CN115963672A - 一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构，包括依次层叠布置的至少两个电光晶体，每两个相邻的电光晶体之间均设置有补偿晶体；其中，电光晶体与补偿晶体具有相反的色散关系，以便于通过补偿晶体来补偿太赫兹光与探测光在电光晶体中积累的相位差。本发明根据需要选定电光晶体的种类和厚度，并选定一种具有和电光晶体相反色散关系的补偿晶体，并依据测量带宽及相位匹配条件计算其厚度，再根据测量带宽要求确定电光晶体的层数。与现有技术相比，本发明能够在保证信号强度的同时拓宽测量带宽，本发明不涉及精密微纳加工、成本低易于制作、不对晶体进行破坏性加工、可重复使用、可根据需要重新组合搭配，灵活度高。

Description

一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及太赫兹电光采样技术领域，特别涉及一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构及其设计方法。

背景技术

太赫兹技术在超快分子动力学、凝聚态物理等领域拥有广泛的应用前景，同时也是下一代通信技术和医学影像领域重要的技术发展方向。

太赫兹电光采样是近些年发展起来的一种测量太赫兹脉冲的技术。电光采样可用于测量太赫兹脉冲电场强度的时域分布，可以直接获得待测信号不同频率的幅值和相位信息。电光采样技术利用了线性电光效应，本质上是一种二阶非线性过程。线性电光效应也被称普克尔效应，在非中心对称材料中受低频电场作用时，会产生正比于外加电场强度的折射率改变，通过对折射率改变量的测量，可以推算出此时的电场强度，具有这样性质的材料被称为电光晶体。在太赫兹电光采样过程中，让一束可见或近红外脉冲光(即探测光)通过电光晶体，由于太赫兹电场引起的折射率椭球的变化，探测光的偏振态会发生改变，通过测量这一偏振变化，就可以获得电光晶体内的太赫兹电场强度。

电光采样过程需要满足相位匹配条件，即探测光脉冲的群速度要匹配太赫兹的相速度。同时电光晶体要有较大的非线性系数，并在太赫兹及探测光波段没有吸收，这对电光晶体的材料选择给出了一定的限制，常用于电光采样的晶体有GaP，ZnTe等。然而对于有一定厚度的电光晶体，相位匹配限制了其测量太赫兹的频谱范围(带宽)，例如1毫米厚GaP在探测光中心波长为1030纳米时，其测量带宽约为4THz，实际应用时，虽然减小晶体厚度可以增加其测量带宽，但信号强度也会随之降低。

目前已有的解决方案是在电光晶体的表面刻蚀光栅，或利用波导实现相位匹配，但这些方法都要求极高的加工精度，精度需要达到数十纳米量级，导致使用成本较高。同时，加工后电光晶体无法再恢复原样，如果改变了测量带宽则需要新的电光晶体重新加工，从而大大提高了经济和时间成本。

发明内容

针对现有技术存在的太赫兹电光采样过程中，为平衡测量带宽和信号强度而需要付出更高的经济和时间成本的问题，本发明的目的在于提供一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构及其设计方法，以便于至少部分地解决上述问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构，包括依次层叠布置的至少两个电光晶体，每两个相邻的所述电光晶体之间均设置有补偿晶体；其中，所述电光晶体与所述补偿晶体具有相反的色散关系，以便于通过所述补偿晶体来补偿太赫兹光与探测光在所述电光晶体中积累的相位差。

在一优选实施例中，所述太赫兹光及所述探测光在所述补偿晶体中不产生信号。

第二方面，本发明还提供一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、获取太赫兹光的频率Ω及探测光的频率ω；

S2、确定所述电光晶体的类型，以及所述太赫兹光、所述探测光分别在所述电光晶体中的太赫兹折射率n_THz,1、探测光群折射率n_g,1；

S3、根据(式1)及(式2)确定所述电光晶体的厚度；

其中，(式1)根据电光晶体的相位匹配条件得到，l_c为所述电光晶体能够对信号进行叠加增强的相干长度，c为真空光速，C为电光晶体产生信号的大小，l₁为所述电光晶体的厚度且不超过相干长度l_c的4倍，i为虚数单位；

S4、选定所述补偿晶体的类型，以及所述太赫兹光、所述探测光分别在所述补偿晶体中的太赫兹折射率n_THz,2、探测光群折射率n_g,2；

S5、根据(式3)确定所述补偿晶体的厚度；

Δk＝Ω/c(n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂) (式3)；

其中，Δk为波数差，其取值趋近于0，l₂为所述补偿晶体的厚度。

在一优选实施例中，所述方法还包括：

S6、根据(式4)及(式5)确定结构的电光晶体的数量上限；

N[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]_max＜π (式5)

其中，C`为包括至少两个电光晶体的结构所产生的总信号的大小，N为电光晶体的数量，下标max表示在目标太赫兹带宽中[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]的最大值。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明中，由于结构中的电光晶体与补偿晶体具有相反的色散关系，因此能够通过补偿晶体来补偿太赫兹光与探测光在电光晶体中积累的相位差，由于相位差得到补偿，使得信号能够继续在下一个电光晶体中继续增强，从而能够突破单个电光晶体的限制，使得对于宽带太赫兹信号的测量，在保持信号强度的同时，拓宽测量带宽；

相比现有技术中在电光晶体的表面刻蚀光栅的方案或利用波导实现相位匹配的方案，本发明技术方案具有结构简单、不涉及精密微纳加工、成本较低、易于制作的优点；另外，本发明技术方案不对电光晶体进行破坏性加工，易于恢复电光晶体的初始状态，从而能够重复使用，并且能够根据需要重新组合搭配，灵活度高。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例0.5-6THz范围内电光晶体、补偿晶体及准相位匹配结构的累积相位差示意图；

图3为本发明实施例中不同层数电光晶体的信号强度比较示意图；

图4为本发明实施例二的方法流程图；

图5为本发明实施例二中GaP晶体的相干长度示意图。

图中：1-电光晶体、2-补偿晶体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构，如图1所示，包括依次层叠布置的至少两个电光晶体1，每两个相邻的电光晶体1之间均设置有补偿晶体2；其中，电光晶体1与补偿晶体2具有相反的色散关系，以便于通过补偿晶体2来补偿太赫兹光与探测光在电光晶体1中积累的相位差。并且太赫兹光及探测光在补偿晶体2中不产生信号。

本实施例中，具体设置电光晶体1为GaP，补偿晶体2为Si晶体。其中，GaP是一种常用于太赫兹波段的电光晶体，探测光中心波长为1030nm时，在4-10THz低频率波段，太赫兹的折射率大于探测光的群折射率。另一方面，Si是一种常见且易于加工的晶体，在太赫兹波段的折射率小于探测光的群折射率，因此通过Si晶体能够补偿在GaP晶体中累积的相位差，如图2所示。此外，Si晶体在太赫兹波段的折射率与GaP相近，因此能够减少界面反射带来的损失。

如图3所示，其中各条曲线分别为具有层数且单层厚度为300微米的GaP晶体的信号大小比较示意图，其中三条虚线代表的技术方案均采用了本发明实施例提供的异质结构设计(分别具有2-4层厚度为300微米的GaP晶体)，同时图3还展示了厚度为900微米的GaP晶体信号作为参照。可以看出，单层300微米GaP晶体相比于单层900微米GaP晶体，其在更大的带宽下具有较高的信号强度，而采用本发明实施例技术方案对应的曲线则相比于单层300微米GaP晶体在更大的宽带范围下具有更高的信号强度；即在保持信号强度的同时，本发明实施例能够将太赫兹测量带宽从0.5-4THz拓展到0.5-6THz，从而有效拓展了太赫兹电光采样带宽。

实施例二

一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构的设计方法，应用于实施例一公开的结构，如图4所示，该方法包括以下步骤：

S1、获取太赫兹光的频率Ω及探测光的频率ω。

本实施例以探测光的中心波长为1030nm、太赫兹频率以5THz为优化目标进行举例说明。

S2、确定电光晶体的类型，以及太赫兹光、探测光分别在电光晶体中的太赫兹折射率n_THz,1、探测光群折射率n_g,1。

本实施例配置电光晶体的类型为GaP晶体，则如表1所示，太赫兹光在电光晶体中的太赫兹折射率n_THz,1为3.42，探测光在电光晶体中的探测光群折射率n_g,1为3.34。

表1-GaP晶体的折射率明细

S3、根据(式1)及(式2)确定电光晶体的厚度；

其中，太赫兹电光采样时要求探测光波与太赫兹光保持在同一相位，此时探测光脉冲的群速度与太赫兹的相速度匹配，称为相位匹配。满足相位匹配条件时，探测光在穿过电光晶体时产生的信号能叠加增强，而在宽带太赫兹测量中，相位匹配条件实际上无法严格成立，因此定义能叠加增强对应的晶体长度为相干长度l_c，其计算公式即为(式1)，l_c即为电光晶体能够对信号进行叠加增强的相干长度，c为真空光速。

(式2)中，C为电光晶体产生信号的大小，l₁为电光晶体的厚度，i为虚数单位。

联立(式1)和(式2)可知，当电光晶体的厚度l₁达到2l_c并继续增加时，则信号强度不再增加，而信号在电光晶体的厚度l₁达到4l_c时减小到0，因此配置电光晶体的厚度不超过相干长度的四倍。

如图5所示，为GaP晶体在0.5-6THz对应的相干长度，单块GaP晶体的厚度应小于6THz处的相干长度的4倍，即小于400微米，而本实施例选取电光晶体的厚度为300微米。

S4、选定补偿晶体的类型，以及太赫兹光、探测光分别在补偿晶体中的太赫兹折射率n_THz,2、探测光群折射率n_g,2。

本实施例配置补偿晶体的类型为Si晶体，则如表2所示，太赫兹光在补偿晶体中的太赫兹折射率n_THz,2为3.42，探测光在补偿晶体中的探测光群折射率n_g,2为3.87。

表2-Si晶体的折射率明细

S5、根据(式3)确定所述补偿晶体的厚度；

Δk＝Ω/c(n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂) (式3)；

其中，Δk为波数差，其取值趋近于0，l₂为补偿晶体的厚度。

根据(式3)的可知，补偿晶体的厚度l₂为电光晶体的厚度l₁的18％，在电光晶体的厚度l₁选取为300微米的情况下，18％即为54微米，而本实施例中具体选择补偿晶体的厚度l₂为50微米。

可以理解的时，本实施例提供的方法还包括：

S6、根据(式4)及(式5)确定电光晶体的层叠数量上限；

N[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]_max＜π (式5)

其中，C`为包括至少两个电光晶体的结构所产生的总信号大小，N为电光晶体的层叠数量，下标max表示在目标太赫兹带宽中[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]的最大值。

根据计算可以得到，在保持信号强度的情况下，电光晶体的最大层叠数量N应小于或等于3层。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构，其特征在于：包括依次层叠布置的至少两个电光晶体，每两个相邻的所述电光晶体之间均设置有补偿晶体；其中，所述电光晶体与所述补偿晶体具有相反的色散关系，以便于通过所述补偿晶体来补偿太赫兹光与探测光在所述电光晶体中积累的相位差。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述太赫兹光及所述探测光在所述补偿晶体中不产生信号。

3.一种如权利要求1所述的宽带太赫兹电光采样准相位匹配结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取太赫兹光的频率Ω及探测光的频率ω；

S2、确定所述电光晶体的类型，以及所述太赫兹光、所述探测光分别在所述电光晶体中的太赫兹折射率n_THz,1、探测光群折射率n_g,1；

S3、根据(式1)及(式2)确定所述电光晶体的厚度；

其中，(式1)根据电光晶体的相位匹配条件得到，l_c为所述电光晶体能够对信号进行叠加增强的相干长度，c为真空光速，C为电光晶体产生信号的大小，l₁为所述电光晶体的厚度且不超过相干长度l_c的4倍，i为虚数单位；

S4、选定所述补偿晶体的类型，以及所述太赫兹光、所述探测光分别在所述补偿晶体中的太赫兹折射率n_THz,2、探测光群折射率n_g,2；

S5、根据(式3)确定所述补偿晶体的厚度；

Δk＝Ω/c(n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂) (式3)；

其中，Δk为波数差，其取值趋近于0，l₂为所述补偿晶体的厚度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：

S6、根据(式4)及(式5)确定结构中电光晶体的数量上限；

N[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]_max＜π (式5)

其中，C`为包括至少两个电光晶体的结构所产生的总信号的大小，N为电光晶体的数量，下标max表示在目标太赫兹带宽中[n_g,1l₁-n_g,2l₂-n_THz,1l₁+n_THz,2l₂]的最大值。

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