CN115241725B - 基于激光-空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光‑空气作用的太赫兹波平衡探测系统及方法，具体包括：耦合器，用于将探测激光和太赫兹波准直、合束与聚焦，产生由太赫兹波引起的二次谐波(TISH)；β‑BBO晶体，置于焦点之后，β‑BBO晶体与剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(LO)，LO与TISH偏振相互垂直；α‑BBO晶体，使入射的LO和TISH时间同步；1/4波片，将入射的LO与TISH转化为圆偏振状态；平衡探测模块，将圆偏振的LO和圆偏振的TISH进行分束测量然后差分处理，获取太赫兹波的电场强度。本发明公开的技术方案通过调整TISH和LO的产生顺序，结合差分技术，增强探测信噪比，提高探测稳定性，并且有利于系统工业集成。

Description

基于激光-空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱探测领域，尤其涉及一种基于激光-空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法。
背景技术
利用超快激光与气体的相互作用可获得强场太赫兹，其能量耦合了各种能级激发，比如，分子振动、旋转、声子带内跃迁等。反过来，利用激光-空气相互作用还可以检测太赫兹。相比于传统的电光采样或光整流的太赫兹探测方法，这种方法不需要使用光学材料，不存在破坏阈值，可实现相对平滑的测量。
现有技术中，利用激光-空气相互作用探测太赫兹的方法，主要采用自相位调制技术，通过太赫兹相关二次谐波和局域振荡二次谐波进行外差检测实现。其中，局域振荡二次谐波的产生有两种方法，一种采用强的直流偏置(见Appl.Phys.Lett.92,011131(2008)“Coherent heterodyne time-domain spectrometry covering the entire terahertzgap”)，这种方法不可避免使用一个与激光脉冲同步的高压源，另一种通过光学偏置相干控制局域振荡二次谐波(见Opt.Express 23,11436-11443(2015)“Broadband field-resolved terahertz detection via laser induced air plasma with controlledoptical bias”)，可以免去使用跳变高压的危险，在一定程度上简化了系统，但其探测信号微弱，噪声大，系统工业集成化程度低。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种基于激光-空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法，该系统将光学偏置相干控制技术和平衡探测技术相结合，并创造性地调整LO和TISH产生的顺序，不但增强了探测信号强度，抑制了激光背景噪声，从而提高探测信噪比，还解决了现有技术中光学元件组装零散造成的集成化程度低的问题，有利于实现商业市场规划已久的远距离太赫兹探测。
为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案
一种基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，该系统使用探测激光探测太赫兹波的电场强度，所述系统包括：耦合器，将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，所述探测激光在其焦点附近电离空气，产生由所述太赫兹波引起的二次谐波(Terahertz Induced Second HarmonicTISH)；未参与产生TISH的所述探测激光为剩余探测激光；β-BBO晶体，沿所述探测激光传播方向置于所述焦点之后，所述TISH和所述剩余探测激光入射至所述β-BBO晶体，所述β-BBO晶体与所述剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(Local Oscillation LO)，所述LO与所述TISH偏振垂直；α-BBO晶体，用于调整入射的所述LO时间延迟，使所述LO和所述TISH时间同步；1/4波片，将入射的所述LO与所述TISH转化为圆偏振，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；以及平衡探测模块，包括沃拉斯顿棱镜和两个光电探测器，沃拉斯顿棱镜用于将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器，所述两个光电探测器的测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
优选地，该系统还包括延时模块，用于产生所述探测激光的扫描延时，以获取所述太赫兹波的时域谱。
优选地，该系统还包括双色镜、延时块和透镜，所述双色镜和延时块用于调整所述剩余探测激光的强度和延时；所述透镜用于会聚所述LO和/或所述TISH。
优选地，所述耦合器包括抛物面镜，所述抛物面镜上设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
本发明还提供了一种基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测方法，该方法利用权利要求1-4所述的太赫兹波平衡探测系统对太赫兹波电场强度进行探测，所述方法包括：
将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，一部分所述探测激光在其焦点附近电离空气以产生由所述太赫兹波引起的二次谐波TISH，另一部分探测激光为剩余探测激光；将所述剩余探测激光与β-BBO晶体相互作用，产生局域振荡二次谐波LO，调整所述β-BBO晶体，使所述LO与所述TISH偏振方向相互垂直；将所述TISH和所述LO入射至α-BBO晶体，使所述LO和所述TISH时间同步；使所述LO和所述TISH入射至1/4波片，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测，测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
优选地，该方法还包括使用延时模块对所述探测激光进行扫描延时，获取所述太赫兹波的时域谱。
更进一步地，所述使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测的方法包括，使用沃拉斯顿棱镜将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器。
优选地，所述将探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦的方法包括，使用抛物面镜将所述太赫兹波进行聚焦，所述抛物面镜设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
优先地，方法还包括设置双色镜和延时块，用以调整所述剩余探测激光的强度和延时。
更进一步地，该方法还包括使用透镜，会聚所述LO和/或所述TISH。
本发明通过上述技术方案达到的有益效果是：
1)将光学偏置相干控制技术和平衡探测技术相结合，通过光学偏置技术精确控制LO的强度和时间延迟，使得LO和TISH强度相当并且时间同步，在这种条件下，结合平衡差分技术进行探测，大大增强了探测信号强度，有效抑制背景噪声，提高探测信噪比。
2)相比于现有技术的先LO后TISH的探测系统，本发明将β-BBO晶体置于焦点之后，使探测激光先聚焦和空气产生TISH，剩余探测激光再和β-BBO晶体产生LO，不但增强了包含太赫兹电场信息的TISH，在光学元件布局上的改变更有利于系统工业集成，实现远程太赫兹探测。
附图说明
图1本发明实施例的系统结构示意图；
图2本发明实施例方法的流程图；
图3本发明实施例和传统实验对比结果图；
图中各标号表示：
1、太赫兹波；2、探测激光；3、耦合器；4、焦点；5、双色镜；6、延时块；7、β-BBO晶体；8、α-BBO晶体；9、1/4波片；10、沃拉斯顿棱镜；11、光电探测器；12、透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。
请参阅附图1本发明实施例的系统结构示意图。该图为一种基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，该系统使用探测激光2探测太赫兹波1的电场强度。在本发明实施例中，使用的太赫兹波1为脉冲太赫兹波，使用的探测激光2由波长800nm的Ti:sapphire激光器产生，脉宽25fs，重复频率1kHz，单脉冲能量0.9mJ。附图1的系统包括：耦合器3，β-BBO晶体7，α-BBO晶体8，1/4波片9和平衡探测模块。在本发明实施例中，耦合器3包括一个抛物面镜，用于对太赫兹波1聚焦。另外，该抛物面镜上设置通孔，波长800nm的探测激光2经过会聚透镜入射抛物面镜的通孔。抛物面镜将探测激光2和太赫兹波1合束后，探测激光2和太赫兹波1的会聚焦点重合，探测激光2在焦点4附近电离空气，受太赫兹波1电场影响，产生由太赫兹波1引起的二次谐波(Terahertz Induced Second HarmonicTISH)，TISH频率是探测激光2的两倍，波长大约为400nm，偏振方向同探测激光2。未参与产生TISH的探测激光2为剩余探测激光。TISH和剩余探测激光入射至β-BBO晶体7。与传统激光-空气作用的太赫兹探测系统不同，在本发明实施例中，β-BBO晶体7沿探测激光2传播方向置于焦点4之后，即在产生了TISH之后，β-BBO晶体7与剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(LocalOscillation LO)。由于TISH与β-BBO晶体7无相互作用，调整β-BBO晶体7晶轴方向，可以使LO与TISH偏振垂直。
本发明实施例的α-BBO晶体8设置在β-BBO晶体7之后，用于调整入射的LO时间延迟，使LO和TISH时间同步，保证LO和TISH的相干性。1/4波片9，用于将入射的LO与TISH转化为圆偏振，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH。本发明实施例的平衡探测模块包括沃拉斯顿棱镜10和两个光电探测器11，沃拉斯顿棱镜10用于将圆偏振的LO和圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，再分别入射至两个光电探测器11，两个光电探测器11探测到的是LO和TISH相干叠加后的干涉增强和干涉减弱的光场强度，对两个光电探测器11的测量值进行差分处理，获取的信号正比于太赫兹波1的电场强度。在本发明实施例中，光电探测器11为雪崩光电管或光电倍增管。
上述系统探测的是一个与太赫兹波1电场强度相关的量，由于探测激光2的脉宽在飞秒量级，太赫兹波1的脉宽在皮秒量级，相对于探测激光2，太赫兹波1的电场强度是一个缓变量。用探测激光2感应到的太赫兹波1的电场强度，是太赫兹波1的时域谱在飞秒时间窗口中的电场强度值。为了获取太赫兹波1电场随时间变化的太赫兹时域谱，本发明另一个实施例还包括延时模块，用于产生探测激光2的扫描延时，以获取太赫兹波1的时域谱。
在本发明实施例中，基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统还包括双色镜5、延时块6和透镜12。在附图1中，双色镜5和延时块6置于焦点4与β-BBO晶体7之间，用于调整剩余探测激光的强度和延时，以控制由剩余探测激光产生的LO。在本发明实施例中，延时块6为熔融石英片或光楔对。在本发明的其他实施例中，双色镜5和延时块6位置可互换。在本发明实施例中，透镜12用于会聚LO和TISH，以提高LO和TISH的电场强度。本发明实施例优选方案中，双色镜5厚度1mm，熔融石英片厚度2mm，α-BBO晶体8厚度1mm，β-BBO晶体7厚度10um，其衬底厚度1mm。
本发明实施例中，将产生和控制LO的光学元件，包括双色镜5、延时块6、β-BBO晶体7和α-BBO晶体8，放置在焦点4和透镜12之间，在其他条件不变的情况下，比起将β-BBO晶体7放置在焦点4之前，本发明实施例探测到的太赫兹电场强度明显增强，这主要是因为在本发明实施例中，空气的弱电离先产生TISH，其相位畸变和剩余探测激光的相位畸变相当，保持了TISH和由剩余探测激光产生的LO之间的强相干性。而把β-BBO晶体7放置在焦点4之前时，LO和TISH的相位畸变存在更大的随机性，导致相干性减弱，从而探测到的太赫兹信号也减弱。另外，将β-BBO晶体7设置在焦点4之后，可以将除耦合器3之外的所有光学元件集成在一个光学模块上，通过预先设置模块各元件参数，实现对远程太赫兹的探测，使太赫兹探测系统离真正商业实现又近了一步，在商业上具有很好的应用前景。
请参阅附图2本发明实施例方法的流程图，该方法利用附图1的太赫兹波平衡探测系统对太赫兹波电场强度进行探测，具体包括：
将探测激光2和太赫兹波1准直、合束与聚焦，一部分探测激光2在焦点4附近电离空气以产生由太赫兹波1引起的二次谐波TISH，另一部分探测激光2为剩余探测激光；在本发明的实施例中，空气被弱电离的情况下，TISH和剩余探测激光在等离子体中传播产生的相位畸变是相当的，不会降低TISH和LO之间的相干性。将剩余探测激光与β-BBO晶体7相互作用，产生局域振荡二次谐波LO，调整β-BBO晶体7，使LO与TISH偏振方向相互垂直；将TISH和LO入射至α-BBO晶体8，使LO和TISH时间同步；使LO和TISH入射至1/4波片9，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；使用平衡探测模块将圆偏振的LO和圆偏振的TISH进行分束探测，测量差值正比于太赫兹波1的电场强度。
在本发明实施例优选方案中，该方法还包括使用延时模块对探测激光2进行扫描延时，获取太赫兹波1的时域谱。
特别地，使用平衡探测模块将圆偏振的LO和圆偏振的TISH进行分束探测的方法包括，使用沃拉斯顿棱镜10将圆偏振的LO和圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，p光和s光分别入射至两个光电探测器11。
将探测激光2和太赫兹波1准直、合束与聚焦的方法包括，使用抛物面镜将太赫兹波1进行聚焦，抛物面镜设置通孔，以使探测激光2入射该抛物面镜与太赫兹波1合束。
该方法还包括在焦点4之后设置双色镜5和延时块6，转动双色镜5和延时块6的角度，调整剩余探测激光的强度和延时，以控制其产生的LO的强度和延时。该方法还包括使用透镜12，会聚LO和/或TISH。
具体计算如下，根据四波混频原理，TISH电场强度ETISH与太赫兹电场强度成正比:
Figure BDA0003655452990000061
/>
其中，Eω和χ(3)分别是探测激光2的场强和空气第三级非线性系数。在本发明的一个实施例中，LO和TISH偏振垂直，则两束光合成矢量的琼斯表示为：
Figure BDA0003655452990000071
其中，
Figure BDA0003655452990000072
标示LO和TISH之间的相位差。
在本发明的实施例中，偏振相互垂直的LO和TISH经过1/4波片9后，变为方向相反的圆偏振光，再经过沃拉斯顿棱镜10进行分束，进入两个光电探测器11的光强度分别可表示为：
Figure BDA0003655452990000073
Figure BDA0003655452990000074
其中，脚标p和s分别表示p光成分和s光成分，经过光电探测器11的差分技术处理，p光和s光场强的第一项和第二项相减相消，析出LO与TISH的相干项，该项与太赫兹波1的电场强度有关。
为了抑制共模噪声，本发明一个实施例采用平衡检测法获取太赫兹电场相关信号。具体地，将两个光电探测器11的输出进行差分处理，然后输入至锁相放大器，锁相放大器得到的信号对应于Eq.(3)和Eq.(4)的差值。
请参阅附图3本发明实施例实施例和传统实验对比结果图。为了更进一步体现本发明技术方案的优势，实验中对本发明实施例的平衡法和传统的探测法探测结果进行比较，分别用两种探测方法对太赫兹时域谱进行了36次测量然后采用傅立叶变换获取各自对应的太赫兹光谱。附图3中，黑色表示平衡法探测的数据，灰色表示传统单侧探测的数据；实线是对数表示的太赫兹频谱，虚线是根据多次测量的频谱抖动计算出来的信噪比。由图可知，在背景噪声强度相当的条件下，平衡法探测到的信号比传统探测法探测到的信号强度增强了约两倍，证实了本发明实施例能明显提高探测信噪比。
另外，从0.5THz到30THz的带宽范围内，相比于传统方法获取的太赫兹光谱，平衡法获取的太赫兹光谱抖动明显减小，信噪比提高，平衡探测法增强了探测稳定性，使探测数据更可靠。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，该系统使用探测激光探测太赫兹波的电场强度，其特征在于，所述系统包括：
耦合器，将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，所述探测激光在所述探测激光的焦点附近电离空气，产生由所述太赫兹波引起的二次谐波(Terahertz InducedSecond Harmonic TISH)；未参与产生TISH的所述探测激光为剩余探测激光；
β-BBO晶体，沿所述探测激光传播方向置于所述焦点之后，所述TISH和所述剩余探测激光入射至所述β-BBO晶体，所述β-BBO晶体与所述剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(Local Oscillation LO)，所述LO与所述TISH偏振垂直；
α-BBO晶体，用于调整入射的所述LO时间延迟，使所述LO和所述TISH时间同步；
1/4波片，将入射的所述LO与所述TISH转化为圆偏振，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；以及
平衡探测模块，包括沃拉斯顿棱镜和两个光电探测器，所述沃拉斯顿棱镜用于将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器，所述两个光电探测器的测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
2.根据权利要求1所述的基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，该系统还包括延时模块，用于产生所述探测激光的扫描延时，以获取所述太赫兹波的时域谱。
3.根据权利要求1所述的基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，该系统还包括双色镜、延时块和透镜，所述双色镜和延时块用于调整所述剩余探测激光的强度和延时；所述透镜用于会聚所述LO和/或所述TISH。
4.根据权利要求1所述的基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，所述耦合器包括抛物面镜，所述抛物面镜上设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
5.基于激光-空气作用的太赫兹波平衡探测方法，该方法利用权利要求1-4所述的太赫兹波平衡探测系统对太赫兹波电场强度进行探测，其特征在于，所述方法包括：
将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，一部分所述焦点附近电离空气以产生由所述太赫兹波引起的二次谐波TISH，另一部分探测激光为剩余探测激光；
将所述剩余探测激光与β-BBO晶体相互作用，产生局域振荡二次谐波LO，调整所述β-BBO晶体，使所述LO与所述TISH偏振方向相互垂直；
将所述TISH和所述LO入射至α-BBO晶体，使所述LO和所述TISH时间同步；
使所述LO和所述TISH入射至1/4波片，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；
使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测，测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
6.根据权利要求5所述的太赫兹波平衡探测方法，其特征在于，所述平衡探测方法还包括使用延时模块对所述探测激光进行扫描延时，获取所述太赫兹波的时域谱。
7.根据权利要求5所述的太赫兹波平衡探测方法，其特征在于，所述使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测的方法包括，使用沃拉斯顿棱镜将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器。
8.根据权利要求5所述的太赫兹波平衡探测方法，其特征在于，所述将探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦的方法包括，使用抛物面镜将所述太赫兹波进行聚焦，所述抛物面镜设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
9.根据权利要求5所述的太赫兹波平衡探测方法，其特征在于，该方法还包括设置双色镜和延时块，用以调整所述剩余探测激光的强度和延时。
10.根据权利要求5所述的太赫兹波平衡探测方法，其特征在于，该方法还包括使用透镜，会聚所述LO和/或所述TISH。
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