CN107014492A - 一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪及测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明适用于太赫兹测量技术领域，尤其涉及一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪及测量***。本发明所提供的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪包括脉冲展宽器、宽带半波片、透镜、太赫兹电光晶体、双折射晶体、线偏振器以及光谱仪。上述光学元件通过巧妙的自参考干涉结构设计，在基于电光采样及光谱干涉原理的基础上，采用啁啾脉冲为探针实现了对高强度太赫兹脉冲时域光谱的单次测量。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹测量技术领域，尤其涉及一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪及测量***。
背景技术
太赫兹波具有高透视性、高安全性、高光谱分辨率等独特的性质，因此具有重要的学术价值和应用潜力。随着太赫兹光学技术的不断进步，太赫兹信号源的强度不断增强，催生了太赫兹强场和非线性光谱学。然而，由于太赫兹脉冲强度已经足够强，传统的太赫兹光电导采样和电光采样两种常用的技术已经不再适用，传统的技术无法有效的测量具有高信噪比的强太赫兹脉冲。
发明内容
本发明提供了一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，旨在解决无法有效的测量具有高信噪比的强太赫兹脉冲的问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，本发明提供了一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，该干涉仪包括：
脉冲展宽器，用于将入射的探测脉冲展宽成啁啾脉冲，所述已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲入射至宽带半波片；
所述宽带半波片，用于调整所述已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲的偏振方向，已调整偏振方向的探测脉冲入射至透镜；
所述透镜，用于将所述已调整偏振方向的探测脉冲聚焦至太赫兹电光晶体；
所述太赫兹电光晶体，用于使所述探测脉冲与入射的待测太赫兹脉冲重合，以实现将所述待测太赫兹脉冲的太赫兹场强信号加载到所述探测脉冲中，已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲入射至双折射晶体；
所述双折射晶体，用于使所述已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲生成相互时间延迟的脉冲对，分别为o光脉冲和e光脉冲，且所述o光脉冲与e光脉冲的偏振方向互相垂直，所述脉冲对入射至线偏振器；
所述线偏振器，用于使所述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲均一半透射至光谱仪，透过所述线偏振器的脉冲对偏振方向一致；
所述光谱仪，用于记录经所述线偏振器后的脉冲对的光谱干涉数据，以便基于所述光谱干涉数据实现太赫兹电光相位调制测量。
进一步地，所述干涉仪还包括光谱相位相干电场重建法(SPIDER)技术测量装置，用于在所述探测脉冲入射至展宽器之前，对所述探测脉冲的时间光谱特性进行测量，得到所述探测脉冲的时间光谱特性。
进一步地，所述干涉仪还包括硅片；所述硅片介于所述透镜与所述太赫兹电光晶体之间，用于将入射的待测太赫兹脉冲在低损耗的情况下透射至所述太赫兹电光晶体，并将所述透镜出射的探测脉冲反射至所述太赫兹电光晶体。
进一步地，所述入射至所述太赫兹电光晶体的待测太赫兹脉冲与所述探测脉冲在时间和空间上重合。
进一步地，所述双折射晶体生成的所述脉冲对的相互时间延迟正比于所述双折射晶体的o光脉冲和e光脉冲的折射率差及其厚度。
进一步地，所述探测脉冲为线偏振超短飞秒脉冲。
进一步地，所述脉冲展宽器具体用于将入射的探测脉冲展宽成皮秒级的啁啾脉冲。
进一步地，所述线偏振器的透光轴与所述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲偏振方向成45°。
本发明还提供了一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉测量***，所述***包含上述的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪内的所有元件，以及具有上述自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪所具有的功能。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明提供了一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，该干涉仪包括脉冲展宽器、宽带半波片、透镜、太赫兹电光晶体、双折射晶体、线偏振器以及光谱仪。上述光学元件通过巧妙的自参考干涉结构设计，在基于电光采样及光谱干涉原理的基础上，采用啁啾脉冲为探针实现了对高强度太赫兹脉冲时域光谱的单次测量，提高了强太赫兹脉冲单次测量信噪比。
附图说明
图1是本发明实施例提供的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明的第一个实施例，如图1所示，本发明提供的一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，所述干涉仪包括脉冲展宽器102、宽带半波片103、第一个透镜106、太赫兹电光晶体109、双折射晶体111、线偏振器112以及光谱仪113。另外，如图1所示，THz pulse表示太赫兹脉冲，Probe pulse表示探测脉冲，本实施例所提供的干涉仪还包括基于光谱相位相干电场重建法技术的测量装置SPIDER101、第二个透镜110、硅片108、用于起到反射作用的反射镜104/105、以及离轴抛物面镜(OAPM)107。
脉冲展宽器102，用于将入射的探测脉冲Probe pulse展宽成啁啾脉冲，已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲入射至宽带半波片103。在本实施例中，探测脉冲Probe pulse为偏振超短飞秒脉冲，脉冲展宽器102将入射的探测脉冲展宽成皮秒级的啁啾脉冲。
宽带半波片103，用于调整上述已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲的偏振方向，已调整偏振方向的探测脉冲入射至透镜106。
透镜106，用于将上述已调整偏振方向的探测脉冲聚焦至太赫兹电光晶体109；
太赫兹电光晶体109，用于使上述探测脉冲与入射的待测太赫兹脉冲THzpulse在太赫兹电光晶体109内在时间和空间上重合，以实现将上述待测太赫兹脉冲THz pulse的太赫兹场强信号加载到探测脉冲中，即实现电光调制，已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲入射至双折射晶体111。太赫兹电光晶体109的轴面与入射面平行。其中，待测太赫兹脉冲THz pulse是经过离轴抛物面镜OAPM107聚焦后，入射至太赫兹电光晶体109，离轴抛物面镜107主要用于聚焦太赫兹脉冲。
双折射晶体111，用于使上述已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲生成相互时间延迟的o光脉冲和e光脉冲，该o光脉冲和e光脉冲即为一对脉冲对。o光脉冲与e光脉冲的偏振方向互相垂直，该脉冲对入射至线偏振器112。双折射晶体111生成的脉冲对的相互时间延迟正比于该双折射晶体的o光脉冲和e光脉冲的折射率差，也正比于该双折射晶体的o光脉冲和e光脉冲的厚度，且该脉冲对的强度差不多相等。
线偏振器112，用于使上述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲均一半透射至光谱仪113，且透过线偏振器112的脉冲对偏振方向一致。该线偏振器112的透光轴与上述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲偏振方向成45°。
光谱仪113，用于记录上述经线偏振器112后的脉冲对(即o光脉冲和e光脉冲)的光谱干涉数据，以便基于该光谱干涉数据实现太赫兹电光相位调制测量。其中，光谱干涉数据中包含太赫兹电光相位调制信息。
在本实施例中，干涉仪还包括基于光谱相位相干电场重建法技术的测量装置SPIDER101，用于在探测脉冲Probe pulse入射至展宽器之前，对探测脉冲Probe pulse的时间光谱特性进行测量，得到探测脉冲Probe pulse的时间光谱特性，用于辅助实现太赫兹时域光谱测量。
在本实施例中，干涉仪还包括硅片108，其介于透镜106与太赫兹电光晶体109之间，用于将入射的待测太赫兹脉冲在低损耗的情况下透射至太赫兹电光晶体109，并将透镜106出射的探测脉冲反射至太赫兹电光晶体109。
需要说明的是，要完成对太赫兹时域光谱测量，需要进行两次实验测量光谱干涉数据，具体过程如下：
(1)在没有太赫兹脉冲干涉的情况下，测量得到仅有探测脉冲经过上述干涉仪的一系列元件之后，光谱仪采集到的探测脉冲干涉条纹数据，将该探测脉冲干涉条纹数据作为参考数据。
(2)在有太赫兹脉冲干涉的情况下，测量得到的有太赫兹信号时的干涉条纹数据，该有太赫兹信号时的干涉条纹数据作为探测数据。
(3)结合预先测量得到的探测脉冲的时间光谱特性，以及参考数据和探测数据，经过傅里叶变换处理即可得到太赫兹时域波形。
综上所述，本发明第一个实施例所提供的干涉仪，其光学元件通过巧妙的自参考干涉结构设计，在基于电光采样及光谱干涉原理的基础上，采用啁啾脉冲为探针实现了对高强度太赫兹脉冲时域光谱的单次测量，提高了强太赫兹脉冲单次测量信噪比；且本实施例通过光谱仪记录干涉光谱以实现电光相位调制测量，从而得到太赫兹时域波形，与传统时域光谱仪相比，具有实时、高线性度和无畸变的优点；另外，对于太赫兹光源来说，太赫兹脉冲越强意味着脉冲重复率就越低，这导致用传统的泵浦-探针技术进行测量会带来较大的测量误差，而本实施例所提供的干涉仪可以单次测量，有效的避免测量误差。
作为本发明的第二个实施例，如图1所示，超短脉冲激光***作为发出探测脉冲的***，本实施例中选用800nm的钛宝石飞秒激光***，其输出的部分超短脉冲激光时间光谱特性用一SPIDER101装置测量得到。该超短脉冲激光作为探测脉冲通过展宽器102展宽成约10ps的啁啾脉冲。该已展宽的探测脉冲经过一消色差半波片103将该探测脉冲的偏振方向发生转动，由原来的水平(或垂直)方向转动45°。然后经一透镜106将其聚焦在太赫兹电光晶体上，本实施例中该太赫兹电光晶体为<110>度的ZnTe晶体，在太赫兹电光晶体内部，探测脉冲与待测太赫兹脉冲信号在时间和空间上重合，通过电光效应把太赫兹场强信号加载到探测脉冲中。透过太赫兹电光晶体后，已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲经一200mm厚的α-BBO晶体，产生一强度差不多相等但偏振方向相互垂直、且存在相互时间延迟600fs的脉冲对，即o光脉冲和e光脉冲。该脉冲对经一透光轴与o光脉冲和e光脉冲的偏振方向成45°的线性偏振器112后，被一光谱仪接收得到干涉光谱信号。相应的光谱干涉环可表示为：
其中，Iref(ω)表示参考光光谱，Ipro(ω)表示探测光，β表示干涉条纹对比度，τ表示探测光与参考光间的时间差，φNL(ω)表示ZnTe晶体引入的非线性相位，φTHz(ω)表示太赫兹信号引入的相位。在***测量太赫兹信号前，要先测量一组无太赫兹信号情况下的光谱干涉条纹(即参考数据)，并储存，此时干涉条纹的相位包含了：参考光和探测光之间的时间差引入的相位ωτ以及ZnTe晶体引入的非线性相位φNL(ω)。然后在有太赫兹信号时，干涉条纹的相位除了ωτ和φNL(ω)之外，还包含太赫兹信号引入的相位φTHz(ω)。结合预先测量的探测脉冲时间/光谱特性，经过傅里叶变换处理即可得到太赫兹时域波形，相应地就可以获得太赫兹脉冲光谱信息。
综上所述，本发明第二个实施例所提供的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，能够直接测量相位，与传统时域光谱仪相比，具有高线性、无畸变的优点。且结构简单，测量方法简单。
本发明还提供了一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉测量***，所述***包含上述的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪内的所有元件，以及具有上述自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪所具有的功能，在此不详加赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括：
脉冲展宽器，用于将入射的探测脉冲展宽成啁啾脉冲，所述已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲入射至宽带半波片；
所述宽带半波片，用于调整所述已展宽成啁啾脉冲的探测脉冲的偏振方向，已调整偏振方向的探测脉冲入射至透镜；
所述透镜，用于将所述已调整偏振方向的探测脉冲聚焦至太赫兹电光晶体；
所述太赫兹电光晶体，用于使所述探测脉冲与入射的待测太赫兹脉冲重合，以实现将所述待测太赫兹脉冲的太赫兹场强信号加载到所述探测脉冲中，已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲入射至双折射晶体；
所述双折射晶体，用于使所述已加载有太赫兹场强信号的探测脉冲生成相互时间延迟的脉冲对，分别为o光脉冲和e光脉冲，所述脉冲对入射至线偏振器；
所述线偏振器，用于使所述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲均一半透射至光谱仪，透过所述线偏振器的脉冲对偏振方向一致；
所述光谱仪，用于记录经所述线偏振器后的脉冲对的光谱干涉数据，以便基于所述光谱干涉数据实现太赫兹电光相位调制测量。
2.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪还包括光谱相位相干电场重建法技术测量装置，用于在所述探测脉冲入射至展宽器之前，对所述探测脉冲的时间光谱特性进行测量，得到所述探测脉冲的时间光谱特性。
3.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪还包括硅片；
所述硅片介于所述透镜与所述太赫兹电光晶体之间，用于将入射的待测太赫兹脉冲在低损耗的情况下透射至所述太赫兹电光晶体，并将透过所述透镜的探测脉冲反射至所述太赫兹电光晶体。
4.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述入射至所述太赫兹电光晶体的待测太赫兹脉冲与所述探测脉冲在时间和空间上重合。
5.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述双折射晶体生成的所述脉冲对的相互时间延迟正比于所述双折射晶体的o光脉冲和e光脉冲的折射率差及其厚度。
6.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述探测脉冲为线偏振超短飞秒脉冲。
7.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述脉冲展宽器具体用于将入射的探测脉冲展宽成皮秒级的啁啾脉冲。
8.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述线偏振器的透光轴与所述脉冲对的o光脉冲和e光脉冲偏振方向成45°。
9.一种自参考太赫兹电光取样光谱干涉测量***，其特征在于，所述***包括如权利要求1-8中任一项所述的自参考太赫兹电光取样光谱干涉仪。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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