CN103776795B - 一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、成像透镜、MgO：LiNbO₃晶体、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器、单光子计数器、符合测量装置及计算机；从泵浦光源出射的泵浦光通过半波片和偏振分束器入射成像透镜，形成波面为球面形的会聚光束，激励MgO：LiNbO₃晶体产生具有纠缠性质的太赫兹波光子和斯托克斯光子。在太赫兹光子传输路径上放置待成像物体、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器。在斯托克斯光子传输路径上，放置加有光纤的单光子探测器接收其光子，并做空间成像扫描。太赫兹单光子探测器和单光子探测器输出的信号进入符合测量装置，并用计算机成像。

Description

一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子学技术领域，具体涉及一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠太赫兹波成像装置。

背景技术

太赫兹波是一种处于波长30μm-3mm范围内的电磁波，是一种非常具有科学研究价值的电磁波辐射。它对大多数非极性材料、沙尘、塑料聚合物、木板、纸张、半导体材料等都具有较高的穿透性，并且太赫兹波光子的能量仅为X射线光子的能量1/10⁶，不会对生物组织产生有害的电离，因此太赫兹波成像技术目前已被广泛的应用于安全检查、武器制导、反恐、生物医学成像等应用技术中，它因此也成为了声学成像技术、红外成像技术和X射线成像技术的有益补充。

目前，常见的太赫兹波成像技术主要是太赫兹波时域光谱成像技术和连续太赫兹波成像技术。太赫兹波时域光谱成像技术主要是通过对含有成像物体信息的超短太赫兹波脉冲从时域到频域的变换，就可获得到它的强度和相位的空间分布信息，进而可得到物体的太赫兹波图像，以及物体的空间密度分布、折射率等信息。然而，这种太赫兹波成像***光路结构较为复杂，光路稳定性较差，用来产生太赫兹波的飞秒激光器价格昂贵。连续太赫兹波成像技术，是通过记录太赫兹波透过物体（或经物体反射）后的强度信息来实现成像。与时域光谱成像***相比，在成像数据采集和处理方式上较为简单、迅速，成像***结构也相对简单。这种成像技术的主要缺点是图像信息量少，在实验中太赫兹波在光路中的多次反射会发生相干叠加，导致图像中可能存在干涉条纹。

在上述两种常见的太赫兹波成像技术中，还都存在有如下不足：（1）当携带成像物体信息的太赫兹波在空间传输时，很容易受到外界环境，诸如空气流动、湿度变化、烟尘等的随机干扰，成像***的抗干扰能力较差；（2）由于常用的太赫兹波辐射源的波长一般为百微米或毫米量级，因此根据瑞利衍射极限原理，成像分辨率一般也为相同数量级。

在中国专利（申请号201210548593.6），公开了一种基于双光子纠缠的太赫兹波成像装置，其中的成像透镜在第一种成像***组合中是置于太赫兹光子传输路径中，在第二种成像***组合中是置于斯托克斯光子传输路径中。在这两种成像组合中，在给定的待成像物***置和成像扫描面位置的情况下，成像公式限定了成像透镜在太赫兹光子传输路径或斯托克斯光子传输路径中的摆放位置。这种成像透镜是置于纠缠双光子传输路径中的成像装置，在实际成像操作中较为不便，限制了这种成像装置在实际中的应用。而且，在第一种成像组合中，置于太赫兹光子传输路径的成像透镜，一般是由白色聚乙烯材料或TPX材料制成，不可避免的会对太赫兹光子有一定的损耗，这对成像是较为不利的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，该装置结构简单、非定域式、分辨率高、抗干扰能力强。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、成像透镜、MgO：LiNbO₃晶体、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器、单光子计数器、符合测量装置、计算机；

从泵浦光源出射的泵浦光通过半波片和偏振分束器后，入射成像透镜，形成波面为球面形的会聚光束，激励MgO：LiNbO₃晶体产生具有纠缠性质的太赫兹波光子和斯托克斯光子，其中：

在太赫兹光子传输路径上放置待成像物体、太赫兹光子收集透镜、窄带滤波片、太赫兹单光子探测器；在斯托克斯光子传输路径上，放置加有光纤尾纤的单光子探测器接收其光子，并可做空间成像扫描。

所述成像透镜为凸透镜。

所述成像透镜的材质首选K9玻璃或BK7玻璃。

所述MgO：LiNbO₃晶体为X-Y-Z方式切割，在泵浦光出射端有一25°的切割角；在两个Y-Z面光学抛光，并镀与泵浦光波长相应的增透膜。

所述泵浦光尽量靠近MgO:LiNbO₃晶体切割角处切割面与Y-Z面的交界处。

所述太赫兹光子收集透镜由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

所述符合测量装置由时幅转换仪和多通道分析仪组成。

本发明的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，具有操作灵活、结构简单、抗干扰能力强、分辨率高、非定域式的等优点，可广泛用于军事侦察、遥感、生物医学成像、安全反恐等领域，应用前景巨大。与现有常见的太赫兹波成像技术相比，具有以下优点：

（1）在这种太赫兹成像技术中，成像透镜是置于泵浦光传输路径上，确切地说是置于偏振分束器与产生纠缠双光子的MgO：LiNbO₃晶体之间，而不是置于太赫兹光子或斯托克斯光子的传输路径上。其常用材质（K9玻璃或BK7玻璃）对泵浦光的吸收很小，基本可以忽略不计，对整个成像***影响很小，保证了成像质量，在一定程度上也降低了对实验条件的要求。

（2）这种采用球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，所采用成像公式，决定了待成像物体、成像扫描面和透镜的放置位置更为灵活，提高了该成像装置在实际应用中的操作灵活性和适用性。

附图说明

图1是本发明的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置的结构示意图。

图2是MgO：LiNbO₃晶体的切割方式示意图。

图3是泵浦光光子的波矢、斯托克斯光子的波矢和太赫兹光子的波矢满足的非共线相位匹配示意图。

图中的标号分别表示，1、Nd：YAG激光器，2、半波片，3、偏振分束器，4、成像透镜，5、MgO：LiNbO₃晶体，6、太赫兹光子，7、待成像物体，8、太赫兹光子收集透镜，9、窄带滤波片，10、太赫兹单光子探测器，11、斯托克斯光子，12、单光子计数器，13、符合测量装置，14、计算机。

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详述。

具体实施方式

参见图1，本实施例中，泵浦光源1是脉冲激光器，其波长不作限定，只要不为MgO：LiNbO₃晶体5吸收即满足要求，首选电光调Q脉冲Nd:YAG激光器。

利用电光调Q脉冲Nd：YAG激光器1的基频光（波长为λ_P）作为泵浦光源，泵浦光的偏振方向平行于MgO：LiNbO₃晶体5的Z轴方向。泵浦光通过半波片2和偏振分束器3后，被焦距为f的成像透镜4会聚，形成波面为球面的泵浦光，然后入射至MgO:LiNbO₃晶体5（掺杂浓度为5%mol）中。通过旋转半波片2，控制入射至MgO：LiNbO₃晶体5中的泵浦光能量，从而产生非简并双光子纠缠的太赫兹波光子6（波长为λ_T）和斯托克斯光子11（波长为λ_S）。成像透镜4到MgO：LiNbO₃晶体5的太赫兹光子和斯托克斯光子的输出端的距离为d。

MgO：LiNbO₃晶体5切割方式如图2所示。由于在太赫兹波光子6和斯托克斯光光子11产生过程中，泵浦光光子的波矢k_Pump、斯托克斯光子的波矢k_Stokes和太赫兹光子的波矢k_THz满足非共线相位匹配过程（如图3所示），且太赫兹光子波矢与泵浦光光子波矢夹角较大（约65°）。在MgO:LiNbO₃晶体5的泵浦光出射端切割一角，如图2所示，切割角度为25°，使产生的太赫兹波光子6从切割面处垂直出射。切割面进行光学抛光。同时，产生的斯托克斯光子11将从MgO:LiNbO₃晶体5的Y-Z面处出射。泵浦光尽量靠近MgO:LiNbO₃晶体5的切割面与Y-Z面的交界处，以缩短太赫兹波光子在晶体中的传输路径。对两个Y-Z通光面进行光学抛光，并镀与泵浦光波长相对应的增透膜。

在太赫兹波光子6的传输路径上放置待成像物体7。从MgO：LiNbO₃晶体5切割面到待成像物体7的距离为Z₁。携带物体信息的太赫兹波光子被一由高密度白色聚乙烯或TPX材料制成的太赫兹光子收集透镜8会聚，在其焦点处放置太赫兹单光子探测器10。在太赫兹单光子探测器10前加一窄带滤波片9，用以滤除杂散光。

在斯托克斯光子11的传输路径上放置一加有光纤尾纤的单光子探测器12，该单光子探测器可做垂直于斯托克斯光子传输路径的平面成像扫描。从MgO：LiNbO₃晶体5的斯托克斯光子输出面到单光子探测器12扫描平面的距离为Z₂。太赫兹单光子探测器10和单光子探测器12输出的信号进入由时幅转换仪和多通道分析仪组成的符合测量装置13，并用计算机14进行成像数据采集。当满足如下成像公式时：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_P}{Z_1{\mathrm{\λ}}_T}+\frac{{\mathrm{\λ}}_P}{Z_2{\mathrm{\λ}}_S}=\frac{1}{f-d}$

便可获得清晰的像。

需要说明的是，上述以实施例是本发明的优选方式，应当理解为通过上述实施例用于本领域的技术人员更进一步的理解本发明，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在上述实施例给出的技术方案基础上，所作出的添加和等效替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，包括泵浦光源(1)、半波片(2)、偏振分束器(3)、成像透镜(4)、MgO：LiNbO₃晶体(5)、太赫兹光子收集透镜(8)、窄带滤波片(9)、太赫兹单光子探测器(10)、单光子探测器(12)、符合测量装置(13)、计算机(14)；

从泵浦光源(1)出射的泵浦光通过半波片(2)和偏振分束器(3)后，入射成像透镜(4)，形成波面为球面形的会聚光束，激励MgO：LiNbO₃晶体(5)产生具有纠缠性质的太赫兹波光子(6)和斯托克斯光子(11)；其中：

在太赫兹光子(6)传输路径上放置待成像物体(7)、太赫兹光子收集透镜(8)、窄带滤波片(9)、太赫兹单光子探测器(10)；在斯托克斯光子(11)传输路径上，放置加有光纤尾纤的单光子探测器(12)接收其光子，并可做空间成像扫描；

太赫兹单光子探测器(10)和单光子探测器(12)分别连接符合测量装置(13)，符合测量装置(13)连接计算机(14)；

所述MgO：LiNbO₃晶体(5)为X-Y-Z方式切割，并在泵浦光出射端有一25°的切割角，切割面光学抛光。

2.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述成像透镜(4)为凸透镜。

3.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述成像透镜(4)的材质选择K9玻璃或BK7玻璃。

4.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述MgO：LiNbO₃晶体(5)在两个Y-Z面光学抛光，并镀与泵浦光波长相应的增透膜。

5.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述泵浦光是尽量靠近MgO:LiNbO₃晶体(5)切割角处切割面与Y-Z面的交界处。

6.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述太赫兹光子收集透镜(8)由高密度白色聚乙烯或TPX材质制成。

7.如权利要求1所述的球面波泵浦的太赫兹-斯托克斯双光子纠缠成像装置，其特征在于，所述符合测量装置(13)由时幅转换仪和多通道分析仪组成。