專利名稱：一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁波調(diào)整技術(shù)，特別涉及一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法。
背景技術(shù)：
近幾十年來，太赫茲波以其廣泛的應(yīng)用前景，已成為國際上物理領(lǐng)域的一個重要研究課題。太赫茲輻射是頻率在O. I到10 THz范圍的電磁波，這一波段位于微波與紅外之間，具有攜帶信息量豐富、高時空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、計算機(jī)、通信等科學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。目前，主要的應(yīng)用研究有太赫茲時域光譜技術(shù)、太赫茲成像技術(shù)、安全檢查、太赫茲雷達(dá)、天文學(xué)、通信技術(shù)。
目前，寬帶太赫茲脈沖的產(chǎn)生主要有光電導(dǎo)天線激發(fā)、光整流方法和非線性傳輸線這三種方法。光電導(dǎo)天線激發(fā)是利用光子能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的超短激光脈沖泵浦電場偏置的半導(dǎo)體，使其內(nèi)部激發(fā)載流子，產(chǎn)生電子-空穴對。它們在外加電場作用下加速運動，形成一個瞬態(tài)光電流，然后通過一個天線在短時間內(nèi)向自由空間傳播太赫茲電磁波。探測和產(chǎn)生所用的設(shè)備相同，只是光電導(dǎo)體不需要加偏置電壓。太赫茲電磁波發(fā)射系統(tǒng)的性能主要決定于三個因素光電導(dǎo)體、天線幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光脈沖寬度。一般情況下給出的泵浦激光脈沖的中心頻率和寬度是確定的，因此產(chǎn)生的太赫茲波的中心頻率和頻譜寬度就唯一確定了。此方法存在不能隨意調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的缺點。光整流方法是利用電光晶體作為非線性介質(zhì)，利用皮秒量級的激光脈沖泵浦ZnTe等電光晶體，通過二階或高階非線性光學(xué)過程來產(chǎn)生低頻電極化場，由此輻射出太赫茲電磁波。其中的物理過程是瞬時極化過程，要求一束超短激光脈沖聚焦在電光材料上。光整流的關(guān)鍵問題是相位匹配，它可以放大激光和太赫茲脈沖在非線性材料中的相互作用以及增強(qiáng)太赫茲產(chǎn)生效果。常用的非線性介質(zhì)有LiNb03、LiTa03、半導(dǎo)體GaAs、InTe、InP和有機(jī)晶體DAST等。但通過這種方法得到的太赫茲電磁波的中心頻率較低。非線性傳輸線是分布式的裝置，由一個高阻抗的傳輸線周期性地加載非線性元件。非線性元件通常為肖特基變?nèi)荻O管。由于非線性特性和固有散射之間的平衡，在裝置內(nèi)產(chǎn)生振蕩波或者孤子波，可以產(chǎn)生一定頻率的太赫茲電磁波輻射。另一方面，窄帶太赫茲脈沖的產(chǎn)生目前主要通過光學(xué)參量轉(zhuǎn)換光混頻的方法得至IJ。光學(xué)非線性晶體，例如LiNbO3,在近紅外區(qū)被較強(qiáng)的脈沖激光泵浦時，會產(chǎn)生受激極化散射現(xiàn)象。頻率為Wp的泵浦光激發(fā)非線性晶體時，產(chǎn)生一個頻率為Wi的光。兩束激光(其中至少一個為連續(xù)可調(diào))在光導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行光混頻，可以產(chǎn)生一個頻率為它們差值的光電流，若頻率在太赫茲范圍內(nèi)，則光電流可以通過天線自由輻射，形成太赫茲電磁波輻射。通過改變泵浦光的入射角可以得到不同頻率的太赫茲電磁波。但整個裝置對器件和激光的要求較高，造價昂貴，且要想得到不同中心頻率和頻譜寬度的太赫茲波不太容易實現(xiàn)。
總的來說，目前已有的太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)方法大多只能產(chǎn)生單一中心頻率和一定頻譜寬度的太赫茲波。如果在實驗過程中需要調(diào)整，不僅需要精確的計算，實驗裝置的調(diào)節(jié)也非常繁瑣?；谶@些實驗上的種種不便捷性，目前還沒有可連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的實驗裝置出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對目前太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)方法大多只能產(chǎn)生單一中心頻率和一定頻譜寬度的太赫茲波，調(diào)整頻率和頻譜寬度困難的問題，提出了一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，采用偏振門方法，以一束超快激光脈沖通過可移動的雙折射晶體斜劈對和零階1/4波片，產(chǎn)生偏振特殊的新光場。新光場再通過起偏器，便得到一個具有線偏振的窄脈沖寬度的激光脈沖。通過控制雙折射晶體斜劈對的插入量來得到不同寬度的激光脈沖，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜覽度的功能。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，飛秒·激光器輸出的初始激光脈沖，通過可移動的雙折射晶體斜劈對，初始激光脈沖被分成偏振相互垂直、具有時間延遲的兩束線偏振激光，依次經(jīng)過零階1/4波片、起偏器、聚焦透鏡、倍頻晶體后得到初始太赫茲波福射；把雙折射晶體斜劈對的兩塊晶體同時向相反方向移動相同的距離，分解得到與前時間延遲不同的兩束線偏振激光，新得時間延時的兩束線偏振激光依次通過一塊零階1/4波片，形成一個左旋和一個右旋偏振光，時域上則合成為新光場；新光場經(jīng)過起偏器，得到一個線偏振的新脈沖寬度的激光脈沖，新的激光脈沖通過聚焦透鏡聚焦，再通過位于聚焦透鏡聚焦焦點前端的倍頻晶體，在焦點附近產(chǎn)生等離子體，形成頻譜寬度不同于初始太赫茲波輻射的新太赫茲波輻射進(jìn)入太赫茲探測系統(tǒng)。所述雙折射晶體斜劈對可以是由各種單軸雙折射晶體制備得到，雙折射晶體可選方解石晶體、石英晶體或者紅寶石晶體，雙折射晶體斜劈對的光軸與初始激光脈沖的偏振方向成45°夾角，初始激光脈沖通過雙折射晶體斜劈對后被分成的兩束線偏振激光強(qiáng)度相
坐寸ο所述零階1/4波片的光軸與初始激光脈沖的偏振方向一致。所述起偏器偏振方向與初始激光脈沖的偏振方向一致。所述倍頻晶體可選BBO晶體，LBO晶體或者KTP晶體。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明是一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，裝置簡單，容易操作，可以自由調(diào)節(jié)雙折射晶體斜劈對的插入量。在實際操作過程中，只需要把雙折射晶體斜劈對的兩塊晶體同時向相反方向移動相同的距離，就可實現(xiàn)新激光脈沖寬度的改變，從而調(diào)整太赫茲波的中心頻率和頻譜寬度；該方法對于各種脈沖寬度和波長的光源都是適用的。


圖I為本發(fā)明實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的裝置結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法中偏振門原理示意圖3為本發(fā)明連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法中新光場示意圖。
具體實施例方式如圖I所示實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由激光器1，雙折射晶體斜劈對2，零階1/4波片3，起偏器4，聚焦透鏡5，倍頻晶體6，太赫茲探測系統(tǒng)7組成。在激光器I的出口處放置一塊雙折射晶體斜劈對2，將初始激光脈沖分成偏振相互垂直、具有一定時間延遲的兩束線偏振激光。由于雙折射晶體斜劈對2的光軸與初始激光脈沖的偏振方向成45°夾角，所以分成的兩束線偏振激光強(qiáng)度相等。兩束線偏振激光依次通過一塊零階1/4波片3，形成一個左旋和一個右旋偏振光，時域上則合成為偏振特殊的光場。這個光場的偏振隨著時間而變化，脈沖前沿為圓偏振，到達(dá)兩束光時域重合處時左右旋偏振相互抵消變?yōu)榫€偏振，隨后再逐漸變成圓偏振。光場經(jīng)過起偏器4，得到一個窄脈沖寬度的線偏振激光脈沖。所得線偏振激光脈沖的寬度與雙折射晶體斜劈對2的插入量有關(guān)。激光脈沖再經(jīng)過聚焦透鏡5、倍頻晶體6，在空氣中形成拉絲，產(chǎn)生等離子體，于是形 成太赫茲波輻射，進(jìn)入太赫茲探測系統(tǒng)7。此時得到的太赫茲波頻譜寬度要遠(yuǎn)大于由初始激光脈沖直接得到的太赫茲波頻譜寬度，中心頻率也會相應(yīng)地發(fā)生改變。初始激光脈沖可以是各種脈沖寬度的光脈沖。雙折射晶體斜劈對2可以是由各種單軸雙折射晶體制備得到，進(jìn)入雙折射晶體斜劈對2后，分成的兩束線偏振激光一束為ο光，一束為e光，雙折射晶體斜劈對不可太厚，以防分解所得的ο光和e光在時域上完全分開，雙折射晶體可以是方解石晶體、石英晶體或者紅寶石晶體，其光軸與初始激光脈沖的偏振方向成45°夾角。零階1/4波片3，其光軸與初始激光脈沖的偏振方向一致。起偏器4，其偏振方向與初始激光脈沖的偏振方向一致。倍頻晶體6可以是BBO晶體，LBO晶體或者KTP晶體。在下面的實施例中，以輸出光中心波長為800 nm的激光器為例，其他波段與該波
段的實施方法一致。激光器輸出光中心波長為800 nm，脈沖寬度為40 fs，重復(fù)頻率I KHz，以BBO倍頻晶體6獲得400 nm的倍頻光為例，具體實現(xiàn)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的調(diào)節(jié)過程如下由飛秒激光器I輸出的初始激光脈沖，如圖2所示偏振門原理示意圖，通過可移動的雙折射晶體斜劈對2，初始激光脈沖被分成偏振相互垂直、具有一定時間延遲的兩束線偏振激光；把雙折射晶體斜劈對2的兩塊晶體同時向相反方向移動相同的距離，即改變了雙折射晶體斜劈對2的插入量，則雙折射晶體的厚度隨之改變，導(dǎo)致分解所得的兩束線偏振激光之間的延時發(fā)生變化；新得的兩束線偏振激光依次通過一塊零階1/4波片3，形成一個左旋和一個右旋偏振光，如圖3所示新光場示意圖，時域上則合成為偏振特殊的新光場；這個新光場的偏振隨著時間而變化，脈沖前沿為圓偏振，到達(dá)兩束光時域重合處，強(qiáng)度相等的左右旋偏振光相互抵消變?yōu)榫€偏振，隨后再逐漸變成圓偏振；新光場經(jīng)過起偏器4，得到一個線偏振的窄脈沖寬度的激光脈沖。所得線偏振激光脈沖的寬度與雙折射晶體斜劈對2的插入量有關(guān)。以石英材料、斜劈對的傾斜角為10°、插入量的變化從0.1到I _的雙折射晶體斜劈對為例，所得線偏振激光脈沖的脈沖寬度變化量將在I到10 fs之間連續(xù)變化。此時的激光脈沖中心波長仍在800 nm處，但脈沖寬度小于初始激光脈沖的寬度。新的激光脈沖通過聚焦透鏡5聚焦。BBO倍頻晶體6位于激光焦點的前端，通過BBO倍頻晶體6的激光脈沖產(chǎn)生400 nm的光源。然后利用光學(xué)混頻在空氣中產(chǎn)生太赫茲輻射。由于線偏振激光脈沖的脈沖寬度可連續(xù)改變，因此產(chǎn)生的太赫茲波的中心頻率和頻譜寬度也可被連續(xù)調(diào)節(jié)。在整個實驗過程中，調(diào)控的參數(shù)為雙折射晶體斜 劈對的插入量。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，其特征在于，飛秒激光器輸出的初始激光脈沖，通過可移動的雙折射晶體斜劈對，初始激光脈沖被分成偏振相互垂直、具有時間延遲的兩束線偏振激光，依次經(jīng)過零階1/4波片、起偏器、聚焦透鏡、倍頻晶體后得到初始太赫茲波輻射；把雙折射晶體斜劈對的兩塊晶體同時向相反方向移動相同的距離，分解得到與前時間延遲不同的兩束線偏振激光，新得時間延時的兩束線偏振激光依次通過一塊零階1/4波片，形成一個左旋和一個右旋偏振光，時域上則合成為新光場；新光場經(jīng)過起偏器，得到一個線偏振的新脈沖寬度的激光脈沖，新的激光脈沖通過聚焦透鏡聚焦，再通過位于聚焦透鏡聚焦焦點前端的倍頻晶體，產(chǎn)生等離子體，形成頻譜寬度不同于初始太赫茲波福射的新太赫茲波福射，最后進(jìn)入太赫茲探測系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，其特征在于，所述雙折射晶體斜劈對可以是由各種單軸雙折射晶體制備得到，雙折射晶體可選方解石晶體、石英晶體或者紅寶石晶體，雙折射晶體斜劈對的光軸與初始激光脈沖的偏振方向成45°夾角，初始激光脈沖通過雙折射晶體斜劈對后被分成的兩束線偏振激光強(qiáng)度相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，其特征在于，所述零階1/4波片的光軸與初始激光脈沖的偏振方向一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，其特征在于，所述起偏器偏振方向與初始激光脈沖的偏振方向一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，其特征在于，所述倍頻晶體可選BBO晶體，LBO晶體或者KTP晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的方法，采用偏振門方法，以一束超快激光脈沖通過可移動的雙折射晶體斜劈對和零階1/4波片，產(chǎn)生偏振特殊的新光場。新光場再通過起偏器，便得到一個具有線偏振的窄脈沖寬度的激光脈沖。通過控制雙折射晶體斜劈對的插入量來得到不同寬度的激光脈沖，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)太赫茲波中心頻率和頻譜寬度的功能。裝置簡單，容易操作，只需要把雙折射晶體斜劈對的兩塊晶體同時向相反方向移動相同的距離，就可實現(xiàn)新激光脈沖寬度的改變，從而調(diào)整太赫茲波的中心頻率和頻譜寬度；該方法對于各種脈沖寬度和波長的光源都是適用的。
文檔編號G02F1/37GK102879971SQ201210403678
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者彭滟, 朱亦鳴, 周云燕, 方丹, 洪淼, 張益彬, 蔡斌, 陳麟, 莊松林 申請人:上海理工大學(xué)