CN107807454B - 一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置，包括太赫兹量子级联激光器与驱动电源连接并发出太赫兹发散激光；可移动地安装在低温样品架上的调节***；安装于调节***上的离轴抛物面反射镜，其收集太赫兹发散激光并输出太赫兹准平行激光束；设置于低温杜瓦外部的可移动的可变孔径光阑，其对太赫兹准平行激光束进行光束优选以形成太赫兹准高斯平行激光束；以及设置于低温杜瓦外部的可移动的太赫兹阵列探测器，其对太赫兹准平行激光束的二维能量分布进行表征并校准太赫兹准平行激光束的准直性。本发明还涉及一种太赫兹准高斯平行激光束的实现方法。本发明的实现装置和实现方法能够获得稳定可靠、光束质量优异的太赫兹准高斯平行激光束。

Description

一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置及实现方法
技术领域
本发明涉及太赫兹应用技术领域，更具体地涉及一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置及实现方法。
背景技术
太赫兹(THz)激光源是THz技术领域的重要辐射源，基于半导体低维材料的THz量子级联激光器(THz QCL)是THz频段非常重要的一种激光源，它具有能量转换效率高、体积小、性能稳定、使用寿命长等特点。由于激光器脊条在厚度方向的尺寸小于激光波长，THzQCL端面发射的激光呈现出发散的特性，激光束质量较差。为了改善激光器的出射激光质量，现有的办法通常采用表面光栅工艺、端面光栅工艺、超半球高阻硅透镜等方法。然而，为了实现表面光栅工艺，器件的电流电压工作特性会受到不同程度的影响，尽管激光束质量得到了改善，但上述工艺制作过程会导致器件功率性能的下降；端面光栅工艺的实现过程颇具难度，且并不能很好地保证器件工艺制备的良率；另外，采用超半球高阻硅透镜进行端面耦合的方式得到了广泛使用，但这种方法会因为高阻硅透镜对THz激光的吸收使得耦合后输出的有效激光功率降低，且输出光束仍然具有一定的发散性，并不是准平行束。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置及实现方法。
本发明提供一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置，包括：用于提供真空和低温环境的低温杜瓦；设置于低温杜瓦外部的驱动电源；设置于低温杜瓦内部的低温样品架；安装固定在所述低温样品架上的太赫兹量子级联激光器，所述太赫兹量子级联激光器与所述驱动电源连接并发出太赫兹发散激光；可移动地安装在所述低温样品架上的调节***；安装于调节***上的离轴抛物面反射镜，其收集所述太赫兹发散激光并输出太赫兹准平行激光束；设置于低温杜瓦外部的可移动的可变孔径光阑，其对所述太赫兹准平行激光束进行光束优选以形成太赫兹准高斯平行激光束；以及设置于低温杜瓦外部的可移动的太赫兹阵列探测器，其对所述太赫兹准平行激光束的二维能量分布进行表征并校准所述太赫兹准平行激光束的准直性。
所述调节***包括固定架和真空操作杆，所述真空操作杆与所述固定架连接以驱动所述固定架在两个相互垂直的方向上可移动。
所述低温杜瓦上设置有真空密封接口，两根操作杆通过该真空密封接口伸入低温杜瓦的内部以形成所述真空操作杆。
所述低温杜瓦上设置有真空电学接口，所述太赫兹量子级联激光器通过所述真空电学接口与所述驱动电源连接。
所述低温杜瓦上设置有真空窗口，所述太赫兹准平行激光束通过该真空窗***出。
所述离轴抛物面反射镜的镜体直径和有效焦距小于3cm，且有效焦距与镜体直径的比值小于1。优选地，所述离轴抛物面反射镜的镜体直径为12.7mm，有效焦距为6.8mm，有效焦距与镜体直径的比值为0.535。在现有技术中，离轴抛物面反射镜的直径和焦距通常在7cm以上，由于激光器工作于冷却装置里面，激光器端面无法离真空窗口太近，导致外部采用的离轴抛物面反射镜的焦距与镜体直径比值通常在1以上，且只能选择大尺寸反射镜。而本申请采用的是非常小的定制离轴抛物面反射镜，可以与器件样品架集成在一起，离激光器端面可以很近，且焦距与镜体直径比值选择在0.5-0.8之间，可有效提高激光的收集效率。
本发明的太赫兹准高斯平行激光束的实现装置通过内置的小型的离轴抛物面反射镜作为太赫兹量子级联激光器输出激光的耦合装置，不仅有效降低太赫兹准高斯平行激光束产生装置的体积，而且利用离轴抛物面反射镜表面对太赫兹量子级联激光器的高反射率来有效减小耦合过程中对激光功率的损耗，显然，这种内置固定架和离轴抛物面反射镜相结合的方式具有收集效率高、反射能量损耗小、定位精确等优点。另外，采用太赫兹阵列探测器进行激光束的准直校准，用可变孔径光阑进行光束优选，有效地实现了太赫兹准高斯平行激光束，产生的太赫兹激光束具有平行度高、高斯分布形态明显等优点，可以为太赫兹探测、成像和通信应用提供一种稳定可靠、光束质量优异的激光源。优选地，本发明通过真空操作杆实现真空环境下激光耦合装置的精确移动。
本发明还提供一种太赫兹准高斯平行激光束的实现方法，包括步骤：S1，将太赫兹量子级联激光器、离轴抛物面反射镜和调节***集成安装在低温样品架上以形成一个集成件，使得所述太赫兹量子级联激光器的出射端面与所述离轴抛物面反射镜的焦点处于同一平面内；S2，通过所述调节***对所述集成件进行校准，使得所述太赫兹量子级联激光器的出射端面与所述离轴抛物面反射镜的焦点重合；S3，将校准后的集成件安装于低温杜瓦的内部，通过所述低温杜瓦提供真空和低温环境，通过驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加电流，使所述太赫兹量子级联激光器在所述真空和低温环境下输出太赫兹发散激光，所述太赫兹发散激光经过所述离轴抛物面反射镜反射后输出太赫兹平行激光束；S4，移动所述太赫兹阵列探测器，调节所述调节***，使得沿太赫兹平行激光束的中心移动所述太赫兹阵列探测器一定距离后，太赫兹平行激光束的光斑一直保持在所述太赫兹阵列探测器的敏感面的中心位置，以得到太赫兹准平行激光束；S5，将可变孔径光阑设置于所述太赫兹阵列探测器的上游并移动所述可变孔径光阑，使得所述太赫兹阵列探测器的敏感面上出现分布均匀且具有高斯分布特性的激光光斑，得到太赫兹准高斯平行激光束。
所述步骤S1包括：将所述太赫兹量子级联激光器安装固定在所述低温样品架上，将所述离轴抛物面反射镜安装于所述调节***上并将所述调节***可移动地安装在所述低温样品架上以形成所述集成件。
所述步骤S2具体为：采用波长为670nm的红光沿所述离轴抛物面反射镜的光路轴向照射镜面，通过调节所述调节***将所述离轴抛物面反射镜会聚的可见光光斑移动至所述太赫兹量子级联激光器的出射端面上。
本发明通过将离轴抛物面反射镜的焦点与太赫兹量子级联激光器的出射端面设置于同一平面内，再利用调节***将离轴抛物面反射镜的焦点移动至太赫兹量子级联激光器的出射端面处，使得离轴抛物面反射镜收集太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹发散激光。经过离轴抛物面反射镜反射后形成太赫兹平行激光束，经太赫兹阵列探测器平行校准后即可使得离轴抛物面反射镜输出太赫兹准平行激光束。采用可变孔径光阑对所述太赫兹准平行激光束进行优选以获得太赫兹准高斯平行激光束。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的太赫兹准高斯平行激光束的实现装置的示意图；
图2A-图2B是根据本发明的实施例实现的太赫兹准高斯平行激光束的二维强度分布图；
图3是根据本发明的实施例实现的太赫兹准高斯平行激光束的半高全宽。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
图1示出了根据本发明的一个优选实施例的太赫兹准高斯平行激光束的实现装置，包括：驱动电源1、真空电学接口2、太赫兹量子级联激光器3、低温样品架4、低温杜瓦5、调节***6、离轴抛物面反射镜7、可变孔径光阑8和太赫兹阵列探测器9。
一方面，所述太赫兹量子级联激光器3通过真空电学接口2与所述驱动电源1相连接，适于在所述驱动电源1的驱动电信号下辐射出太赫兹激光。
另一方面，所述太赫兹量子级联激光器3通过低温样品架4安装在所述低温杜瓦5的内部的低温杜瓦5的冷板上，使得所述低温杜瓦5适于为所述太赫兹量子级联激光器3提供低温环境。所述低温样品架4对所述太赫兹量子级联激光器3工作时产生的热量进行及时耗散，使所述太赫兹量子级联激光器3输出稳定的太赫兹激光。
所述调节***6包括安装架61和真空操作杆62，其中，所述安装架61固定于低温样品架4上，所述真空操作杆62包括两个相互垂直方向的维度，采用可活动的真空连接方式固定于低温杜瓦5外罩上，以在所述真空操作杆62的推动下实现安装架61的精确的二维移动，从而使离轴抛物面反射镜7的焦点10与太赫兹量子级联激光器3的出射端面重合。其中，所述离轴抛物面反射镜7安装于安装架61，适于收集所述太赫兹量子级联激光器3发出的太赫兹发散激光，并在真空操作杆62的配合下，将发散激光收集后反射输出为太赫兹准平行激光束11。所述太赫兹准平行激光束11经低温杜瓦5侧面的真空窗口12输出。
所述可变孔径光阑8适用于对真空窗口12输出的太赫兹准平行激光束11进行光束优选，优选出分布匀称的出射光束，即太赫兹准高斯平行激光束13。
所述太赫兹阵列探测器9适用于太赫兹准平行激光束11的二维能量分布进行表征，同时适用于确定太赫兹准平行激光束11的平行程度，以对激光束的准直性进行校准。
在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器3为端面发射结构，辐射出的太赫兹激光为发散性激光。具体地，所述太赫兹量子级联激光器3为单面金属波导结构的端面发射结构器件，器件端面输出的激光为发散性太赫兹激光。
在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器3的激射频率为4.3THz。实际上，所述太赫兹量子级联激光器3的激射频率可以为2THz～5THz。
在本实施例中，所述驱动电源1为脉冲电流源，所述驱动电源1驱动所述太赫兹量子级联激光器3工作时，实际加载在所述太赫兹量子级联激光器3上的脉冲宽度为2μs，重复频率为20kHz，电流幅度为4.7A。
在本实施例中，所述真空电学接口2为SMA标准接口。
在本实施例中，所述低温样品架4为无氧铜镀金导热样品架。
在本实施例中，所述低温杜瓦5为液氮杜瓦，可实现的工作温度为77K。具体地，所述低温杜瓦5的容积为1.2升，单次可持续工作时间为20小时。
在本实施例中，所述安装架61的二维移动的精度为0.02mm。所述真空操作杆62由通过低温杜瓦5的真空密封接口的操作杆组成。
在本实施例中，所述离轴抛物面反射镜7为90度离轴镀金反射镜。具体地，所述离轴抛物面反射镜7的镜体直径为12.7mm，有效焦距为6.8mm，有效焦距与镜体直径的比值为0.535。实际上，该有效焦距与镜体直径的比值可以介于0.5～0.8之间。
在本实施例中，所述真空窗口12适用于将离轴抛物面反射镜7反射的准平行光输出至杜瓦外部。具体地，所述真空窗口12采用高密度聚乙烯材料制备，厚度为2mm，在太赫兹频段具有较高的透过率。
在本实施例中，所述可变孔径光阑8的通光孔径调节为3mm。
在本实施例中，所述太赫兹阵列探测器9的像元素为320×240，单个像元的尺寸为23.5μm，敏感面的二维尺寸为5.64mm×7.52mm，探测频率范围为1-7THz。
在本发明中，该实现装置将可二维调节的内置小型离轴抛物面反射镜7形成为太赫兹量子级联激光器3端面出射激光的耦合装置，有效提高了激光器的耦合输出功率，并实现了准平行激光束。另外，利用可变孔径光阑8的孔径的形状特点，对准平行输出激光束11进行了优选，有效地获得了太赫兹频段的高斯激光束，大大增加了发散性太赫兹激光器的应用优势，为太赫兹应用***提供了性能稳定，光束质量优异的激光源。
本发明还提供一种采用上述的太赫兹准高斯平行激光束的实现装置实现太赫兹准高斯平行激光束的实现方法，包括步骤：
1)将安装架61可移动地安装于低温样品架4上，将太赫兹量子级联激光器3安装于低温样品架4上，将离轴抛物面反射镜7安装于安装架61，使得太赫兹量子级联激光器3的出射端面与离轴抛物面反射镜7的焦点10处于同一平面内；
2)采用波长为670nm的红光沿离轴抛物面反射镜7的光路轴向照射镜面，通过调节调节***6上的真空操作杆62，将离轴抛物面反射镜7会聚的可见光光斑移动至太赫兹量子级联激光器3的出射端面上；
3)将红光校准后的调节***6、离轴抛物面反射镜7、低温样品架4及安装好的太赫兹量子级联激光器3作为一个整体安装于低温杜瓦5的冷板上，其中，低温杜瓦5采用液氮冷却，工作温度为77K；
4)采用驱动电源1通过真空电学接口2给太赫兹量子级联激光器3施加4.7A的电流，使太赫兹量子级联激光器3在低温杜瓦5提供的77K环境下输出稳定且太赫兹发散激光，激光频率为4.3THz；
5)输出的太赫兹发散激光经过内置集成的离轴抛物面反射镜7反射后变成太赫兹平行激光束，并通过真空窗口12被传输至低温杜瓦5的外部；
6)在真空窗口12外一定距离处放置可沿与真空窗口平面垂直方向移动的太赫兹阵列探测器9，并使其敏感面与真空窗口平面保持平行，移动太赫兹阵列探测器9的水平和垂直位置，使太赫兹平行激光束能量最强的区域照射太赫兹阵列探测器9的敏感面，并将所述敏感面的中心位置移动至光束能量分布最强的位置；
7)沿与真空窗口平面垂直的方向移动太赫兹阵列探测器9，观察太赫兹阵列探测器9敏感面上光束能量分布最强区域的位置变化，并由此判断太赫兹平行激光束的偏移方向；
8)调节真空操作杆62，使出射光束能量分布最强的区域与太赫兹阵列探测器9敏感面的中心位置重合；
9)重复步骤S7和S8，直至沿光轴中心移动太赫兹阵列探测器9一定距离后，太赫兹激光光斑一直保持在太赫兹阵列探测器9敏感面的中心位置，此时的太赫兹平行激光束被校正为太赫兹准平行激光束11；
10)将可变孔径光阑8放置于距离真空窗口12为d0＝100mm的位置，光阑中心位于光束中心轴附近，通光孔径设置为3mm，沿水平和竖直方向移动光阑，直至太赫兹阵列探测器9敏感面上出现分布均匀且具有高斯分布特性的激光光斑；
11)将太赫兹阵列探测器9放置于距离可变孔径光阑8为d1＝130mm的位置，测量得到经可变孔径光阑8优选后的太赫兹准高斯平行激光束13的二维能量分布如图2A所示，沿光束中心轴移动太赫兹阵列探测器9至距离可变孔径光阑8为d2＝150mm的位置，测量得到经可变孔径光阑8优选后的太赫兹准高斯平行激光束13的二维能量分布如图2B所示；为了获得图2A-图2B中激光束二维能量分布的形态，选取图2中X＝160像素(pixel)的位置，画出沿Y方向的能量分布曲线，结果如图3所示，由图可知，优选后的太赫兹准高斯平行激光束13的能量分布呈现出高斯分布的形态，上述d1和d2两个位置处太赫兹准高斯平行激光束能量分布的半高全宽(FWHM)分别为S1＝59pixels和S2＝65pixels，根据太赫兹阵列探测器9单个像元素的边长为23.5μm，计算得到S1＝1386.5μm和S2＝1527.5μm；由此可知，在移动了d＝d1-d2＝20mm的距离后，太赫兹准高斯平行激光束13的半高全宽增加了141μm，说明太赫兹准高斯平行激光束13具有较好的平行度；为此，经过上述准直调节和光阑优选后，获得了太赫兹准高斯平行激光束。
根据本发明的方法，通过红光预校准，使得出射的太赫兹激光束11达到较好的平行度，再利用真空操作杆62可实时精确调节以及太赫兹阵列探测器9可实时观测激光束截面二维能量分布的优点，实现了对出射太赫兹激光平行度的有效调节，获得了太赫兹频段的准高斯平行激光束，为太赫兹频段的应用***提供性能稳定、光束质量优异的激光源。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种太赫兹准高斯平行激光束的实现装置，其特征在于，包括：
用于提供真空和低温环境的低温杜瓦（5）；
设置于低温杜瓦（5）外部的驱动电源（1）；
设置于低温杜瓦（5）内部的低温样品架（4）；
安装固定在所述低温样品架（4）上的太赫兹量子级联激光器（3），所述太赫兹量子级联激光器（3）与所述驱动电源（1）连接并发出太赫兹发散激光；
可移动地安装在所述低温样品架（4）上的调节***（6）；
安装于调节***（6）上的离轴抛物面反射镜（7），其收集所述太赫兹发散激光并输出太赫兹准平行激光束（11），所述离轴抛物面反射镜（7）为90度离轴镀金反射镜，所述离轴抛物面反射镜（7）的镜体直径和有效焦距小于3cm，所述离轴抛物面反射镜（7）的有效焦距与镜体直径的比值介于0.5~0.8之间；
设置于低温杜瓦（5）外部的可移动的可变孔径光阑（8），其对所述太赫兹准平行激光束（11）进行光束优选以形成太赫兹准高斯平行激光束（13）；以及
设置于低温杜瓦（5）外部的可移动的太赫兹阵列探测器（9），其对所述太赫兹准平行激光束（11）的二维能量分布进行表征并校准所述太赫兹准平行激光束（11）的准直性。
2.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述调节***（6）包括固定架（61）和真空操作杆（62），所述真空操作杆（62）与所述固定架（61）连接以驱动所述固定架（61）在两个相互垂直的方向上可移动。
3.根据权利要求2所述的实现装置，其特征在于，所述低温杜瓦（5）上设置有真空密封接口，两根操作杆通过该真空密封接口伸入低温杜瓦（5）的内部以形成所述真空操作杆（62）。
4.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述低温杜瓦（5）上设置有真空电学接口（2），所述太赫兹量子级联激光器（3）通过所述真空电学接口（2）与所述驱动电源（1）连接。
5.根据权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述低温杜瓦（5）上设置有真空窗口（12），所述太赫兹准平行激光束（11）通过该真空窗口（12）射出。
6.一种太赫兹准高斯平行激光束的实现方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将太赫兹量子级联激光器（3）、离轴抛物面反射镜（7）和调节***（6）集成安装在低温样品架（4）上以形成一个集成件，使得所述太赫兹量子级联激光器（3）的出射端面与所述离轴抛物面反射镜（7）的焦点（10）处于同一平面内，所述离轴抛物面反射镜（7）为90度离轴镀金反射镜，所述离轴抛物面反射镜（7）的镜体直径和有效焦距小于3cm，所述离轴抛物面反射镜（7）的有效焦距与镜体直径的比值介于0.5~0.8之间；
S2，通过所述调节***（6）对所述集成件进行校准，使得所述太赫兹量子级联激光器（3）的出射端面与所述离轴抛物面反射镜（7）的焦点（10）重合；
S3，将校准后的集成件安装于低温杜瓦（5）的内部，通过所述低温杜瓦（5）提供真空和低温环境，通过驱动电源（1）给所述太赫兹量子级联激光器（3）施加电流，使所述太赫兹量子级联激光器（3）在所述真空和低温环境下输出太赫兹发散激光，所述太赫兹发散激光经过所述离轴抛物面反射镜（7）反射后输出太赫兹平行激光束；
S4，移动太赫兹阵列探测器（9），调节所述调节***（6），使得沿太赫兹平行激光束的中心移动所述太赫兹阵列探测器（9）一定距离后，太赫兹平行激光束的光斑一直保持在所述太赫兹阵列探测器（9）的敏感面的中心位置，以得到太赫兹准平行激光束（11）；
S5，将可变孔径光阑（8）设置于所述太赫兹阵列探测器（9）的上游并移动所述可变孔径光阑（8），使得所述太赫兹阵列探测器（9）的敏感面上出现分布均匀且具有高斯分布特性的激光光斑，得到太赫兹准高斯平行激光束（13）。
7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S1包括：将所述太赫兹量子级联激光器（3）安装固定在所述低温样品架（4）上，将所述离轴抛物面反射镜（7）安装于所述调节***（6）上并将所述调节***（6）可移动地安装在所述低温样品架（4）上以形成所述集成件。
8.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：采用波长为670nm的红光沿所述离轴抛物面反射镜（7）的光路轴向照射镜面，通过调节所述调节***（6）将所述离轴抛物面反射镜（7）会聚的可见光光斑移动至所述太赫兹量子级联激光器（3）的出射端面上。
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