CN103199409A

CN103199409A - 透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法

Info

Publication number: CN103199409A
Application number: CN2013101147916A
Authority: CN
Inventors: 彭滟; 周云燕; 朱亦鸣; 方丹; 陈向前; 洪淼; 蔡斌; 庄松林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103199409B

Abstract

本发明涉及一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法，包括激光光源，透镜，可翻转靶材安装架，两个高阻硅，三个离轴抛物面镜，金属高反射镜，太赫兹探测***，旋转底座和一维电机，通过调节旋转底座以及靶材安装架和金属高反射镜的翻转，从而实现透射型和反射型太赫兹波产生实验装置之间的快速便捷转换。依据实际实验情况调节靶材安装架的角度及其和金属高反射镜的翻转，实现透射型或反射型太赫兹波产生实验装置之间的快速转换；此外，通过一维电机的移动和底座的旋转，可实现透镜与靶材之间距离及靶材相对入射光角度的调整；适用于各种不同原理的太赫兹波产生方法。

Description

透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法

技术领域

本发明涉及一种电磁波产生技术，特别涉及一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1到10 THz范围的电磁波，在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间。在电子学领域,太赫兹波被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域,它又被称为远红外射线。太赫兹波特殊的电磁波谱位置赋予其多种独一无二的特性，因此太赫兹波在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等多个重要领域具有独特的优越性和巨大的应用前景。

目前，太赫兹脉冲的产生主要分为透射型和反射型两大类。

透射型太赫兹波产生方式，如利用光电导天线来激发太赫兹波的方法。当一束超快激光光束照射光电导天线时，在光电导材料中产生电子-空穴对，自由载流子被偏置电场加速，产生瞬变的光电流。这种快速的、随时间变化的电流能够辐射出太赫兹波。现在，光电导天线已经成为众多实验室广泛使用的太赫兹源。

反射型太赫兹波产生方式，如超短强激光脉冲和固体靶相互作用获得太赫兹波的方法。超短强激光脉冲以一定入射角照射靶材，在其镜面反射方向形成太赫兹波。实验发现，太赫兹波能量、偏振态与超短强激光脉冲能量、偏振态及入射角有关。和辐照中性材料、气体靶相比，超短强激光脉冲与固体靶相互作用得到的太赫兹波辐射峰值功率可提高多个数量级。

总的来说，目前透射型或反射型太赫兹波产生方式已被广泛使用，但大多实验装置只适用其中一种，如果在实验过程中需要调整，不仅需要精确的计算，实验装置的调整也十分繁琐。基于实验上的种种不便捷性，目前还没有可实现透射反射型一体式的太赫兹波产生实验装置出现。

发明内容

本发明是针对现在太赫兹波产生技术方只有透射型或反射型其中一种，若需要进行两种类型间的转换则十分繁琐的问题，提出了一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法，采用可翻转金属高反射镜、带有旋转底座的可翻转靶材安装架和三个离轴抛物面镜，通过调节旋转底座以及靶材安装架和金属高反射镜的翻转，从而实现透射型和反射型太赫兹波产生实验装置之间的快速便捷转换。

本发明的技术方案为：一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置，包括激光光源，透镜，可翻转靶材安装架，第一高阻硅，第一离轴抛物面镜，金属高反射镜，第二离轴抛物面镜，太赫兹探测***，第二高阻硅，第三离轴抛物面镜，旋转底座和一维电机，前后位置的第一高阻硅和第一离轴抛物面镜位于靶材的透射光路上，前后位置的第二高阻硅和第三离轴抛物面镜位于靶材的反射光路上，透镜和第一离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜均共焦，激光光源发出的激光通过透镜后聚焦到搁置在可翻转靶材安装架上的靶材上；可翻转靶材安装架固定在旋转底座上，第二高阻硅、第三离轴抛物面镜、旋转底座固定在一维电机上，第二离轴抛物面镜与第一离轴抛物面镜位于同一直线上，接收第一离轴抛物面镜射出的准直波，太赫兹探测***位于第二离轴抛物面镜的焦点处，接收经第二离轴抛物面镜聚焦的太赫兹波，金属高反射镜将第三离轴抛物面镜射出的准直波反射到第二离轴抛物面镜上。

所述金属高反射镜可选镀有金、银、铝金属膜可实现太赫兹波高反射的镜子。

一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置调整方法，包括透射反射型一体式太赫兹波产生装置，包括如下调整步骤：

1）产生透射型太赫兹波：在将可翻转靶材安装架上安装好太赫兹发射靶材，将可翻转靶材安装架翻到靶材与激光光源入射光垂直位置，金属高反射镜翻下，与第一离轴抛物面镜输出的准直波平行，激光光源发出的超短激光脉冲经过透镜聚焦到靶材后，产生的太赫兹波透过第一高阻硅经第一离轴抛物面镜准直后，再经第二离轴抛物面镜聚焦进入太赫兹探测***；

2）产生透射型太赫兹波：不需要安装靶材，利用气体产生太赫兹波，其他调整如步骤1）；

3）产生反射型太赫兹波：在将可翻转靶材安装架上安装好靶材，将可翻转靶材安装架翻到靶材与激光光源入射光成45度角位置，金属高反射镜翻转上来，与第三离轴抛物面镜输出的准直波成45度角，激光光源发出的超短激光脉冲经过透镜聚焦后入射到靶材上，在其镜面反射方向产生的太赫兹波透过第二高阻硅经第三离轴抛物面镜准直后，由金属高反射镜反射到第二离轴抛物面镜，再经第二离轴抛物面镜聚焦进入太赫兹探测***。

本发明的有益效果在于：本发明透射反射型一体式太赫兹波产生装置及调整方法，构成简单，容易操作。在实际操作过程中，只需要依据实际实验情况调节靶材安装架的角度及其和金属高反射镜的翻转，就可实现太赫兹波产生实验装置的调整，从而实现透射型或反射型太赫兹波产生实验装置之间的快速转换；此外，通过一维电机的移动和底座的旋转，可实现透镜与靶材之间距离及靶材相对入射光角度的调整；该装置对于各种不同原理的太赫兹波产生方法均适用。

附图说明

图1为本发明透射反射型一体式太赫兹波产生装置结构示意图；

图2为本发明透射型太赫兹波产生的装置结构示意图；

图3为本发明反射型太赫兹波产生的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示射反射型一体式太赫兹波产生装置结构示意图，由激光光源1，透镜2，可翻转靶材安装架3，第一高阻硅4，第一离轴抛物面镜5，金属高反射镜6，第二离轴抛物面镜7，太赫兹探测***8，第二高阻硅9，第三离轴抛物面镜10，旋转底座11和一维电机12组成。其中，前后位置的第一高阻硅4和第一离轴抛物面镜5位于靶材的透射光路上，前后位置的第二高阻硅9和第三离轴抛物面镜10位于靶材的反射光路上，透镜2和第一离轴抛物面镜5、第三离轴抛物面镜10均共焦，靶材安装在透镜2焦点前方附近，通过一维电机的移动来调整透镜和靶材之间的距离；第一高阻硅4和第二高阻硅9起阻挡泵浦光、透射太赫兹波的作用。可翻转靶材安装架3固定在旋转底座11上，用于靶材相对入射光角度的调整；第二高阻硅9、第三离轴抛物面镜10、旋转底座11固定在一维电机12上，用于靶材相对透镜的距离改变的同时保证收集太赫兹波的光路不变。第二离轴抛物面镜7与第一离轴抛物面镜5位于同一直线上，接收第一离轴抛物面镜5射出的准直波，太赫兹探测***8位于第二离轴抛物面镜7的焦点处，接收经第二离轴抛物面镜7聚焦的太赫兹波，金属高反射镜是将第三离轴抛物面镜射出的准直波反射到第二离轴抛物面镜上。

如图2所示透射型太赫兹波产生的装置结构示意图，运用透射型太赫兹波产生装置的实验， A.需要安装太赫兹发射靶材的：靶材安装架3翻上来，金属高反射镜6翻下，旋转靶材底座11至合适角度。激光光源1发出的超短激光脉冲经过透镜2聚焦后和靶材相互作用，产生的太赫兹波透过第一高阻硅4经第一离轴抛物面镜5准直后，再经第二离轴抛物面镜7聚焦进入太赫兹探测***8；B.不需要安装靶材的：如利用空气等离子体产生太赫兹波的实验，靶材安装架3和金属高反射镜6都翻下，装置其余部分无需任何调整。

如图3所示反射型太赫兹波产生的装置结构示意图，运用反射型太赫兹波产生装置的实验，靶材安装架3和金属高反射镜6翻转上来，安装好靶材，调整靶材为需要的45度。激光光源1发出的超短激光脉冲经过透镜2聚焦后入射到靶材上，在其镜面反射方向产生的太赫兹波透过第二高阻硅9经第三离轴抛物面镜10准直后，由金属高反射镜6反射到第二离轴抛物面镜7，再经第二离轴抛物面镜7聚焦进入太赫兹探测***8。金属高反射镜6可以是镀有金、银、铝等金属膜可实现太赫兹波高反射的镜子。

透射型太赫兹波产生装置的靶材可选制有微结构的样品或装有液体样品的盒子，反射型太赫兹波产生装置的靶材可选砷化镓/砷镓铟等半导体材料、镀有超薄金属膜的样品，具体视实际实验操作而定；靶材和超短激光脉冲的夹角可以是0-90度间任意值，根据实际实验情况调整靶材安装架3下方的旋转底座11即可，第一次调好后精确记录，以后便可根据底座刻度进行旋转和恢复。可翻转靶材安装架3和第三离轴抛物面镜10固定于一维电机12上，方便依实验要求调整靶材与透镜2之间的距离；且调整过程中，靶材和第三离轴抛物面镜10二者位置保持相对不变。

在下面的实例中，运用透射型太赫兹波产生装置的实验分别以超短激光脉冲和光导天线相互作用产生太赫兹波和空气等离子体产生太赫兹波为例，运用反射型太赫兹波产生装置的实验以超短强激光和砷化镓晶体相互作用产生太赫兹波为例，其他原理的太赫兹波产生与上述实施方法一致。

运用透射型太赫兹波产生装置的实验，飞秒激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率1 KHz，具体调节过程如下：A. 需要安装太赫兹发射靶材的：超短激光脉冲和光导天线相互作用产生太赫兹波。金属高反射镜6翻下，靶材安装架3翻上来，安装好光导天线，旋转靶材底座11至激光垂直入射到其表面。飞秒激光经透镜2聚焦后和光导天线相互作用，利用瞬变电流产生的太赫兹波透过第一高阻硅4经第一离轴抛物面镜5准直后，再经第二离轴抛物面镜7聚焦进入太赫兹探测***8。若要分析透镜和光导天线之间的距离对太赫兹波产生的影响，只需通过控制一维电机12来实现二者之间的距离的调整。B. 不需要安装靶材的：空气等离子体产生太赫兹波。金属高反射镜6和靶材安装架3均翻下。800 nm单频飞秒激光经透镜2聚焦后在空气中激发空气等离子体通道，通过三阶非线性过程产生的太赫兹波透过第一高阻硅4经第一离轴抛物面镜5准直后，再经第二离轴抛物面镜7聚焦进入太赫兹探测***8 。若要分析空气等离子体通道不同位置所产生的太赫兹波特征，也可把靶材安装架3翻上，装上平面基板，通过控制一维电机12的移动来实现基板对空气等离子体通道不同位置所产生的太赫兹波的提取，再利用反射型装置进行收集探测。

运用反射型太赫兹波产生装置的实验，飞秒激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率1 KHz，具体调节过程如下：靶材安装架3和金属高反射镜6翻转上来，安装好砷化镓晶体，飞秒激光经过透镜2聚焦后入射到样品上，调整光路，当样品为实验需要的45度，锁定旋转底座11，同时精确记录刻盘上的相对角度，以便下次精准还原样品角度。在样品镜面反射方向产生的太赫兹波透过第二高阻硅9经第三离轴抛物面镜10准直后，由金属高反射镜6反射到第二离轴抛物面镜7，再经第二离轴抛物面镜7聚焦进入太赫兹探测***8。

Claims

1.一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置，其特征在于，包括激光光源（1），透镜（2），可翻转靶材安装架（3），第一高阻硅（4），第一离轴抛物面镜（5），金属高反射镜（6），第二离轴抛物面镜（7），太赫兹探测***（8），第二高阻硅（9），第三离轴抛物面镜（10），旋转底座（11）和一维电机（12），前后位置的第一高阻硅（4）和第一离轴抛物面镜（5）位于靶材的透射光路上，前后位置的第二高阻硅（9）和第三离轴抛物面镜（10）位于靶材的反射光路上，透镜（2）和第一离轴抛物面镜（5）、第三离轴抛物面镜（10）均共焦，激光光源（1）发出的激光通过透镜（2）后聚焦到搁置在可翻转靶材安装架（3）上的靶材上；可翻转靶材安装架（3）固定在旋转底座（11）上，第二高阻硅（9）、第三离轴抛物面镜（10）、旋转底座（11）固定在一维电机（12）上，第二离轴抛物面镜（7）与第一离轴抛物面镜（5）位于同一直线上，接收第一离轴抛物面镜（5）射出的准直波，太赫兹探测***（8）位于第二离轴抛物面镜（7）的焦点处，接收经第二离轴抛物面镜（7）聚焦的太赫兹波，金属高反射镜（6）将第三离轴抛物面镜（10）射出的准直波反射到第二离轴抛物面镜（7）上。

2.根据权利要求1所述透射反射型一体式太赫兹波产生装置，其特征在于，所述金属高反射镜（6）可选镀有金、银、铝金属膜可实现太赫兹波高反射的镜子。

3.一种透射反射型一体式太赫兹波产生装置调整方法，包括透射反射型一体式太赫兹波产生装置，其特征在于，包括如下调整步骤：

1）产生透射型太赫兹波：在将可翻转靶材安装架（3）上安装好太赫兹发射靶材，将可翻转靶材安装架（3）翻到靶材与激光光源（1）入射光垂直位置，金属高反射镜（6）翻下，与第一离轴抛物面镜（5）输出的准直波平行，激光光源（1）发出的超短激光脉冲经过透镜（2）聚焦到靶材后，产生的太赫兹波透过第一高阻硅（4）经第一离轴抛物面镜（5）准直后，再经第二离轴抛物面镜（7）聚焦进入太赫兹探测***（8）；

3）产生反射型太赫兹波：在将可翻转靶材安装架（3）上安装好靶材，将可翻转靶材安装架（3）翻到靶材与激光光源（1）入射光成45度角位置，金属高反射镜（6）翻转上来，与第三离轴抛物面镜（10）输出的准直波成45度角，激光光源（1）发出的超短激光脉冲经过透镜（2）聚焦后入射到靶材上，在其镜面反射方向产生的太赫兹波透过第二高阻硅（9）经第三离轴抛物面镜（10）准直后，由金属高反射镜（6）反射到第二离轴抛物面镜（7），再经第二离轴抛物面镜（7）聚焦进入太赫兹探测***（8）。