CN201518048U - 一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪，主要包括太赫兹波发生器和探测器。发生器是由非线性光学晶体构成的太赫兹波参量振荡系统-太赫兹波参量振荡器，通过改变谐振腔与泵浦光的夹角，实现太赫兹波的频率调谐；探测器是用同一种非线性光学晶体构成的太赫兹波频率上转换/参量放大系统，入射其上的太赫兹波与泵浦光作用后，基于非线性频率上转换原理，产生与泵浦光波长相近的频率上转换光辐射，测量其输出特性，根据非线性频率转换的能量和动量守恒原理，测量出通过测试样品的太赫兹波输出特性，进而得到样品的太赫兹波频谱。本实用新型体积小、结构简单、成本低、可室温运转，其探测灵敏度高，观测过程直观、迅速和方便。

Description

一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪

技术领域

本实用新型涉及太赫兹波频谱检测光电子技术，特别是涉及一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪。

背景技术

太赫兹波(Terahertz Wave---THz wave)，是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间(30μm-3mm)，是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射源与传统非相干光源相比，具有相干性好、量子能量低、穿透性强等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。

太赫兹波对非极性物质具很高的透射性，通过测量服装、药品、毒品、病毒和建材等非极性材料的透射谱，能够实现对这些材料的无损探测、品质评估和真假甄别，因此基于太赫兹波辐射技术的频谱仪市场前景巨大。当前的太赫兹频谱仪，分为时域频谱系统和频域频谱系统两大类：

A.太赫兹时域光谱系统的核心是首先测量样品的时域谱，再对测量到的信号进行傅立叶变换，得到太赫兹波的频域谱。具体实现方式是：将飞秒激光器输出的激光脉冲分成两束，分别激励太赫兹发生器和探测器。发生器被激光脉冲泵浦后，产生太赫兹波，经样品透射或反射后，入射到探测器上。探测器被激光脉冲泵浦后，产生光电流，入射到探测器上的太赫兹波能对光电流进行调制。通过直接测量光电流，就能间接测量太赫兹波。用延迟光路调整激光脉冲到达探测器的时间Δt，在不同的Δt下测量太赫兹波，就能得到太赫兹波透过样品的时域谱，再对测量到的信号做傅立叶变换，就能间接得到样品的太赫兹透射或反射频谱。这种技术的缺陷是：

(1)作为一种电磁波频谱的间接测量技术，必须配有用于傅立叶变换的信号处理电路，增加了系统的复杂性；

(2)延迟光路的存在，增加了系统的复杂性，降低了系统的稳定性；

(3)飞秒激光器的体积大、成本高，限制了系统的普及推广。使用光纤飞秒激光器的系统可在一定程度上克服体积大的问题，但成本难以降低。

B.太赫兹频域光谱系统的核心是利用频率可调谐的窄带、相干太赫兹辐射源完成频谱的扫描，用太赫兹波能量/功率计测量不同频率的太赫兹波能量，实现频谱的直接测量。其缺陷是：

(1)最常见的太赫兹能量/功率计是热辐射计(Si-Bolometer)，必须工作在液氦温度下，使用成本高昂，工作效率低、难以走出实验室，极大地限制了这种技术的使用；

(2)用热辐射计作为探测器，难以使太赫兹频谱仪向小型化、紧凑型、便携式等方向迈进，缺乏市场竞争力。

实用新型内容

本实用新型的目的是在频域频谱系统内提供一种体积小、结构紧凑、成本低、可室温运转、便携式、集太赫兹波的产生与探测于一体的太赫兹波频谱仪。

一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪，包括太赫兹波发生器、反射镜组和太赫兹波探测器，其特征在于：

太赫兹波发生器包括输入镜3、第一铌酸锂晶体4、输出镜8、棱镜阵列5和旋转平台9，放置于旋转平台(9)上的输入镜3和输出镜8形成谐振腔，谐振腔内放置有第一铌酸锂晶体4，棱镜阵列5位于第一铌酸锂晶体4表面，泵浦光入射到第一铌酸锂晶体4，谐振腔内产生与泵浦光夹角为64～66°的太赫兹波6，太赫兹波6从第一铌酸锂晶体4耦合出去入射到太赫兹波探测器；

反射镜组用于将泵浦光穿过第一铌酸锂晶体4后反射到太赫兹波探测器；

太赫兹波探测器包括第二铌酸锂晶体10、第三铌酸锂晶体11和光电二极管13，第二铌酸锂晶体10为等腰梯形体，从所述第一铌酸锂晶体4出射的太赫兹波入射该等腰梯形体的下底面，所述反射镜组反射的泵浦光入射该等腰梯形体的斜面，太赫兹波与泵浦光在第二铌酸锂晶体10内发生非线性频率上转换产生频率上转换光16，频率上转换光16经过第三铌酸锂晶体11参量放大后被光电二极管13探测。

本实用新型的优点：

(1)基于太赫兹波参量振荡系统所构成的太赫兹源和探测器，具有价格低廉、使用成本低、体积小、结构简单紧凑、可室温运转以及工作效率高等显著特点；

(2)由于本实用新型属于频域频谱系统，不像时域频谱系统那样需要对测量到的信号做傅立叶变换，因此工作过程更为直观、迅速和简便；

(3)利用太赫兹波频率上转换/参量放大系统实现太赫兹波频谱的测量，回避了使用热辐射计，不仅使得设计和实现便携式紧凑型的太赫兹频谱仪成为可能，而且能极大地降低使用成本、提高工作效率，同时探测灵敏度可望比Si-bolometer高一个数量级；

(4)相对于太赫兹时域光谱仪，本实用新型可采用普通的近红外纳秒电光调Q全固态激光器作为泵浦源，而不是飞秒激光器，能够极大地降低成本，易于实现小型化和便携式。

附图说明

图1为本实用新型的太赫兹波发生器结构示意图；

图2为本实用新型的太赫兹波探测器结构示意图；

图3为本实用新型的太赫兹频谱仪整体结构示意图。

具体实施方案

本实用新型包括基于受激电磁耦子散射过程的太赫兹波参量发生器和探测器两大核心部件。用近红外纳秒全固态激光器作为泵浦源，分别激励发生器和探测器。发生器是由非线性光学晶体构成的太赫兹波参量振荡系统---太赫兹波参量振荡器(Terahertz-wave Parametric Oscillator，TPO)。通过在一定范围内改变TPO谐振腔的腔轴与泵浦光的夹角，实现太赫兹波的频率调谐，构成频率可调谐太赫兹源。探测器是用同一种非线性光学晶体构成的太赫兹波频率上转换/参量放大系统。入射其上的太赫兹波同泵浦光作用后，基于非线性频率上转换原理，产生与泵浦光波长相近的频率上转换光辐射，通过测量频率上转换光的输出特性，根据非线性频率转换的能量和动量守恒原理，就能测量出通过测试样品的太赫兹波的输出特性。

以下结合附图和实例，对本实用新型进一步详细描述。

图1为基于太赫兹波参量振荡的太赫兹波发生器TPO的结构示意图。泵浦源1采用全固态Nd:YAG激光器的基频输出光(1064nm)，通过缩束镜2入射到由输入镜3、掺杂氧化镁浓度为5mol％的第一铌酸锂晶体4、输出镜8所构成的太赫兹波参量振荡器TPO中。掺杂氧化镁浓度为5mol％的铌酸锂晶体4按X-Y-Z方式切割；输入镜3为半圆形镜片，镀中心波长为1070nm的高反膜；输出镜8为半圆形镜片，镀中心波长为1070nm的部分透过率膜(透过率T＝5％)。第一铌酸锂晶体4的尺寸为60(x)×10(z)×5(y)mm，两个通光面(Y-Z面)镀中心波长为1070nm的增透膜，并对其侧面(X-Z面)进行光学抛光。谐振腔腔长为150mm，整个装置放置于一旋转平台9上。在满足非共线相位匹配的情况下，TPO在泵浦光的作用下产生在谐振腔内振荡的斯托克斯光7，以及与泵浦光夹角64°-66°的太赫兹波6。由于掺杂氧化镁浓度为5mol％的第一铌酸锂晶体4在太赫兹波段的折射率较大(约为5.2)，因此产生的太赫兹波在晶体内部将发生全反射而被吸收损耗掉。可以通过加装由高电阻率硅(在太赫兹波段折射率约为3.4)制成的棱镜阵列5(硅棱镜切割角为40°、50°、90°)，增大太赫兹波在掺杂氧化镁浓度为5mol％的第一铌酸锂晶体4中的全反射角，从而可以将太赫兹波有效的从晶体4中耦合出去。谐振腔放置在旋转平台9上，通过转动旋转平台9改变泵浦光与谐振腔的夹角θ(0.8°-2°范围)时，能够得到1-3THz连续可调谐的太赫兹波输出。

图2为太赫兹波探测器，探测器由第二铌酸锂晶体10、第三铌酸锂晶体11和光电二极管13构成。该探测器基于非线性频率上转换原理和参量放大原理，通过直接测量产生的与泵浦光波长相近的频率上转换光16的输出特性，来间接确定太赫兹波的输出特性。具体工作原理为：来自上述同一个泵浦源1的泵浦光，与太赫兹波6同时入射到第二铌酸锂晶体10上，所述第二铌酸锂晶体10为等腰梯形，两个斜面和下底面均进行光学抛光，掺杂氧化镁浓度为5mol％。太赫兹波6从等腰梯形铌酸锂晶体10的长平行面正入射，而泵浦光从梯形晶体10的一个斜面正入射。由于泵浦光在第二铌酸锂晶体10中的全反射角约为28°，因此泵浦光将在长平行面与空气的界面上发生全反射。此时，太赫兹波6与反射的泵浦光将在晶体内相互耦合，基于非线性频率上转换原理，差频产生频率上转换光束16。为了增强频率上转换光束16与泵浦光的非线性耦合作用，用第三铌酸锂晶体11(切割方式、尺寸及加工方式与第一铌酸锂晶体4相同，掺杂浓度相同)对频率上转换光束16进行参量放大，提高频率上转换光束16的输出强度。第二铌酸锂晶体10和第三铌酸锂晶体11的通光面都镀1064nm增透膜。由于此耦合作用满足非共线相位匹配过程，泵浦光与频率上转换光束16从第三铌酸锂晶体11出射后，在空间传输一段距离后此两束光会空间分离，泵浦光被吸收体15所屏蔽。通过细微改变泵浦光入射第二铌酸锂晶体10的角度，可实现不同频率的太赫兹波非线性频率上转换的相位匹配，进而可以测量不同频率太赫兹波6。利用反射镜12将频率上转换光束16反射至常规光电二极管13上对其进行直接探测，可以在示波器14上显示出频率上转换光束16的相对强度和时间波形；利用近红外光谱仪，可以测出频率上转换光束16的波长。根据非线性频率变换中的动量守恒和能量守恒定理，并通过求解耦合波方程，可得到太赫兹波6的波长、相对强度和时间特性。

图3为将太赫兹波发生器和探测器组合构成的太赫兹频谱仪。该新型太赫兹频谱仪的具体操作为：泵浦源首先激励太赫兹波发生器TPO，通过转动太赫兹发生器TPO的转台9，产生连续可调谐太赫兹波辐射6；通过太赫兹波发生器的残余泵浦光17经反射镜18、19反射，去激励太赫兹波探测器；通过转动反射镜19使得泵浦光能与连续可调谐太赫兹波6在满足相位匹配条件下发生非线性频率上转换，产生连续可调谐的频率上转换光束16；在太赫兹波传输路径上事先不放置被测样品20，用该频谱仪扫描出频率上转换光束16输出频率与强度的变化曲线，进而得到太赫兹波的频率与强度的变化曲线，作为频谱测量基准；然后再将样品20置于太赫兹波传输路径上，重复上述操作，测得此时通过样品后的太赫兹波频谱，通过归一化处理，得到样品的归一化太赫兹波透射频谱图。为了防止空气中的水分子对太赫兹波辐射6的吸收所造成的对频谱图的影响，可将整个太赫兹频谱系统置于流动的干燥氮气环境中。

Claims (2)

1.一种基于太赫兹波参量过程的太赫兹频谱仪，包括太赫兹波发生器、反射镜组和太赫兹波探测器，其特征在于：

太赫兹波发生器包括输入镜(3)、第一铌酸锂晶体(4)、输出镜(8)、棱镜阵列(5)和旋转平台(9)，放置于旋转平台(9)上的输入镜(3)和输出镜(8)形成谐振腔，谐振腔内放置有第一铌酸锂晶体(4)，棱镜阵列(5)位于第一铌酸锂晶体(4)表面，泵浦光入射到第一铌酸锂晶体(4)，谐振腔内产生与泵浦光夹角为64～66°的太赫兹波(6)，太赫兹波(6)从第一铌酸锂晶体(4)耦合出去入射到太赫兹波探测器；

反射镜组用于将泵浦光穿过第一铌酸锂晶体(4)后反射到太赫兹波探测器；

太赫兹波探测器包括第二铌酸锂晶体(10)、第三铌酸锂晶体(11)和光电二极管(13)，第二铌酸锂晶体(10)为等腰梯形体，从所述第一铌酸锂晶体(4)出射的太赫兹波入射该等腰梯形体的下底面，所述反射镜组将泵浦光反射到该等腰梯形体的斜面，太赫兹波与泵浦光在第二铌酸锂晶体(10)内发生非线性频率上转换产生频率上转换光(16)，频率上转换光(16)经过第三铌酸锂晶体(11)参量放大后被光电二极管(13)探测。

2.根据权利要求1所述的太赫兹频谱仪，其特征在于，所述第一、第二和第三铌酸锂晶体(4)、(10)、(11)的通光面镀增透膜。

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