CN102879971A - 一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，采用偏振门方法，以一束超快激光脉冲通过可移动的双折射晶体斜劈对和零阶1/4波片，产生偏振特殊的新光场。新光场再通过起偏器，便得到一个具有线偏振的窄脉冲宽度的激光脉冲。通过控制双折射晶体斜劈对的***量来得到不同宽度的激光脉冲，从而实现调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的功能。装置简单，容易操作，只需要把双折射晶体斜劈对的两块晶体同时向相反方向移动相同的距离，就可实现新激光脉冲宽度的改变，从而调整太赫兹波的中心频率和频谱宽度；该方法对于各种脉冲宽度和波长的光源都是适用的。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波调整技术，特别涉及一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法。
背景技术
近几十年来，太赫兹波以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。太赫兹辐射是频率在0.1到10 THz范围的电磁波，这一波段位于微波与红外之间，具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。目前，主要的应用研究有太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术、安全检查、太赫兹雷达、天文学、通信技术。
目前，宽带太赫兹脉冲的产生主要有光电导天线激发、光整流方法和非线性传输线这三种方法。
光电导天线激发是利用光子能量大于半导体材料禁带宽度的超短激光脉冲泵浦电场偏置的半导体,使其内部激发载流子,产生电子-空穴对。它们在外加电场作用下加速运动，形成一个瞬态光电流，然后通过一个天线在短时间内向自由空间传播太赫兹电磁波。探测和产生所用的设备相同，只是光电导体不需要加偏置电压。太赫兹电磁波发射***的性能主要决定于三个因素: 光电导体、天线几何结构和泵浦激光脉冲宽度。一般情况下给出的泵浦激光脉冲的中心频率和宽度是确定的，因此产生的太赫兹波的中心频率和频谱宽度就唯一确定了。此方法存在不能随意调节所产生的太赫兹波中心频率和频谱宽度的缺点。
光整流方法是利用电光晶体作为非线性介质，利用皮秒量级的激光脉冲泵浦ZnTe等电光晶体，通过二阶或高阶非线性光学过程来产生低频电极化场，由此辐射出太赫兹电磁波。其中的物理过程是瞬时极化过程，要求一束超短激光脉冲聚焦在电光材料上。光整流的关键问题是相位匹配, 它可以放大激光和太赫兹脉冲在非线性材料中的相互作用以及增强太赫兹产生效果。常用的非线性介质有LiNbO3、LiTaO3、半导体GaAs、InTe、InP和有机晶体DAST等。但通过这种方法得到的太赫兹电磁波的中心频率较低。
非线性传输线是分布式的装置,由一个高阻抗的传输线周期性地加载非线性元件。非线性元件通常为肖特基变容二极管。由于非线性特性和固有散射之间的平衡,在装置内产生振荡波或者孤子波,可以产生一定频率的太赫兹电磁波辐射。
另一方面，窄带太赫兹脉冲的产生目前主要通过光学参量转换光混频的方法得到。光学非线性晶体,例如LiNbO3,在近红外区被较强的脉冲激光泵浦时,会产生受激极化散射现象。频率为Wp的泵浦光激发非线性晶体时,产生一个频率为Wi的光。两束激光(其中至少一个为连续可调)在光导体内进行光混频,可以产生一个频率为它们差值的光电流，若频率在太赫兹范围内，则光电流可以通过天线自由辐射,形成太赫兹电磁波辐射。通过改变泵浦光的入射角可以得到不同频率的太赫兹电磁波。但整个装置对器件和激光的要求较高，造价昂贵，且要想得到不同中心频率和频谱宽度的太赫兹波不太容易实现。
总的来说，目前已有的太赫兹脉冲产生技术方法大多只能产生单一中心频率和一定频谱宽度的太赫兹波。如果在实验过程中需要调整，不仅需要精确的计算，实验装置的调节也非常繁琐。基于这些实验上的种种不便捷性，目前还没有可连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的实验装置出现。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹脉冲产生技术方法大多只能产生单一中心频率和一定频谱宽度的太赫兹波，调整频率和频谱宽度困难的问题，提出了一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，采用偏振门方法，以一束超快激光脉冲通过可移动的双折射晶体斜劈对和零阶1/4波片，产生偏振特殊的新光场。新光场再通过起偏器，便得到一个具有线偏振的窄脉冲宽度的激光脉冲。通过控制双折射晶体斜劈对的***量来得到不同宽度的激光脉冲，从而实现调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的功能。
本发明的技术方案为：一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，飞秒激光器输出的初始激光脉冲，通过可移动的双折射晶体斜劈对，初始激光脉冲被分成偏振相互垂直、具有时间延迟的两束线偏振激光，依次经过零阶1/4波片、起偏器、聚焦透镜、倍频晶体后得到初始太赫兹波辐射；把双折射晶体斜劈对的两块晶体同时向相反方向移动相同的距离，分解得到与前时间延迟不同的两束线偏振激光，新得时间延时的两束线偏振激光依次通过一块零阶1/4波片，形成一个左旋和一个右旋偏振光，时域上则合成为新光场；新光场经过起偏器，得到一个线偏振的新脉冲宽度的激光脉冲，新的激光脉冲通过聚焦透镜聚焦，再通过位于聚焦透镜聚焦焦点前端的倍频晶体，在焦点附近产生等离子体，形成频谱宽度不同于初始太赫兹波辐射的新太赫兹波辐射进入太赫兹探测***。
所述双折射晶体斜劈对可以是由各种单轴双折射晶体制备得到，双折射晶体可选方解石晶体、石英晶体或者红宝石晶体，双折射晶体斜劈对的光轴与初始激光脉冲的偏振方向成45°夹角，初始激光脉冲通过双折射晶体斜劈对后被分成的两束线偏振激光强度相等。
所述零阶1/4波片的光轴与初始激光脉冲的偏振方向一致。
所述起偏器偏振方向与初始激光脉冲的偏振方向一致。
所述倍频晶体可选BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。
本发明的有益效果在于：本发明是一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，装置简单，容易操作，可以自由调节双折射晶体斜劈对的***量。在实际操作过程中，只需要把双折射晶体斜劈对的两块晶体同时向相反方向移动相同的距离，就可实现新激光脉冲宽度的改变，从而调整太赫兹波的中心频率和频谱宽度；该方法对于各种脉冲宽度和波长的光源都是适用的。
附图说明
图1为本发明实现连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的装置结构示意图；
图2为本发明连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法中偏振门原理示意图；
图3为本发明连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法中新光场示意图。
具体实施方式
如图1所示实现连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的装置结构示意图，由激光器1，双折射晶体斜劈对2，零阶1/4波片3，起偏器4，聚焦透镜5，倍频晶体6，太赫兹探测***7组成。在激光器1的出口处放置一块双折射晶体斜劈对2，将初始激光脉冲分成偏振相互垂直、具有一定时间延迟的两束线偏振激光。由于双折射晶体斜劈对2的光轴与初始激光脉冲的偏振方向成45°夹角，所以分成的两束线偏振激光强度相等。两束线偏振激光依次通过一块零阶1/4波片3，形成一个左旋和一个右旋偏振光，时域上则合成为偏振特殊的光场。这个光场的偏振随着时间而变化，脉冲前沿为圆偏振，到达两束光时域重合处时左右旋偏振相互抵消变为线偏振，随后再逐渐变成圆偏振。光场经过起偏器4，得到一个窄脉冲宽度的线偏振激光脉冲。所得线偏振激光脉冲的宽度与双折射晶体斜劈对2的***量有关。激光脉冲再经过聚焦透镜5、倍频晶体6，在空气中形成拉丝，产生等离子体，于是形成太赫兹波辐射，进入太赫兹探测***7。此时得到的太赫兹波频谱宽度要远大于由初始激光脉冲直接得到的太赫兹波频谱宽度，中心频率也会相应地发生改变。
初始激光脉冲可以是各种脉冲宽度的光脉冲。双折射晶体斜劈对2可以是由各种单轴双折射晶体制备得到，进入双折射晶体斜劈对2后，分成的两束线偏振激光一束为o光，一束为e光，双折射晶体斜劈对不可太厚，以防分解所得的o光和e光在时域上完全分开，双折射晶体可以是方解石晶体、石英晶体或者红宝石晶体，其光轴与初始激光脉冲的偏振方向成45°夹角。零阶1/4波片3，其光轴与初始激光脉冲的偏振方向一致。起偏器4，其偏振方向与初始激光脉冲的偏振方向一致。倍频晶体6可以是BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。
在下面的实施例中，以输出光中心波长为800 nm的激光器为例，其他波段与该波段的实施方法一致。
激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为40 fs，重复频率1 KHz，以BBO倍频晶体6获得400 nm的倍频光为例，具体实现太赫兹波中心频率和频谱宽度的调节过程如下：由飞秒激光器1输出的初始激光脉冲，如图2所示偏振门原理示意图，通过可移动的双折射晶体斜劈对2，初始激光脉冲被分成偏振相互垂直、具有一定时间延迟的两束线偏振激光；把双折射晶体斜劈对2的两块晶体同时向相反方向移动相同的距离，即改变了双折射晶体斜劈对2的***量，则双折射晶体的厚度随之改变，导致分解所得的两束线偏振激光之间的延时发生变化；新得的两束线偏振激光依次通过一块零阶1/4波片3，形成一个左旋和一个右旋偏振光，如图3所示新光场示意图，时域上则合成为偏振特殊的新光场；这个新光场的偏振随着时间而变化，脉冲前沿为圆偏振，到达两束光时域重合处，强度相等的左右旋偏振光相互抵消变为线偏振，随后再逐渐变成圆偏振；新光场经过起偏器4，得到一个线偏振的窄脉冲宽度的激光脉冲。所得线偏振激光脉冲的宽度与双折射晶体斜劈对2的***量有关。以石英材料、斜劈对的倾斜角为10°、***量的变化从0.1到1 mm的双折射晶体斜劈对为例，所得线偏振激光脉冲的脉冲宽度变化量将在1到10 fs之间连续变化。此时的激光脉冲中心波长仍在800 nm处，但脉冲宽度小于初始激光脉冲的宽度。新的激光脉冲通过聚焦透镜5聚焦。BBO倍频晶体6位于激光焦点的前端，通过BBO倍频晶体6的激光脉冲产生400 nm的光源。然后利用光学混频在空气中产生太赫兹辐射。由于线偏振激光脉冲的脉冲宽度可连续改变，因此产生的太赫兹波的中心频率和频谱宽度也可被连续调节。在整个实验过程中，调控的参数为双折射晶体斜劈对的***量。
Claims (5)
1.一种连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，其特征在于，飞秒激光器输出的初始激光脉冲，通过可移动的双折射晶体斜劈对，初始激光脉冲被分成偏振相互垂直、具有时间延迟的两束线偏振激光，依次经过零阶1/4波片、起偏器、聚焦透镜、倍频晶体后得到初始太赫兹波辐射；把双折射晶体斜劈对的两块晶体同时向相反方向移动相同的距离，分解得到与前时间延迟不同的两束线偏振激光，新得时间延时的两束线偏振激光依次通过一块零阶1/4波片，形成一个左旋和一个右旋偏振光，时域上则合成为新光场；新光场经过起偏器，得到一个线偏振的新脉冲宽度的激光脉冲，新的激光脉冲通过聚焦透镜聚焦，再通过位于聚焦透镜聚焦焦点前端的倍频晶体，产生等离子体，形成频谱宽度不同于初始太赫兹波辐射的新太赫兹波辐射，最后进入太赫兹探测***。
2.根据权利要求1所述连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，其特征在于，所述双折射晶体斜劈对可以是由各种单轴双折射晶体制备得到，双折射晶体可选方解石晶体、石英晶体或者红宝石晶体，双折射晶体斜劈对的光轴与初始激光脉冲的偏振方向成45°夹角，初始激光脉冲通过双折射晶体斜劈对后被分成的两束线偏振激光强度相等。
3.根据权利要求1所述连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，其特征在于，所述零阶1/4波片的光轴与初始激光脉冲的偏振方向一致。
4.根据权利要求1所述连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，其特征在于，所述起偏器偏振方向与初始激光脉冲的偏振方向一致。
5.根据权利要求1所述连续调节太赫兹波中心频率和频谱宽度的方法，其特征在于，所述倍频晶体可选BBO晶体，LBO晶体或者KTP晶体。
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