CN112629657B - 基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法，其中将频率上转换技术应用于太赫兹波段，将太赫兹波转换到例如可见光、近红外等波段进行探测，并通过异步频率变换和脉冲自扫描方式实现太赫兹波的实时探测，可以将单脉冲扫描时间缩短到ms量级，并且在频率转换过程中太赫兹波的频率和相位信息可以通过不同的方式解读出来，且可以将对太赫兹波的探测能力提升到单光子水平。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光学领域，特别涉及基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法。
背景技术
近年来，太赫兹技术在基础研究方面和应用研究领域，取得了一定的进步和发展，相关的太赫兹成像、波谱技术正在快速发展，太赫兹技术展现的应用前景是广阔而极具吸引力的。太赫兹波具有高穿透性、低光子能量、高带宽等特点。可广泛用于超高速的无线通信***；表层生物医学成像以及无损检测成像；物质特征光谱识别；人体安全检查成像。目前，对太赫兹波的探测多采用相干探测和非相干探测两种方法，其中相干探测主要为机械延迟取样法；非相干探测主要是利用热释电探测器、高莱盒探测器或者晶体管探测器对太赫兹波的强度进行探测。现有半导体材料探测器探测效率低、噪声大。超导探测器性能优越，但造价昂贵、对工作环境要求严苛。因此，发展新型的太赫兹波段探测方法迫在眉睫。
机械延迟取样可以探测到太赫兹波的频谱相位信息，但需要比较长的取样扫描时间，特别是在需要获取很宽频谱范围太赫兹光谱的情况下，单次光谱测量需覆盖很大的光学延时取样范围，其频谱分辨率的提升依赖于增加扫描时间，而且脉冲太赫兹光源本身的频谱控制精度也非常有限，通常的脉冲式太赫兹光谱技术难以获得高精度太赫兹光谱。使用热释电探测器、高莱盒探测器或者晶体管探测器对太赫兹波进行非相干探测只能探测到太赫兹波的强度，无法描述出太赫兹波的频谱相位信息，限制了太赫兹波的应用场景，且现有常规半导体材料探测器探测灵敏度低、效率低、噪声大。具有高灵敏度的探测器，通常造价昂贵且需要超低温的工作环境，这无疑增加了工作难度。
发明内容
针对现有技术在太赫兹波探测方面存在灵敏度低、无法实时高精度探测的问题，本发明公开了一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法，提出将频率上转换技术应用于太赫兹波段，将太赫兹波转换到例如可见光、近红外等现有技术易于进行探测的波段进行探测，其中通过异步频率变换和脉冲自扫描方式实现太赫兹波的实时探测。本发明基于非线性频率转换技术，结合无需借助机械延迟线即可实现的异步光学采样，实现对太赫兹波的实时探测，其中可以将单脉冲扫描时间缩短到ms量级。并且，在频率转换过程中太赫兹波的频率和相位信息可以通过不同的方式解读出来，且理论上可以将对太赫兹波的探测能力提升到单光子水平。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置，其用于探测频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲；
所述太赫兹波实时探测装置包括泵浦光源、第二非线性晶体及探测器，其中：
所述泵浦光源被设置用于输出频率为ω2且具有第二重复频率f2的泵浦光脉冲，其中，f1＝f2+△f，△f为预设的频率差；
所述第二非线性晶体被设置用于使所述太赫兹波脉冲与所述泵浦光脉冲发生频率上转换，以产生频率为ω3的和频光；
所述探测器被设置用于对所述和频光进行探测。
进一步地，本发明的太赫兹波实时探测装置还可以包括太赫兹波产生单元，所述太赫兹波产生单元包括第一超短脉冲激光器和太赫兹辐射源，其中：所述第一超短脉冲激光器被设置用于输出具有所述第一重复频率f1的第一超短激光脉冲；所述太赫兹辐射源被设置用于基于所述第一超短激光脉冲产生所述太赫兹波脉冲。
更进一步地，所述第一超短激光脉冲具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度；以及/或者，所述太赫兹辐射源包括第一非线性晶体、半导体材料或光电导天线。
更进一步地，所述太赫兹波产生单元还包括聚焦透镜，其用于将所述第一超短激光脉冲聚焦于所述太赫兹辐射源上；以及/或者，所述太赫兹波产生单元还包括收集元件，其用于收集由所述太赫兹波辐射源出射的太赫兹波脉冲；以及/或者，所述太赫兹波产生单元还包括滤波元件，其用于对由所述太赫兹波辐射源出射的太赫兹波脉冲进行滤波。
优选地，所述收集元件包括离轴抛物面镜；以及/或者，所述滤波元件为聚四氟乙烯材质；以及/或者，所述第一非线性晶体包括GaP或ZnTe。
进一步地，所述频率ω3在红外、近红外或者可见光范围；以及/或者，所述泵浦光源包括第二超短脉冲激光器；以及/或者，所述探测器包括硅探测器。
进一步地，本发明的太赫兹波实时探测装置还可以包括：用于使所述泵浦光脉冲和所述太赫兹波脉冲交叉地入射所述第二非线性晶体的离轴抛物面镜；或者，用于使所述泵浦光脉冲和所述太赫兹波脉冲在空间上重合的合束单元。
本发明的第二方面涉及一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测方法，其包括，
步骤一：提供频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲和频率为ω2且具有第二重复频率f2的泵浦光脉冲，所述第二重复频率f2与所述第一重复频率f1之间具有预设的频率差△f；
步骤二：使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲入射非线性晶体上，以发生频率上转换过程，从而产生频率为ω3的和频光；以及，
步骤三：利用探测器对所述和频光进行探测。
优选地，所述频率ω3在红外、近红外或者可见光范围内。
进一步地，所述步骤一包括利用具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲作用于太赫兹辐射源上产生所述太赫兹波脉冲的步骤；以及/或者，所述步骤二还包括使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲在空间上重合以入射至所述非线性晶体上，或者使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲交叉地入射至所述非线性晶体上的步骤。
优选地，具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度。
优选地，所述步骤一还包括对由所述太赫兹辐射源出射的所述太赫兹波脉冲进行收集和滤波的步骤，和/或将具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲聚焦于所述太赫兹辐射源上的步骤。
优选地，本发明的探测方法可以在上述基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置中执行。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了用于本发明的频率上转换过程的一个示例的示意图；
图2示出了根据本发明的基于异步频率转换过程实现的太赫兹波实时探测方案的原理图；
图3示出了根据本发明的基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置的一种实施方式。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
为更好地理解本发明的内容，文中首先将说明用于本发明的非线性频率上转换的基本原理。
图1示出了频率为ω1的太赫兹波脉冲与频率为ω2的可见光脉冲通过非线性频率上转换过程产生频率为ω3的可见光脉冲的原理图。
利用非线性光学介质的二阶非线性极化效应，不同频率ω的电磁波之间可以发生参量相互作用，频率上转换是这种相互作用的效应之一。该效应是将频率为ω1的信号光与频率为ω2的泵浦光在非线性晶体中和频，从而转换成具有更高频率ω3的和频光。例如在图1所示的用于本发明的太赫兹波实时探测方案的一种非线性频率上转换过程的示例中，频率为ω1的太赫兹波脉冲和频率为ω2(其例如在可见光范围内)的强泵浦光脉冲在非线性光学介质(非线性晶体)中传播，光电场引起介质极化，从而发生二阶非线性极化作用，最终产生具有更高频率ω3(其例如同样在可见光范围内)的和频光，从而允许借助例如可见光范围的探测技术进行探测。
在非线性频率上转换过程中，假设参与作用的两个光脉冲都是沿同一水平方向传播的平面波,且它们在二阶非线性系数不为零的非线性晶体中传播时损耗为零，此时，该非线性频率转换过程可以用以下一组耦合微分方程表示：
式中，ni为与ωi对应的折射率，△k＝k1+k2-k3为相位因子，deff为非线性介质的有效非线性系数，x是光波传输方向。
假设入射的泵浦光电场E2和太赫兹波电场E1为常量，并忽略泵浦光在作用过程中的衰减，利用慢变振幅近似条件得到经过长度为L的非线性晶体之后，和频光电场E3可用下式表示：
其中，sinc函数是与相位匹配有关的函数,其用于描述相互作用的各电场之间的相位同步关系。
由光强关系式
可以进一步得到和频光的光强I3：
在完全相位匹配条件下，经过长度为L的非线性晶体之后的频率上转换效率可以写为：
由此可知，频率上转换效率与泵浦光功率P2成正比。因此，在本发明提出的太赫兹波实时探测方案中，只要泵浦光功率足够高，就可以将信号强度较弱的太赫兹波转换成具有一定强度的和频光，从而允许对例如单光子水平的太赫兹波进行探测。
至此，本领域技术人员能够理解，在本发明提出的太赫兹波实时探测方案中，可以通过合理地选择泵浦光的频率ω2，可以将待探测的太赫兹波从难以探测的频段ω1转换成现有技术容易探测的频段ω3，例如红外、近红外或者可见光波段，从而利用技术发展相对成熟的红外、近红外或者可见光探测技术实现对太赫兹波的探测，显著降低探测难度，提高探测精度和效率；同时，例如通过合理地选择泵浦光的功率P2，可以将强度较弱(例如单光子水平)的太赫兹波转换成具有更高功率的和频光以供探测，从而允许将太赫兹波的探测能力提升至单光子水平。
基于上述分析可知，该频率上转换效率还与有效非线性系数、晶体长度和相位失配量都有关系。在一定的泵浦光功率下，为得到尽可能高的转换效率，应该选用具有较大有效非线性系数的晶体，且在理想的相位匹配条件下作用应尽可能长的距离。为满足相位匹配条件，应用适当的入射角度、温度等调谐机制来保证高效的频率转换。
在上述非线性频率上转换的基础上，本发明提出了一种基于异步频率转换实现的太赫兹波实时探测方案。
图2示出了根据本发明的基于异步频率转换的太赫兹波实时探测方案的原理图。
如图2所示，在本发明的太赫兹波实时探测方案中，对于频率为ω1且具有第一重复频率f1的待探测太赫兹波脉冲(其例如可以利用具有第一重复频率f1的超短激光脉冲激发产生，该超短激光脉冲在时域上表现为一系列等时间间距的脉冲串)，可以利用频率为ω2(其在图2的示例中为可见光范围)且具有第二重复频率f2的高功率光脉冲为泵浦光脉冲与太赫兹波脉冲发生频率上转换过程，以将太赫兹波脉冲转换成处于易于探测频段的频率ω3的和频光。
在本发明中，将第一重复频率f1和第二重复频率f2选择成满足以下关系式f1＝f2+△f，以在太赫兹波和泵浦光之间实现异步频率转换，其中，重复频率差△f可以事先根据探测范围和频谱分辨率合理设定，这将在下文中进一步详细描述。
为更清楚地理解本发明的太赫兹波实时探测方案的采样原理，下文将说明无需借助延迟线，通过异步频率转换实现对太赫兹波时间采样的原理。
在f1＝f2+△f的情况下，假设太赫兹波脉冲和泵浦光脉冲在某个时间上发生重合，由于二者重复频率不同(即脉冲时间间隔不同)，在下一个脉冲时，在太赫兹波脉冲与泵浦光脉冲之间将有一个时间差，以后的每个脉冲上都将依次有一个时间差，直到两者再次重合为止。
在本发明中，太赫兹波脉冲和泵浦光脉冲将在非线性晶体中发生频率上转换作用。根据前面关于非线性频率上转换过程的原理分析可知，通过频率上转换产生的频率为ω3的和频光的光强受泵浦光与太赫兹波在非线性晶体中的时间延迟影响。例如，当泵浦光脉冲与太赫兹波脉冲完全重合时，和频光的信号强度最大，且该强度随泵浦光脉冲与太赫兹波脉冲之间的时间差增大而降低，直至两个脉冲完全分离。因此，可以通过测量和频光的信号强度实现对太赫兹波脉冲的时间取样测量，由此可以不采用任何机械延迟线即来实现太赫兹波脉冲的时间取样。例如，可以利用例如硅探测器等可见光探测器对具有频率ω3(其例如在可见光范围)的和频光脉冲进行实时探测，并记录和保存探测结果，从而实现对太赫兹波脉冲的实时探测。
进一步地，在图2所示的本发明的探测方案中，完成对一个太赫兹波脉冲的采样所需时间T为：
太赫兹波脉冲信号与真实信号相比的时域放大倍率为：
一个太赫兹波脉冲上的采样点个数n及采样时间间隔Δτ分别为：
可探测到的太赫兹波截止频率fTHz及频谱分辨率f0分别为：
基于此，本领域技术人员容易根据所需要的太赫兹波频谱探测范围、频谱分辨率等参数，合理地选择例如泵浦光脉冲功率P2及频率ω2、第一重复频率f1、第二重复频率f2及重复频率差△f等参数的设定值。
下面结合图3示出的根据本发明的基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置的一种实施方式来进一步说明本发明的工作过程。
如图所示，该太赫兹波实时探测装置可以包括太赫兹波产生单元、泵浦光源102、非线性晶体304及探测器305。
太赫兹波产生单元用于产生待探测的太赫兹波脉冲。在图3的示例中，太赫兹波产生单元可以包括第一超短脉冲激光器101、聚焦透镜201、太赫兹辐射源202、收集元件301和滤波元件302。
第一超短脉冲激光器101发射出的其重复频率为f1的第一超短激光脉冲经聚焦透镜301聚焦后垂直入射至太赫兹辐射源202上，从而产生频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲。
其中，太赫兹辐射源202可以(但不限于)为非线性晶体(例如GaP或ZnTe)、半导体材料或者光电导天线。
第一超短激光脉冲可以具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度。
从太赫兹辐射源202出射的太赫兹波脉冲再由收集元件301进行收集，并经滤波元件302进行滤波。
在图3的示例中，收集元件301可以包括第一离轴抛物面镜301，其用于收集由第一非线性晶体202出射的太赫兹波脉冲，并将太赫兹波脉冲朝向滤波元件传输；滤波元件302可以由聚四氟乙烯形成，用于滤除太赫兹波脉冲中的其他频率成分。
泵浦光源102可以包括第二超短脉冲激光器102，其用于提供频率为ω2且具有第二重复频率f2的第二超短激光脉冲以作为泵浦光脉冲。
其中，第二重复频率f2与第一重复频率f1之间具有预设的重复频率差△f，且频率ω1和频率ω2应被选择成使由太赫兹波脉冲和泵浦光脉冲在非线性晶体304中经频率上转换产生的和频光的频率ω3处于易于探测的频率范围(例如红外、近红外或者可见光)，以便能够利用成熟的探测器技术(例如利用红外、近红外或者可见光探测器305)对其进行探测。
如图3所示，本发明的太赫兹波实时探测装置还可以包括第二离轴抛物面镜303，其用于使由泵浦光源102提供的泵浦光脉冲和由太赫兹波产生单元提供的太赫兹波脉冲交叉地入射至非线性晶体304上。作为第二离轴抛物面镜303的替换，太赫兹波实时探测装置可以包括合束单元303，其用于使泵浦光脉冲和太赫兹波脉冲在空间上重合形成合束光，用于入射至非线性晶体304上。
在图3的示例中，从功能上分可以包括光源区100、太赫兹产生区200和太赫兹探测区300，其中光源区100包括第一和第二超短脉冲激光器101和102，太赫兹产生区200包括聚焦透镜201和太赫兹辐射源202，太赫兹探测区300可以包括收集元件301、滤波元件302、抛物面镜或合束单元303、非线性晶体304和探测器305。
相应地，本发明还提出了一种基于异步频率转换的太赫兹波实时探测方法，其可以包括以下步骤。
步骤一：提供频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲和频率为ω2且具有第二重复频率f2的泵浦光脉冲，且第二重复频率f2与第一重复频率f1之间具有预设的重复频率差△f。
其中，可以利用具有第一重复频率f1的第一超短激光脉冲作用于太赫兹辐射源上产生该太赫兹波脉冲。如前所述，太赫兹辐射源可以采用非线性晶体(例如GaP或ZnTe)、半导体材料或者光电导天线。该超短激光脉冲可以具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度。
可以利用超短脉冲激光器产生第二超短激光脉冲作为泵浦光脉冲。
步骤二：使频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲和频率为ω2且具有第二重复频率f2的泵浦光脉冲入射非线性晶体上，以发生异步频率上转换过程，从而产生频率为ω3的和频光。
其中，频率ω3可以在红外、近红外或者可见光范围内。
步骤三：利用探测器对和频光进行探测，例如硅探测器。
进一步地，在步骤一中还可以包括对由太赫兹辐射源出射的太赫兹波脉冲进行收集和滤波的步骤，和/或将具有第一重复频率f1的第一超短激光脉冲聚焦于太赫兹辐射源上的步骤。
在步骤二中还可以包括使太赫兹波脉冲和泵浦光脉冲在空间上重合，以作为合束光入射至非线性晶体上的步骤；或者，使太赫兹波脉冲和泵浦光脉冲交叉地入射至非线性晶体上的步骤。
本领域技术人员能够理解，本发明的探测方法优选可以在本发明的探测装置中执行。
基于上述内容可知，在本发明所提出的基于异步频率转换的太赫兹波实时探测装置及方法中，利用光学频率上转换技术将太赫兹波的探测转换到技术发展相对成熟的近红外或可见光波段，可以有效提高探测灵敏度。同时，利用无机械延迟线的异步光学采样，缩短了时域探测时间，可实现实时探测，为太赫兹成像更广范围地应用提供可能。此外，本发明的探测效率可以由泵浦激光的功率决定，因此可以方便地将太赫兹的探测能力提高到单光子水平，提高太赫兹成像的分辨能力。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (13)
1.一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置，其用于探测频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲；
所述太赫兹波实时探测装置包括泵浦光源、第二非线性晶体及探测器，其中：
所述泵浦光源被设置用于输出频率为ω２且具有第二重复频率f２的泵浦光脉冲，其中，f1＝f２+Δf，Δf为根据探测范围和频谱分辨率f0预设的频率差，可探测到的太赫兹波截止频率
f0＝f2，
所述第二非线性晶体被设置用于使所述太赫兹波脉冲与所述泵浦光脉冲发生频率上转换，以产生频率为ω3的和频光；
所述探测器被设置用于对所述和频光进行探测。
2.如权利要求1所述的太赫兹波实时探测装置，其还包括太赫兹波产生单元，所述太赫兹波产生单元包括第一超短脉冲激光器和太赫兹辐射源，其中：
所述第一超短脉冲激光器被设置用于输出具有所述第一重复频率f1的第一超短激光脉冲；
所述太赫兹辐射源被设置用于基于所述第一超短激光脉冲产生所述太赫兹波脉冲。
3.如权利要求2所述的太赫兹波实时探测装置，其中，所述第一超短激光脉冲具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度；以及/或者，所述太赫兹辐射源包括第一非线性晶体、半导体材料或光电导天线。
4.如权利要求3所述的太赫兹波实时探测装置，其中：
所述太赫兹波产生单元还包括聚焦透镜，其用于将所述第一超短激光脉冲聚焦于所述太赫兹辐射源上；以及/或者，
所述太赫兹波产生单元还包括收集元件，其用于收集由所述太赫兹波辐射源出射的太赫兹波脉冲；以及/或者，
所述太赫兹波产生单元还包括滤波元件，其用于对由所述太赫兹波辐射源出射的太赫兹波脉冲进行滤波。
5.如权利要求4所述的太赫兹波实时探测装置，其中：
所述收集元件包括离轴抛物面镜；以及/或者，
所述滤波元件为聚四氟乙烯材质；以及/或者，
所述第一非线性晶体包括GaP或ZnTe。
6.如权利要求1所述的太赫兹波实时探测装置，其中：
所述频率ω3在红外、近红外或者可见光范围；以及/或者，
所述泵浦光源包括第二超短脉冲激光器；以及/或者，
所述探测器包括硅探测器。
7.如权利要求1所述的太赫兹波实时探测装置，其还包括：
用于使所述泵浦光脉冲和所述太赫兹波脉冲交叉地入射所述第二非线性晶体的离轴抛物面镜；或者，
用于使所述泵浦光脉冲和所述太赫兹波脉冲在空间上重合的合束单元。
8.一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测方法，其包括，
步骤一：提供频率为ω1且具有第一重复频率f1的太赫兹波脉冲和频率为ω2且具有第二重复频率f2的泵浦光脉冲，所述第二重复频率f2与所述第一重复频率f1之间具有预设的频率差Δf，其中，根据探测范围和频谱分辨率f0设置Δf，可探测到的太赫兹波截止频率
f0＝f2，
步骤二：使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲入射非线性晶体上，以发生频率上转换过程，从而产生频率为ω3的和频光；以及，
步骤三：利用探测器对所述和频光进行探测。
9.如权利要求8所述的探测方法，其中，所述频率ω3在红外、近红外或者可见光范围内。
10.如权利要求8所述的探测方法，其中：
所述步骤一包括利用具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲作用于太赫兹辐射源上产生所述太赫兹波脉冲的步骤；以及/或者，
所述步骤二还包括使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲在空间上重合以入射至所述非线性晶体上，或者使所述太赫兹波脉冲和所述泵浦光脉冲交叉地入射至所述非线性晶体上的步骤。
11.如权利要求10所述的探测方法，其中，具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲具有飞秒、皮秒或者纳秒的脉冲宽度。
12.如权利要求10所述的探测方法，其中，所述步骤一还包括对由所述太赫兹辐射源出射的所述太赫兹波脉冲进行收集和滤波的步骤，和/或将具有所述第一重复频率f1的超短激光脉冲聚焦于所述太赫兹辐射源上的步骤。
13.如权利要求8所述的探测方法，其在如权利要求1-7中任一项所述的基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置中执行。
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