專利名稱：高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器及其調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲波準光學(xué)器件，尤指一種能使用兩種不同的方式高速精確 連續(xù)調(diào)控太赫茲波偏振狀態(tài)的太赫茲波準光學(xué)器件。本發(fā)明廣泛適用于太赫茲技術(shù)研究、 新材料研究、環(huán)境檢測和生物醫(yī)學(xué)分析，可以彌補該類器件調(diào)制頻率低、精度不高以及調(diào)制 振幅小以至于不能應(yīng)用于太赫茲波段的不足。
背景技術(shù)：
太赫茲波是頻率為0. 3THz-30THz (波長約為10 μ m-lmm,光子能量約為 1. 2meV-120meV)的電磁波，它處于紅外波與毫米波之間，是電磁波譜中一個很重要的波段。 與傳統(tǒng)光源相比，太赫茲波輻射源具有相干、低能、穿透力強等獨特、優(yōu)異的特性，所以它在 物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及安全檢查、醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境 監(jiān)測、食品檢驗、射電天文、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有巨大的科學(xué)研究價 值和廣闊的應(yīng)用前景。近年來，隨著真空電子技術(shù)、半導(dǎo)體微電子技術(shù)、超快激光技術(shù)以及 非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)的飛速發(fā)展，太赫茲科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為國際研究的熱點。 目前，包括美國、西歐和日本等發(fā)達國家在內(nèi)的世界各國都對太赫茲波技術(shù)的研究給予高 度的重視，投入了大量的人力和物力，陸續(xù)開展了與各自領(lǐng)域相關(guān)的太赫茲波技術(shù)的研究。 因此，能將太赫茲技術(shù)方便、靈活地運用于科研工作和實際生活中，已經(jīng)成為21世紀科研 工作者追求的目標和迫切需要解決的實際問題。雖然太赫茲波(又稱太赫茲輻射、THz波)在過去的二十多年中已經(jīng)有了長足的 發(fā)展，但是直到目前為止，仍然是一個技術(shù)尚不成熟的領(lǐng)域，尤其是在太赫茲系統(tǒng)集成上有 嚴重的技術(shù)空白，其根本原因在于太赫茲(以下簡稱THz)應(yīng)用的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)一光源、傳 輸和檢測技術(shù)的不成熟。雖然國際上在廣泛開展固態(tài)THz波光源、探測器和放大器等THz 電子學(xué)所需的關(guān)鍵部件的研究，但是對THz準光學(xué)器件、波導(dǎo)等THz傳輸、調(diào)制器件的研制 方面還相對薄弱，而這些功能器件在THz光電子及其集成應(yīng)用系統(tǒng)中極其重要。目前最常 用的THz輻射傳送方法是準光學(xué)傳送，準光學(xué)器件與技術(shù)的發(fā)展對毫米波與太赫茲頻譜的 開拓具有重要的意義。同時，利用THz波譜技術(shù)不僅可以獲得太赫茲波的電場強度，而且可 以通過測量太赫茲電場的偏振信息，獲得其相位信息，這樣就可以直接獲得物體的復(fù)介電 常數(shù)，因此對太赫茲波偏振態(tài)的調(diào)制就尤其重要，而現(xiàn)如今關(guān)于THz偏振態(tài)調(diào)控方面的研 究還處于初級階段，發(fā)展該類太赫茲器件的要求相當急迫?，F(xiàn)有的偏振調(diào)節(jié)器一般是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大并且價格昂貴的系統(tǒng)，如專利 申請?zhí)枮?00610072875. 5的“可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置及其方法”，可以通過光調(diào)節(jié)成 任意所需的偏振態(tài)，并可測量光的偏振度和產(chǎn)生擾偏光，但是該系統(tǒng)測試時間長，操作過程 復(fù)雜，測試精度低，調(diào)制頻率低，系統(tǒng)體積大不易移動而且不能應(yīng)用于太赫茲波段的偏振調(diào) 節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)偏振調(diào)節(jié)器的諸多不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高速太 赫茲偏振調(diào)節(jié)器及其調(diào)控方法，通過兩種不同的方式高速并且高精度連續(xù)調(diào)控轉(zhuǎn)換太赫茲 波偏振狀態(tài)。實現(xiàn)上述本發(fā)明第一個目的的技術(shù)方案為—種高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其特征在于包括相隔一定距離平行設(shè)置的太赫茲線 柵起偏器及太赫茲反射鏡，其中所述太赫茲線柵起偏器為高純硅基底上形成的金屬線柵，所 述太赫茲反射鏡至少包括普通平面反射鏡和電光晶體鍍反射膜形成的反射鏡中任意一種。進一步地，前述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其中該用作太赫茲反射鏡的電光晶體 采用在太赫茲波段高透的石英晶體，且石英晶體的Z軸與入射光的主光軸方向相一致。該 電光晶體遠離太赫茲線柵起偏器的平面上蒸鍍有反光性的金屬膜，且所述電光晶體上外加 有用于調(diào)控電光晶體折射率的電場。進一步地，前述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其中該太赫茲反光鏡為普通平面反射 鏡，且所述太赫茲線柵起偏器與太赫茲反射鏡之間設(shè)有超聲波換能器和變幅桿構(gòu)成的距離 調(diào)控單元。實現(xiàn)上述本發(fā)明第二個目的的技術(shù)方案為一種高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，基于前述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其 特征在于首先通過太赫茲線柵起偏器將入射的太赫茲波分成兩束偏振方向互相垂直的分 量，繼而對應(yīng)于采用電光晶體鍍反射膜形成的反射鏡作為太赫茲反射鏡，改變施加在電光 晶體的電場強度，以連續(xù)調(diào)控太赫茲線柵起偏器與太赫茲反射鏡之間的傳輸介質(zhì)對太赫茲 波的折射率，使通過太赫茲線柵起偏器的反射分量發(fā)生相位延遲，再與另一個分量疊加，最 終實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控疊加后太赫茲波的偏振狀態(tài)。實現(xiàn)上述本發(fā)明第二個目的的技術(shù)方案還可以是一種高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，基于前述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其 特征在于首先通過太赫茲線柵起偏器將入射的太赫茲波分成兩束偏振方向互相垂直的 分量，繼而對應(yīng)于采用普通平面反射鏡作為太赫茲反射鏡，連續(xù)改變太赫茲反射鏡與太赫 茲線柵起偏器間的距離，使通過太赫茲線柵起偏器的反射分量與另一個分量之間形成光程 差，反射后的兩個分量相疊加，最終實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控疊加后太赫茲波的偏振狀態(tài)。進一步地，前述高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，其中該太赫茲反射鏡與太赫 茲線柵起偏器間距離的連續(xù)調(diào)控，通過超聲波換能器和變幅桿構(gòu)成的距離調(diào)控單元使普通
平面反射鏡以I的振幅進行高頻振動實現(xiàn)。 4本發(fā)明高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器及其調(diào)控方法的應(yīng)用，其顯著優(yōu)點是該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，可以彌補傳統(tǒng)該類器件調(diào)制頻率低、精度不高以及調(diào) 制振幅小以至于不能應(yīng)用于太赫茲波段的不足，使調(diào)制頻率能達到30kHz。而且，該偏振調(diào) 節(jié)器還可應(yīng)用于太赫茲光譜儀和太赫茲通信系統(tǒng)等準光學(xué)系統(tǒng)中，可以廣泛適用于太赫茲 技術(shù)研究、新材料研究、環(huán)境檢測和生物醫(yī)學(xué)分析等，對太赫茲波的應(yīng)用具有很大的科學(xué)研 究價值和發(fā)展前景。


圖1為線柵起偏器的工作原理圖；圖2為本發(fā)明實施例一的偏振調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理示意圖；圖3為本發(fā)明實施例二的偏振調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理示意圖。圖中各附圖標記的含義為1 太赫茲線柵起偏器、11 高純硅基底、12 金屬線 柵、2 太赫茲光反射鏡。
具體實施例方式為克服現(xiàn)有技術(shù)偏振調(diào)節(jié)器測試時間長、操作過程復(fù)雜、測試精度低、調(diào)制頻率 低，系統(tǒng)體積大不易移動而且不能應(yīng)用于太赫茲波段等不足，本發(fā)明設(shè)計了一種使用兩種 不同的方式能高速、精確連續(xù)調(diào)控轉(zhuǎn)換太赫茲波偏振狀態(tài)的太赫茲偏振調(diào)節(jié)器。本發(fā)明偏 振調(diào)節(jié)器能夠廣泛適用于太赫茲技術(shù)研究、新材料研究、環(huán)境檢測和生物醫(yī)學(xué)分析，而且該 器件還可應(yīng)用于太赫茲光譜儀和太赫茲通信系統(tǒng)等準光學(xué)系統(tǒng)中，例如將超聲波振動引入 到傅里葉光譜儀中的定鏡上實現(xiàn)高速微小的相位調(diào)制，可以實現(xiàn)傅里葉光譜的步進掃描， 大大提高傅里葉光譜儀的信噪比。該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器包括相隔一定距離平行設(shè)置的 太赫茲線柵起偏器1及太赫茲反射鏡，其中太赫茲線柵起偏器1為高純硅基底上形成的金 屬柵，其中該太赫茲反射鏡至少包括普通平面反射鏡2a和電光晶體鍍反射膜形成的反射 鏡2b中任意一種。實施例一如圖1和圖2所示，是本發(fā)明太赫茲線柵起偏器的工作原理圖和偏振調(diào)節(jié)器第一 個實施例的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。從圖中所示可見該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器包括相隔一定 距離平行設(shè)置的太赫茲線柵起偏器及太赫茲反射鏡，其中該太赫茲線柵起偏器1為高純硅 基底11上形成的金屬線柵12，該太赫茲反射鏡為普通平面反射鏡2a。此外，在該太赫茲線 柵起偏器1與太赫茲反射鏡之間設(shè)有超聲波換能器和變幅桿構(gòu)成的距離調(diào)控單元(未圖 示)°具體來看該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征及功能太赫茲線柵起偏器1的作用是將平行入射的太赫茲光分成兩束。如圖2所示當 一束THz平行光入射到線柵起偏器后，該束光電場方向沿線柵方向的分量Ey被反射，而電 場方向與線柵方向垂直的分量Ex透射，從而將平行入射太赫茲光分成兩份；太赫茲光反射鏡2a的作用是將透過太赫茲線柵起偏器1的THz光分量Ex再反射 回到太赫茲線柵起偏器1，并使帶有相位延遲的Ex分量再次透射太赫茲線柵起偏器1，與被 太赫茲線柵起偏器1反射的Ey分量相疊加。其中帶有相位延遲的Ex分量是這樣產(chǎn)生的
采用超聲波使普通平面反射鏡以#的振幅進行高頻振動，可以連續(xù)調(diào)控太赫茲反射鏡2a
4
與太赫茲線柵起偏器1之間的距離d，控制兩束合成光之間的光程差及相位差，從而控制合 成光的偏振狀態(tài)，并且將調(diào)制頻率提高至30kHz以上。在該實施例情況下，相位差的變化Φ
Iff
符合 φ = —
O實施例二
5
如圖1和圖3所示，是本發(fā)明太赫茲線柵起偏器的工作原理圖和偏振調(diào)節(jié)器第二 個實施例的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。從圖中所示可見該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器包括相隔一定 距離平行設(shè)置的太赫茲線柵起偏器及太赫茲反射鏡，其中該太赫茲線柵起偏器1為高純硅 基底11上形成的金屬線柵12，該太赫茲反射鏡為電光晶體鍍反射膜形成的反射鏡2b，并于 其上施加有用于調(diào)控電光晶體折射率且強度線性可控的電場。具體來看該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征及功能太赫茲線柵起偏器1的作用與實施例一相同，茲不予贅述；太赫茲光反射鏡2b的作用是將透過太赫茲線柵起偏器1的THz光分量Ex再反射 回到太赫茲線柵起偏器1，并使帶有相位延遲的Ex分量再次透射太赫茲線柵起偏器1，與 被太赫茲線柵起偏器1反射的Ey分量相疊加。其中帶有相位延遲的Ex分量是這樣產(chǎn)生 的通過連續(xù)調(diào)控施加在電光晶體的電場強度來連續(xù)調(diào)控電光晶體的折射率，即太赫茲反 射鏡2與太赫茲線柵起偏器1之間傳輸介質(zhì)的折射率，通過控制太赫茲線柵起偏器1與太 赫茲反射鏡2的折射率變化也可以控制兩束合成光的光程差及相位差，從而控制合成光的 偏振狀態(tài)，并且將調(diào)制頻率提高至30kHz以上。在該實施例情況下，相位差的變化Φ符合
2萬
φ 二 -^― stiAii^d
1
O通過以上結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法的描述，本發(fā)明的實質(zhì)性特征已明確，其效果主要歸結(jié) 為以下幾點1、該發(fā)明可以高速、連續(xù)調(diào)控太赫茲波的偏振狀態(tài)。2、太赫茲線柵起偏器的設(shè)計加工為高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器實現(xiàn)分光提供了保障。3、使用超聲波的方式來實現(xiàn)太赫茲線柵起偏器與平面反射鏡之間距離的精確調(diào) 控，使本發(fā)明實現(xiàn)高于30kHz的調(diào)制頻率。4、本發(fā)明以石英晶體的Z軸作為光軸，設(shè)置不同的調(diào)控電場來精確調(diào)控太赫茲線 柵起偏器與反射鏡之間折射率的變化，從而控制合成光的偏振狀態(tài)。5、該高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的主要光學(xué)、機械構(gòu)件均為常規(guī)材料簡單加工得到， 成本較低，易于應(yīng)用與推廣。綜上所述，本發(fā)明高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器及其調(diào)控方法通過實施例的具體描述， 其結(jié)構(gòu)特征及調(diào)控原理已被詳細地公示。然而，以上兩個詳細描述的實施例僅為深入理解 本發(fā)明創(chuàng)新實質(zhì)而提供，并非以此限制本發(fā)明具體實施方式
的多樣性，但凡基于上述實施 例及其調(diào)控方法所作的等效替換或簡單修改，均應(yīng)該被包含于本發(fā)明專利請求的專利保護 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其特征在于包括相隔一定距離平行設(shè)置的太赫茲線柵起偏器及太赫茲反射鏡，其中所述太赫茲線柵起偏器為高純硅基底上形成的金屬線柵，所述太赫茲反射鏡至少包括普通平面反射鏡和電光晶體鍍反射膜形成的反射鏡中任意一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其特征在于所述用作太赫茲反射 鏡的電光晶體采用在太赫茲波段高透的石英晶體，且石英晶體的Z軸與入射光的主光軸方 向相一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其特征在于所述電光晶體遠 離太赫茲線柵起偏器的平面上蒸鍍有反光性的金屬膜，且所述電光晶體上外加有用于調(diào)控 電光晶體折射率的電場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其特征在于所述太赫茲反光鏡為 普通平面反射鏡，且所述太赫茲線柵起偏器與太赫茲反射鏡之間設(shè)有超聲波換能器和變幅 桿構(gòu)成的距離調(diào)控單元。
5.高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，基于權(quán)利要求1所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié) 器，其特征在于首先通過太赫茲線柵起偏器將入射的太赫茲波分成兩束偏振方向互相垂 直的分量，繼而對應(yīng)于采用電光晶體鍍反射膜形成的反射鏡作為太赫茲反射鏡，改變施加 在電光晶體的電場強度，以連續(xù)調(diào)控太赫茲線柵起偏器與太赫茲反射鏡之間的傳輸介質(zhì)對 太赫茲波的折射率，使通過太赫茲線柵起偏器的反射分量發(fā)生相位延遲，再與另一個分量 疊加，最終實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控疊加后太赫茲波的偏振狀態(tài)。
6.高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，基于權(quán)利要求1所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié) 器，其特征在于首先通過太赫茲線柵起偏器將入射的太赫茲波分成兩束偏振方向互相垂 直的分量，繼而對應(yīng)于采用普通平面反射鏡作為太赫茲反射鏡，連續(xù)改變太赫茲反射鏡與 太赫茲線柵起偏器間的距離，使通過太赫茲線柵起偏器的反射分量與另一個分量之間形成 光程差，反射后的兩個分量相疊加，最終實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控疊加后太赫茲波的偏振狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速太赫茲偏振調(diào)節(jié)器的調(diào)控方法，其特征在于所述太赫 茲反射鏡與太赫茲線柵起偏器間距離的連續(xù)調(diào)控，通過超聲波換能器和變幅桿構(gòu)成的距離調(diào)控單元使普通平面反射鏡以I的振幅進行高頻振動實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種能連續(xù)調(diào)控太赫茲波偏振狀態(tài)的太赫茲波準光學(xué)器件，即太赫茲偏振調(diào)節(jié)器，其能高速、精確、連續(xù)調(diào)制太赫茲波的偏振狀態(tài)，可以廣泛適用于太赫茲技術(shù)研究、新材料研究、環(huán)境檢測和生物醫(yī)學(xué)分析。本發(fā)明的特點在于包括相隔一定距離平行設(shè)置的太赫茲線柵起偏器及太赫茲反射鏡，通過連續(xù)調(diào)控線柵起偏器與反射鏡之間的距離或者連續(xù)調(diào)控線柵起偏器與反射鏡之間的介質(zhì)對太赫茲波的折射率，使通過線柵起偏器的反射分量的發(fā)生相位延遲，再與另一個分量疊加，最終達到連續(xù)調(diào)控兩束光疊加后的偏振狀態(tài)的目的。本發(fā)明的偏振調(diào)節(jié)器彌補了該類器件調(diào)制頻率低、精度不高以及調(diào)制振幅小以至于不能應(yīng)用于太赫茲波段的不足，使調(diào)制頻率能達到30kHz。
文檔編號G02B27/28GK101943801SQ20101022412
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者劉宏欣, 張寶順, 樓柿濤, 秦華 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所