CN106936054A - 一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法 - Google Patents

一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其目的在于解决现有技术利用共线相位匹配高效激发太赫兹波存在的难题。采用的方案是：将亚波长波导铁电材料作为太赫兹波辐射源，让激光器产生的飞秒激光脉冲聚焦于亚波长波导侧面，通过冲击受激拉曼散射产生太赫兹脉冲；在亚波长波导作用下，特定波长的太赫兹波和飞秒激光之间满足长距离的相位匹配，产生窄带、放大的太赫兹波；通过相衬成像得到太赫兹时域瞬态光谱；利用计算机上相关计算软件对其进行快速傅里叶变换，得到放大的窄带太赫兹波频谱。本发明具有装置简单易操控、太赫兹波带宽窄且效率高的特点，可提高探测的灵敏度和精度。

Description

一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波产生技术领域，特别涉及一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器和检测的方法。
背景技术
太赫兹波频段处于微波和红外线之间，即0.1THz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，具有一系列特殊的性质，譬如：瞬态性、低能性、穿透性、高带宽以及不会产生有害生物电离的安全性等，这使得太赫兹波在生物分子监测、国防安全、医疗诊断、无损成像、安检等领域具有广阔的应用前景。而窄带太赫兹波的产生对于提高探测的灵敏度特别重要。
目前，产生窄带相干太赫兹波的方法有很多，譬如：自由电子激光器、量子级联激光器、切伦科夫非共线相位匹配以及太赫兹波和飞秒激光共线相位匹配等等。尤其是共线相位匹配，可以实现长相互作用和能量的有效提取。但由于太赫兹波和飞秒激光速度不同，随着传输两者发生偏离，使得相位匹配的实现仍然比较困难，从而限制了相干窄带太赫兹波的高效激发。
发明内容
本发明旨在解决现有技术利用各向异性的非线性晶体实现共线相位匹配的难题，提供了一种亚波长波导侧向激发和探测***，特定波长的太赫兹波和飞秒激光满足了长距离共线相位匹配，从而实现了窄带太赫兹波的加强。
为实现上述目的，本发明采用的方案是：
(1)采用亚波长波导铁电材料作为太赫兹波辐射源，垂直固定在柱透镜后面；
(2)启动飞秒激光器，产生飞秒激光脉冲，激光脉冲通过分束镜产生泵浦光和探测光；
(3)泵浦光经柱透镜会聚于亚波长波导侧面，通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波；
(4)根据有效折射率方法，在亚波长波导中，特定波长的太赫兹波和飞秒激光之间满足长距离的相位匹配，实现窄带太赫兹波的产生和放大；
(5)由于光克尔效应和光折变效应，太赫兹波引起波导内折射率分布改变，探测光经BBO晶体倍频、滤波片滤去基频信号以及小孔***滤波整形，入射到亚波长波导表面，将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中，经过4F***，转化为强度信息，再经延迟线调整可在CCD上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号；
(6)利用计算机上相关计算软件对太赫兹时域脉冲信号做快速傅里叶变换，得到放大的窄带太赫兹波频谱。
其中，步骤(1)中亚波长波导铁电材料是指厚度在0.3-300μm的材料，材料属性为铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂。
优选地，步骤(2)中飞秒激光脉冲的波长为紫外至近红外，重复频率是1Hz-100MHz，脉宽可为5-1000fs。
优选地，步骤(2)中泵浦光的平均功率密度最低不小于4W/cm2，最高不超过亚波长波导铁电材料损伤阈值，且铁电材料损伤阈值对于不同材料数值不同，如对于全同铌酸锂的阈值是50KW/cm2，对于掺镁铌酸锂的阈值超过1000KW/cm2。
优选地，步骤(3)中泵浦光入射到亚波长波导上的入射角不超过±10°，聚焦光斑大小可为10-150μm。
优选地，步骤(3)中亚波长波导侧面是指结构的亚波长厚度方向和高度方向构成的二维平面。
步骤(4)中长距离相位匹配是指泵浦光聚焦于亚波长波导侧面，激发出宽谱的太赫兹波。太赫兹波在亚波长波导限制下，有效折射率会小于在体材料中的折射率，且不同频率对应的折射率不同；对泵浦光而言，波导厚度远大于飞秒激光波长，其折射率可认为是常数。因此，在波导厚度一定时，总有特定频率的太赫兹波具有和飞秒激光相同的折射率，从而窄线宽的太赫兹波得以产生。另外，侧向激发结构为太赫兹波和飞秒激光干涉相长提供了足够长的距离，有效的实现了窄带太赫兹波的放大。因此，长距离相位匹配需满足的条件：
并且在太赫兹传输方向有足够长距离干涉相长。其中，是频率f的太赫兹波在亚波长波导中的有效相折射率，是泵浦光在波导中的群折射率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明由于采用亚波长波导的结构，有效改变了太赫兹波的有效折射率，使得在铌酸锂中太赫兹波和飞秒激光的共线相位匹配成为可能，这为窄带太赫兹波的产生提供了一种更为简洁的方案；
本发明由于采用侧向激发的***，能实现太赫兹波的不断加强，有效降低了***的复杂性，提高了***的稳定性，可实现窄带太赫兹波的产生和放大。
本发明具有装置简单、成本低、源材料易获取、太赫兹脉宽窄、效率高的特点。
附图说明
图1为侧向激发窄带太赫兹波实验装置图
图2为侧向激发的结构示意图
图3为一个实施例的相位匹配的原理图
图4为一个实施例的窄带太赫兹波的频谱图
附图标号如下：
1-飞秒激光器、2-分束镜、3-BBO、4-滤波片、5-第一反射镜、6-延迟线、7-小孔滤波***、8-第四反射镜、9-第五反射镜、10-第六反射镜、11-柱透镜、12-太赫兹波辐射源、13-4F***、14-CCD、15-计算机、a-泵浦光、b-太赫兹波。
具体实施方式
本发明提出一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，下面结合附图，对本发明的方案做进一步说明。
如图1所示，本发明的装置包括飞秒激光器1、分束镜2、BBO晶体3、滤波片4、第一反射镜5、第二反射镜和第三反射镜构成延迟线6、小孔滤波***7、第四反射镜8、第五反射镜9、第六反射镜10、柱透镜11、太赫兹波辐射源12、4F***13、CCD 14和计算机15。
附图2为侧向激发的结构示意图，其中a为泵浦光，b为太赫兹波。
本发明的实施步骤：
(1)采用亚波长波导作为太赫兹辐射源12，垂直固定在柱透镜11后面，亚波长波导铁电材料是指厚度在0.3-300μm的材料，材料属性为铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂；
(2)启动飞秒激光器1，产生飞秒激光脉冲，波长可为紫外至近红外、重复频率1Hz-100MHz、脉宽5-1000fs，激光脉冲通过分束镜2产生泵浦光和探测光；
(3)泵浦光经第四反射镜8、第五反射镜9和第六反射镜10反射，再经柱透镜11线聚焦于太赫兹波辐射源12侧面，通过冲击受激拉曼散射产生太赫兹波；
(4)根据有效折射率方法，在亚波长波导中，特定波长的太赫兹波和飞秒激光之间满足长距离的相位匹配，从而实现窄带太赫兹波的产生和放大；
(5)由于光克尔效应和光折变效应，太赫兹波引起波导内折射率分布改变，探测光通过BBO晶体3倍频、滤波片4滤掉基频信号，再经过第一反射镜5、延迟线6，进入小孔滤波***7滤掉探测光高频成分，入射到太赫兹波辐射源12表面，将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中，通过4F***13，转化为强度信息，通过动态移动延迟线，可在CCD 14上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号；
(6)利用计算机15上相关计算软件对太赫兹时域脉冲信号做快速傅里叶变换，得到放大的窄带太赫兹波频谱。
在上述步骤(2)中泵浦光的平均功率密度最低不小于4W/cm2，最高不超过亚波长波导铁电材料损伤阈值，且铁电材料损伤阈值对于不同材料数值不同。
在上述步骤(3)中泵浦光入射到亚波长波导上的入射角不超过±10°，聚焦光斑大小可为10-150μm。
参见图2，在上述步骤(4)中长距离相位匹配是指泵浦光聚焦于亚波长波导侧面，激发宽谱太赫兹波。由于亚波长波导厚度限制，太赫兹波的有效折射率会小于在体材料中的折射率，且不同频率对应的折射率不同；而对泵浦光，波导厚度远大于飞秒激光波长，因此，泵浦光的折射率可认为是常数。在波导厚度一定时，总有特定频率的太赫兹波和飞秒激光有相同的折射率，从而可产生窄线宽的太赫兹波。另外，侧向激发结构为太赫兹波和飞秒激光干涉相长提供了足够长的距离，有效的实现了窄带太赫兹波的放大。因此，长距离相位匹配需满足的条件：
并且在太赫兹传输方向有足够长距离干涉相长。其中，是频率f的太赫兹波在亚波长波导中的有效相折射率，是泵浦光在波导中的群折射率。
实施实例：
基于亚波长波导的窄带太赫兹波产生及检测方法具体步骤如下：
(1)采用尺寸为1cm×30μm×1.1cm，y向切割的掺镁铌酸锂亚波长波导作为太赫兹辐射源，垂直固定在柱透镜后面；
(2)启动钛蓝宝石飞秒激光器，产生波长800nm、重复频率1KHz、脉宽120fs的激光脉冲，激光脉冲以45°角照到分束镜后，反射光为泵浦光，透射光为探测光，泵浦光和探测光的初始位相相同但平均功率分别为450mW和50mW；
(3)泵浦光经第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜反射，再经柱透镜线聚焦于太赫兹波辐射源侧面，聚焦方向平行于晶体光轴方向，聚焦光斑为30μm，通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波；
(4)根据有效折射率方法，在亚波长波导结构限制下，特定波长的太赫兹波和飞秒激光之间满足长距离的相位匹配，实现窄带太赫兹波的产生和放大；
(5)由于光克尔效应和光折变效应，太赫兹波引起波导内折射率分布改变，探测光经BBO晶体倍频、滤波片滤掉基频光，再经过第一反射镜、延迟线6，进入小孔滤波***滤掉探测光高频成分，入射到太赫兹波辐射源正面，将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中，通过4F***，成像于CCD上。通过动态移动延迟线，可实现瞬态太赫兹波的动态成像。
(6)利用计算机上MATLAB软件对太赫兹时域脉冲谱做快速傅里叶变换，得到放大的窄带太赫兹波频谱。
所述泵浦光、探测光和太赫兹波的偏振方向均平行于铌酸锂晶体光轴方向。
附图3为相位匹配的原理图，泵浦光和太赫兹波有效折射率的交点表示相位匹配点。根据平面波导理论，当飞秒激光脉冲偏振和聚焦方向均平行于光轴入射到掺镁铌酸锂亚波长波导侧面时，激发出TE模式的太赫兹波。在亚波长波导限制下，宽谱的太赫兹波的有效折射率相对体铌酸锂中折射率5.11有所减小，并且不同频率对应的有效折射率不同。而飞秒激光的折射率可认为是2.2。对于厚度30μm的铌酸锂晶体，频率为0.28THz的太赫兹波具有和飞秒激光相同的折射率，从而在满足相位匹配的条件下，窄线宽的太赫兹波得以产生。另外，侧向激发结构为太赫兹波和飞秒激光干涉相长提供了足够长的距离，有效的实现了窄带太赫兹波的放大，所得频谱图如图4所示。
显然上述实施例仅为清楚的说明本发明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上，还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用亚波长波导铁电材料作为太赫兹波辐射源，垂直固定在柱透镜后面；
(2)启动飞秒激光器，产生飞秒激光脉冲，激光脉冲通过分束镜产生泵浦光和探测光；
(3)泵浦光经柱透镜会聚于亚波长波导侧面，通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波；
(4)根据有效折射率方法，在亚波长波导中，特定波长的太赫兹波和飞秒激光之间满足长距离的相位匹配，实现窄带太赫兹波的产生和放大；
(5)由于光克尔效应和光折变效应，太赫兹波引起波导内折射率分布改变，探测光经BBO晶体倍频、滤波片滤去基频信号以及小孔***滤波整形，入射到亚波长波导表面，将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中，经过4F***，转化为强度信息，再经延迟线调控可在CCD上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号；
(6)利用计算机上相关计算软件对太赫兹时域脉冲信号做快速傅里叶变换，得到放大的窄带太赫兹波频谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(1)中亚波长波导铁电材料是指厚度在0.3-300μm的材料，材料属性为铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂。
3.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中飞秒激光脉冲的波长为紫外至近红外，重复频率是1Hz-100MHz，脉宽可为5-1000fs。
4.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中泵浦光的平均功率密度最低不小于4W/cm2，最高不超过亚波长波导铁电材料的损伤阈值，例如全同铌酸锂的损伤阈值是50KW/cm2、掺镁铌酸锂的损伤阈值超过1000KW/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(3)中泵浦光入射到亚波长波导上的入射角不超过±10°，聚焦光斑大小可为10-150μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(3)中亚波长波导侧面是指结构的亚波长厚度方向和高度方向构成的二维平面。
7.根据权利要求1所述的一种基于亚波长波导的窄带太赫兹波发生器及检测的方法，其特征在于，所述步骤(4)中长距离相位匹配是指当
并且在太赫兹传输方向有足够长距离干涉相长时满足的匹配方式，其中，是频率f的太赫兹波在亚波长波导中的有效相折射率，是飞秒光在波导中的群折射率。
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