片用于改变所述第一激光束的偏振方向，以调节透射所述第二布儒斯特窗口片的线偏振光的能量。
可选的，所述第一KTP晶体还出射剩余泵浦光，所述剩余泵浦光与所述THz波参量上转换信号光的传播方向存在夹角；
所述探测装置还包括第二激光接收器，所述第二激光接收器位于所述剩余泵浦光的传播路径上，用于接收所述剩余泵浦光。
可选的，所述的激光器为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1064nm；
所述光电探测器为InGaAs雪崩光电探测器，所述光谱仪为光纤光谱仪。
可选的，所述第一KTP晶体和第二KTP晶体的切角均为θ＝90°，φ＝0°；所述第三KTP晶体的切角为θ＝90°，φ＝23.5°；所述第四KTP晶体的切角为θ＝90°，φ＝24.5°。
本发明提供的基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置，包括：激光器，用于出射初始激光束；第一分光单元，位于初始激光束的传播路径上，用于将初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；第一KTP晶体，位于待测试的THz波和第一激光束的传播路径上，用于接收待测试的THz波和第一激光束，以第一激光束作为泵浦光，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，产生THz波参量上转换信号光；第二KTP晶体，用于基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术放大THz波参量上转换信号光；第三KTP晶体，位于第二激光束的传播路径上，用于将第二激光束进行倍频；合束镜，位于倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于对倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光进行合束；第四KTP晶体，位于合束镜合束后的光束的传播路径上，用于基于共线相位匹配和光学参量放大技术，以倍频后的第二激光束作为泵浦光，放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；光电探测器或光谱仪，位于目标THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于探测目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。该技术方案，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术以及基于共线相位匹配和光学参量放大技术，将待测试的THz波参量上转换信号光进行两次放大，使得该探测装置能够探测更微弱的THZ波信号，也即可以大幅提高THz波参量上转换探测装置的探测灵敏度，同时，由于KTP晶体存在高频段电磁耦子，弥补了基于LiNbO3晶体的THz波参量上转换探测的探测范围局限于1-3THz范围的缺陷，基于KTP晶体可以探测并放大1-15THz宽频段的THz波参量上转换信号，通过水平旋转第四KTP晶体可以改变相位匹配条件，实现不同波长的上转换信号的放大。
附图说明
图1为本实施例提供的一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置的结构示意图；
图2为本实施例的第一KTP晶体内产生THz波参量上转换信号光的示意图；
图3为不同φ角度下的第四KTP晶体7产生的THz波参量上转换信号光和闲频光的波长关系图；
图4为第四KTP晶体的相位匹配方式示意图；
图5为基于非共线相位匹配放大上转换信号的原理图；
图6为第四KTP晶体的相位匹配方式示意图；
图7为本实施例提供的另一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
THz参量上转换探测是上转换探测技术的一种，其基于受激电磁耦子散射和非共线相位匹配原理，通过非线性频率变换将THz波转换为近红外光或可见光，通过成熟的红外或可见光探测器探测上转换信号的强度、脉宽、波长等信息，间接地对THz波的相应信息进行探测。
图1为本实施例提供的一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置的结构示意图。如图1所示，该THz波参量上转换探测装置，用于探测THz波，包括：激光器1，用于出射初始激光束；第一分光单元2，位于初始激光束的传播路径上，用于将初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；第一KTP晶体3，位于待测试的THz波和第一激光束的传播路径上，用于接收待测试的THz波和第一激光束，以第一激光束作为泵浦光，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，产生THz波参量上转换信号光；第二KTP晶体4，用于基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术放大THz波参量上转换信号光；第三KTP晶体5，位于第二激光束的传播路径上，用于将第二激光束进行倍频；合束镜6，位于倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于对倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光进行合束；第四KTP晶体7，位于合束镜6合束后的光束的传播路径上，用于基于共线相位匹配和光学参量放大技术，以倍频后的第二激光束作为泵浦光，放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；光电探测器或光谱仪8，位于目标THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于探测目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。
其中，激光器1是一种能发射激光的装置，可以包括但不限于固体激光器、半导体激光器、气体激光器等，用于发射初始激光束，在一具体实施例中，激光器1为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1064nm，脉宽为纳秒及亚纳秒量级，偏振态为沿z轴方向偏振的线偏振光，重复频率1Hz-kHz量级。第一分光单元2可以包括但不限于分光镜，位于初始激光镜的传播路径上，用于接收激光器1发射的初始激光束，并将初始激光束分束为第一激光束和第二激光束。KTP晶体的全称为磷酸氧钛钾，其存在高频段电磁耦子，具有大的容许温度和容许角度，激光损伤阈值较高，化学性质稳定，倍频转化效率高达70％以上。图2为本实施例的第一KTP晶体内产生THz波参量上转换信号光的示意图，如图2所示，第一KTP晶体3可以为梯形结构，通光面均为光学抛光面，其分子式可以为KTiOPO4，具体地，该实施例中第一KTP晶体3的切角为θ＝90°，φ＝0°。
第二KTP晶体4为如图1所示为长条形结构，通光面均为光学抛光面，在一具体实施例中，第二KTP晶体4的切角均为θ＝90°，φ＝0°。第三KTP晶体5可以为倍频晶体，倍频晶体是指用于倍频效应的一类非线性光学晶体，可选的，第三KTP晶体5的切角为θ＝90°，φ＝23.5°。第三KTP晶体5用于将第二激光束进行倍频，例如，当激光器1为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器时，输出波长为1064nm，即第二激光束的波长为1064nm，第二激光束通过第三KTP晶体5倍频放大后，倍频后的第二激光束的波长为532nm。合束镜6为一种半透反射镜，它可以将两种(或多种)波长的光线分别通过透射和反射的方法合成到一条光路上。
图3为不同φ角度下的第四KTP晶体7产生的THz波参量上转换信号光和闲频光的波长关系图，其中，随φ角增加逐渐增大的曲线为THz波参量上转换信号光，随φ角增加逐渐减小的曲线为闲频光。通过水平旋转的第四KTP晶体7可以放大不同波长的上转换信号光，在一具体实施例中，第四KTP晶体7切角可以为θ＝90°，φ＝24.5°。
光电探测器为把光辐射信号转变为电信号的器件，光谱仪为以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置，具体的，在一实施例中，光电探测器为InGaAs雪崩光电探测器，光谱仪为光纤光谱仪。
具体的，激光器1产生偏振方向沿z轴方向的1064nm线偏振光作为初始激光束，第一分光单元2将激光器1出射的初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；第一激光束和待测试的THz波在第一KTP晶体3相遇，以第一激光束作为泵浦光，如图2所示，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，第一激光束和待测试的THz波在第一KTP晶体3中混频，基于受激电磁耦子散射过程产生THz波参量上转换信号光；第一激光束和THz波参量上转换信号光在第二KTP晶体4中满足非线性相位匹配，基于受激电磁耦子散射放大THz波参量上转换信号。
图4为本实施例的第二KTP晶体内的相位匹配示意图；其中，kP为泵浦光的波矢量；ki为闲频光的波矢量；kS为THz波参量上转换信号光的波矢量。如图4所示，第二KTP晶体4中的相位匹配类型为0类相位匹配，第一激光束和THz波参量上转换信号光的偏振方向均为竖直方向；图5为基于非共线相位匹配放大上转换信号的原理图，其中，kP为泵浦光的波矢量；kS为THz波参量上转换信号光的波矢量；kT为待测试THz波的波矢量；θ为泵浦光与THz波参量上转换信号光的夹角。如图5所示，第一激光束和THz波参量上转换信号光之间存在一个夹角，夹角θ由相位匹配条件决定，不同波长的THz波参量上转换信号光对应的夹角不同，因此针对不同频率的THz波产生的THz波参量上转换信号光进行放大，需要对应调整第一激光束和THz波参量上转换信号光的夹角θ。
第二激光束通过第三KTP晶体5将其进行倍频，倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光经过合束镜6合束后入射到第四KTP晶体7，第四KTP晶体7基于共线相位匹配和光学参量进一步放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光，通过水平旋转第四KTP晶体7可以改变相位匹配条件，实现不同波长的上转换信号的放大，采用高灵敏度的光电探测器和光谱仪8探测目标THz波参量上转换信号光，以实现高灵敏度的THz波参量上转换探测。
本实施例提供的探测装置，包括：激光器，用于出射初始激光束；第一分光单元，位于初始激光束的传播路径上，用于将初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；第一KTP晶体，位于待测试的THz波和第一激光束的传播路径上，用于接收待测试的THz波和第一激光束，以第一激光束作为泵浦光，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，产生THz波参量上转换信号光；第二KTP晶体，用于基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术放大THz波参量上转换信号光；第三KTP晶体，位于第二激光束的传播路径上，用于将第二激光束进行倍频；合束镜，位于倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于对倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光进行合束；第四KTP晶体，位于合束镜合束后的光束的传播路径上，用于基于共线相位匹配和光学参量放大技术，以倍频后的第二激光束作为泵浦光，放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；光电探测器或光谱仪，位于目标THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于探测目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。该技术方案，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术以及基于共线相位匹配和光学参量放大技术，将待测试的THz波参量上转换信号光进行两次放大，使得该探测装置能够探测更微弱的THZ波信号，也即可以大幅提高THz波参量上转换探测装置的探测灵敏度；同时，由于KTP晶体存在高频段电磁耦子，弥补了基于LiNbO3晶体的THz波参量上转换探测的探测范围局限于1-3THz范围的缺陷，基于KTP晶体可以探测并放大1-15THz宽频段的THz波参量上转换信号，通过水平旋转第四KTP晶体可以改变相位匹配条件，实现不同波长的上转换信号的放大。
可选的，继续参考图1所示，第四KTP晶体7基于共线相位匹配和光学参量放大技术放大THz波参量上转换信号光还形成闲频光；探测装置还包括第二分光单元9，第二分光单元9位于第四KTP晶体7和光电探测器或光谱仪8之间的光束传播路径，用于将目标THz波参量上转换信号光和闲频光分束。
其中，闲频光是在振动过程中和THz波参量上转换信号光同时生成的光，为THz波参量上转换信号光以外的多余波段光。第二分光单元9可以将水平偏振和竖直偏振的线偏光分离。
具体的，倍频后的第二激光束和THz波参量上转换信号光经过合束镜6合束后入射到第四KTP晶体7，第四KTP晶体7基于共线相位匹配和光学参量进一步放大THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光，同时还形成闲频光；目标THz波参量上转换信号和闲频光共线入射到第二分光单元9上，从而将目标THz波参量上转换信号和闲频光分离，通过高灵敏度的光电探测器和光谱仪8探测目标THz波参量上转换信号光，使得该探测装置能够探测更微弱的THZ波信号，也即可以大幅提高THz波参量上转换信号光的探测灵敏度。
可选的，初始激光束、第一激光束和第二激光均为线偏振光，初始激光束、第一激光束和第二激光的偏振态均为第一偏振方向；探测装置还包括第一半波片10、第二半波片11和第一布儒斯特窗口片12，第一半波片10位于第二激光束的传播路径上且位于第三KTP晶体5之前，用于将第二激光束的偏振态由第一偏振方向转换为第二偏振方向，第二偏振方向与第一偏振方向的夹角为45°；第二半波片11和第一布儒斯特窗口片12依次位于倍频后的第二激光束的传播路径上；第一布儒斯特窗口片12用于透射第三偏振方向的线偏振光，第三偏振方向与第一偏振方向垂直；第二半波片11用于改变倍频后的第二激光束的偏振方向，以调节透射第一布儒斯特窗口片12的线偏振光的能量；目标THz波参量上转换信号光和闲频光均为线偏振光，目标THz波参量上转换信号光的偏振态为第三偏振方向，闲频光的偏振态为第一偏振方向；第二分光单元9包括偏振分光器，用于根据偏振方向将目标THz波参量上转换信号光和闲频光分束。
其中，第一偏振方向可以为竖直偏振方向，第三偏振方向可以为水平偏振方向。半波片是指当法向入射的光透过时，寻常光和非常光之间的位相差等于π或其奇数倍的一定厚度的双折射晶体。布儒斯特窗口片用于透射线偏振光，且配合半波片实现对透射光束的能量的调节。
具体的，第一偏振方向的第二激光束传播经过第一半波片10，经第一半波片10调整线偏振方向后，其偏振方向由第一偏振方向调整为第二偏振方向，处于第二偏振方向的第二激光束通过第三KTP晶体5将其进行倍频，倍频后的第二激光束传播经过第二半波片11再次调整第二激光束的偏振方向，进而传播经过第一布儒斯特窗口片12，使其全部调整为第三偏振方向，第二半波片11和第一布儒斯特窗口片12组合使用可以作为倍频后的第二激光束的能量衰减器，通过调整第一布儒斯特窗口片12的位置，可以任意调整透射的水平偏振方向的倍频后的第二激光束的能量，以适应待测试THz波的频率，从而可以提高THz波参量上转换探测技术的探测灵敏度和动态范围，实现1-15THz波段的THz波高效探测。
图6为第四KTP晶体的相位匹配方式示意图，其中，kP为泵浦光的波矢量；ki为闲频光；kS为THz波参量上转换信号光的波矢量。如图6所示，倍频后的第二激光束的偏振方向为第三偏振方向，THz波参量上转换信号光的偏振方向为第一偏振方向，第四KTP晶体7基于共线相位匹配和光学参量进一步放大THz波参量上转换信号光形成的目标THz波参量上转换信号光和闲频光，目标THz波参量上转换信号光的偏振态为第三偏振方向，闲频光的偏振态为第一偏振方向。从而目标THz波参量上转换信号光和闲频光传播经过第二分光单元9时，偏振分光器根据偏振方向将目标THz波参量上转换信号光和闲频光分束，使得该探测装置能够探测更微弱的THz波信号，进一步提高THz波参量上转换探测装置的探测灵敏度。
可选的，本实施例提供的探测装置，还包括第一激光接收器13；第一激光接收器13位于闲频光的传播路径上，用于接收闲频光，以避免闲频光在探测装置回路中传播而对THz波参量上转换光探测造成干扰，从而提高THz波参量上转换探测装置的探测灵敏度。
可选的，本实施例提供的探测装置，还包括第一高反镜14和第二高反镜15；第一高反镜14和第二高反镜15均位于第二激光束的传播路径上，且第一高反镜14位于第一分光单元2和第一半波片10之间，第二高反镜15位于第三KTP晶体5和第二半波片11之间；第一高反镜14和第二高反镜15均用于反射第二激光束，从而第二激光束的传播路径可以发生改变，使探测装置的结构紧凑，减小探测装置的体积。
可选的，第一KTP晶体3、第二KTP晶体4、第一半波片10、第三KTP晶体5、第二高反镜15、第二半波片11、第一布儒斯特窗口片12、合束镜6、第四KTP晶体7和偏振分光器中的至少一个光学元件表面设置有减反膜，以减少激光和待测试THz波的反射，提高探测精度；第一高反镜14、第二高反镜15和合束镜6中的至少一个光学元件表面设置有高反膜，以减少激光和待检测THz波的透射，提高探测精度。
示例性的，当激光器1的输出波长为1064nm时，第一KTP晶体3、第二KTP晶体4、第一半波片10、第三KTP晶体5、第二高反镜15中至少一个光学元件表面设置有1μm激光减反膜；第二半波片11、第一布儒斯特窗口片12、合束镜6、第四KTP晶体7和偏振分光器中的至少一个光学元件表面设置有532nm激光减反膜；第一高反镜14设置1064nm激光高反膜，第二高反镜15和合束镜6中的至少一个光学元件表面设置有532nm激光高反膜。
可选的，图7为本实施例提供的另一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置的结构示意图，如图7所示，该探测装置还包括第三半波片16和第二布儒斯特窗口片17，第三半波片16和第二布儒斯特窗口片17依次位于第一激光束的传播路径上且位于第一KTP晶体3之前；第二布儒斯特窗口片17用于透射第一偏振方向的线偏振光；第三半波片16用于改变第一激光束的偏振方向，以调节透射第二布儒斯特窗口片17的线偏振光的能量。
具体的，第三半波片16和第二布儒斯特窗口片17组合使用可以作为第一激光束的能量衰减器，可以任意调整透射的水平偏振方向的第一激光束的能量，以适应待测试THz波的频率，从而可以提高THz波参量上转换探测技术的探测灵敏度和动态范围，实现1-15THz波段的THz波高效探测。。
可选的，参考图1、图2和图7所示，第一KTP晶体3还出射剩余泵浦光，剩余泵浦光与THz波参量上转换信号光的传播方向存在夹角；探测装置还包括第二激光接收器18，第二激光接收器18位于剩余泵浦光的传播路径上，用于接收剩余泵浦光，以防止剩余泵浦光在探测装置回路中传播而对THz波参量上转换光探测造成干扰，从而可以提高THz波参量上转换探测装置的探测灵敏度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置，用于探测THz波，其特征在于，包括：
激光器，用于出射初始激光束；
第一分光单元，位于所述初始激光束的传播路径上，用于将所述初始激光束分束为第一激光束和第二激光束；
第一KTP晶体，位于待测试的THz波和所述第一激光束的传播路径上，用于接收待测试的所述THz波和所述第一激光束，以所述第一激光束作为泵浦光，基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术，产生THz波参量上转换信号光；
第二KTP晶体，用于基于非共线相位匹配和受激电磁耦子散射技术放大所述THz波参量上转换信号光；
第三KTP晶体，位于所述第二激光束的传播路径上，用于将所述第二激光束进行倍频；
合束镜，位于倍频后的所述第二激光束和所述THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于对倍频后的所述第二激光束和所述THz波参量上转换信号光进行合束；
第四KTP晶体，位于所述合束镜合束后的光束的传播路径上，用于基于共线相位匹配和光学参量放大技术，以倍频后的所述第二激光束作为泵浦光，放大所述THz波参量上转换信号光，形成目标THz波参量上转换信号光；
光电探测器或光谱仪，位于所述目标THz波参量上转换信号光的传播路径上，用于探测所述目标THz波参量上转换信号光的能量和波长信息。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述第四KTP晶体基于共线相位匹配和光学参量放大技术放大所述THz波参量上转换信号光还形成闲频光；
所述探测装置还包括第二分光单元，所述第二分光单元位于所述第四KTP晶体和所述光电探测器或光谱仪之间的光束传播路径，用于将所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光分束。
3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述初始激光束、所述第一激光束和所述第二激光均为线偏振光，所述初始激光束、所述第一激光束和所述第二激光的偏振态均为第一偏振方向；
所述探测装置还包括第一半波片、第二半波片和第一布儒斯特窗口片，
所述第一半波片位于所述第二激光束的传播路径上且位于所述第三KTP晶体之前，用于将所述第二激光束的偏振态由所述第一偏振方向转换为第二偏振方向，所述第二偏振方向与所述第一偏振方向的夹角为45°；
所述第二半波片和所述第一布儒斯特窗口片依次位于倍频后的所述第二激光束的传播路径上；所述第一布儒斯特窗口片用于透射第三偏振方向的线偏振光，所述第三偏振方向与所述第一偏振方向垂直；所述第二半波片用于改变倍频后的所述第二激光束的偏振方向，以调节透射所述第一布儒斯特窗口片的线偏振光的能量；
所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光均为线偏振光，所述目标THz波参量上转换信号光的偏振态为第三偏振方向，所述闲频光的偏振态为第一偏振方向；
所述第二分光单元包括偏振分光器，用于根据偏振方向将所述目标THz波参量上转换信号光和所述闲频光分束。
4.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，还包括第一激光接收器；所述第一激光接收器位于所述闲频光的传播路径上，用于接收所述闲频光。
5.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，还包括第一高反镜和第二高反镜；
所述第一高反镜和所述第二高反镜均位于所述第二激光束的传播路径上，且所述第一高反镜位于所述第一分光单元和所述第一半波片之间，所述第二高反镜位于所述第三KTP晶体和所述第二半波片之间；
所述第一高反镜和所述第二高反镜均用于反射所述第二激光束。
6.根据权利要求5所述的探测装置，其特征在于，所述第一KTP晶体、所述第二KTP晶体、所述第一半波片、第三KTP晶体、所述第二高反镜、所述第二半波片、所述第一布儒斯特窗口片、所述合束镜、所述第四KTP晶体和所述偏振分光器中的至少一个光学元件表面设置有减反膜；
所述第一高反镜、所述第二高反镜和所述合束镜中的至少一个光学元件表面设置有高反膜。
7.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括第三半波片和第二布儒斯特窗口片，所述第三半波片和所述第二布儒斯特窗口片依次位于所述第一激光束的传播路径上且位于所述第一KTP晶体之前；
所述第二布儒斯特窗口片用于透射第一偏振方向的线偏振光；所述第三半波片用于改变所述第一激光束的偏振方向，以调节透射所述第二布儒斯特窗口片的线偏振光的能量。
8.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述第一KTP晶体还出射剩余泵浦光，所述剩余泵浦光与所述THz波参量上转换信号光的传播方向存在夹角；
所述探测装置还包括第二激光接收器，所述第二激光接收器位于所述剩余泵浦光的传播路径上，用于接收所述剩余泵浦光。
9.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述的激光器为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1064nm；
所述光电探测器为InGaAs雪崩光电探测器，所述光谱仪为光纤光谱仪。
10.根据权利要求9所述的探测装置，其特征在于，所述第一KTP晶体和第二KTP晶体的切角均为θ＝90°，φ＝0°；所述第三KTP晶体的切角为θ＝90°，φ＝23.5°；所述第四KTP晶体的切角为θ＝90°，φ＝24.5°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210882245.6A CN115112232A (zh) | 2022-07-26 | 2022-07-26 | 一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202210882245.6A CN115112232A (zh) | 2022-07-26 | 2022-07-26 | 一种基于KTP晶体的THz波参量上转换探测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN115112232A true CN115112232A (zh) | 2022-09-27 |
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| CN (1) | CN115112232A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115266650A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-11-01 | 安徽创谱仪器科技有限公司 | 一种分光光度计系统 |
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2022
- 2022-07-26 CN CN202210882245.6A patent/CN115112232A/zh active Pending
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