本發(fā)明涉及太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于亞波長波導(dǎo)的窄帶太赫茲波發(fā)生器和檢測的方法。

背景技術(shù)：

太赫茲波頻段處于微波和紅外線之間，即0.1thz到10thz，相應(yīng)的波長從3毫米到30微米。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，具有一系列特殊的性質(zhì)，譬如：瞬態(tài)性、低能性、穿透性、高帶寬以及不會產(chǎn)生有害生物電離的安全性等，這使得太赫茲波在生物分子監(jiān)測、國防安全、醫(yī)療診斷、無損成像、安檢等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。而窄帶太赫茲波的產(chǎn)生對于提高探測的靈敏度特別重要。

目前，產(chǎn)生窄帶相干太赫茲波的方法有很多，譬如：自由電子激光器、量子級聯(lián)激光器、切倫科夫非共線相位匹配以及太赫茲波和飛秒激光共線相位匹配等等。尤其是共線相位匹配，可以實現(xiàn)長相互作用和能量的有效提取。但由于太赫茲波和飛秒激光速度不同，隨著傳輸兩者發(fā)生偏離，使得相位匹配的實現(xiàn)仍然比較困難，從而限制了相干窄帶太赫茲波的高效激發(fā)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)利用各向異性的非線性晶體實現(xiàn)共線相位匹配的難題，提供了一種亞波長波導(dǎo)側(cè)向激發(fā)和探測系統(tǒng)，特定波長的太赫茲波和飛秒激光滿足了長距離共線相位匹配，從而實現(xiàn)了窄帶太赫茲波的加強。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的方案是：

(1)采用亞波長波導(dǎo)鐵電材料作為太赫茲波輻射源，垂直固定在柱透鏡后面；

(2)啟動飛秒激光器，產(chǎn)生飛秒激光脈沖，激光脈沖通過分束鏡產(chǎn)生泵浦光和探測光；

(3)泵浦光經(jīng)柱透鏡會聚于亞波長波導(dǎo)側(cè)面，通過沖擊受激拉曼散射激發(fā)太赫茲波；

(4)根據(jù)有效折射率方法，在亞波長波導(dǎo)中，特定波長的太赫茲波和飛秒激光之間滿足長距離的相位匹配，實現(xiàn)窄帶太赫茲波的產(chǎn)生和放大；

(5)由于光克爾效應(yīng)和光折變效應(yīng)，太赫茲波引起波導(dǎo)內(nèi)折射率分布改變，探測光經(jīng)bbo晶體倍頻、濾波片濾去基頻信號以及小孔系統(tǒng)濾波整形，入射到亞波長波導(dǎo)表面，將太赫茲波所引起的折射率變化記錄在其相位信息中，經(jīng)過4f系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為強度信息，再經(jīng)延遲線調(diào)整可在ccd上獲得太赫茲時域瞬態(tài)脈沖信號；

(6)利用計算機上相關(guān)計算軟件對太赫茲時域脈沖信號做快速傅里葉變換，得到放大的窄帶太赫茲波頻譜。

其中，步驟(1)中亞波長波導(dǎo)鐵電材料是指厚度在0.3-300μm的材料，材料屬性為鐵電晶體例如鈮酸鋰、鉭酸鋰。

優(yōu)選地，步驟(2)中飛秒激光脈沖的波長為紫外至近紅外，重復(fù)頻率是1hz-100mhz，脈寬可為5-1000fs。

優(yōu)選地，步驟(2)中泵浦光的平均功率密度最低不小于4w/cm²，最高不超過亞波長波導(dǎo)鐵電材料損傷閾值，且鐵電材料損傷閾值對于不同材料數(shù)值不同，如對于全同鈮酸鋰的閾值是50kw/cm²，對于摻鎂鈮酸鋰的閾值超過1000kw/cm²。

優(yōu)選地，步驟(3)中泵浦光入射到亞波長波導(dǎo)上的入射角不超過±10°，聚焦光斑大小可為10-150μm。

優(yōu)選地，步驟(3)中亞波長波導(dǎo)側(cè)面是指結(jié)構(gòu)的亞波長厚度方向和高度方向構(gòu)成的二維平面。

步驟(4)中長距離相位匹配是指泵浦光聚焦于亞波長波導(dǎo)側(cè)面，激發(fā)出寬譜的太赫茲波。太赫茲波在亞波長波導(dǎo)限制下，有效折射率會小于在體材料中的折射率，且不同頻率對應(yīng)的折射率不同；對泵浦光而言，波導(dǎo)厚度遠(yuǎn)大于飛秒激光波長，其折射率可認(rèn)為是常數(shù)。因此，在波導(dǎo)厚度一定時，總有特定頻率的太赫茲波具有和飛秒激光相同的折射率，從而窄線寬的太赫茲波得以產(chǎn)生。另外，側(cè)向激發(fā)結(jié)構(gòu)為太赫茲波和飛秒激光干涉相長提供了足夠長的距離，有效的實現(xiàn)了窄帶太赫茲波的放大。因此，長距離相位匹配需滿足的條件：

并且在太赫茲傳輸方向有足夠長距離干涉相長。其中，是頻率f的太赫茲波在亞波長波導(dǎo)中的有效相折射率，是泵浦光在波導(dǎo)中的群折射率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明由于采用亞波長波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，有效改變了太赫茲波的有效折射率，使得在鈮酸鋰中太赫茲波和飛秒激光的共線相位匹配成為可能，這為窄帶太赫茲波的產(chǎn)生提供了一種更為簡潔的方案；

本發(fā)明由于采用側(cè)向激發(fā)的系統(tǒng)，能實現(xiàn)太赫茲波的不斷加強，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)窄帶太赫茲波的產(chǎn)生和放大。

本發(fā)明具有裝置簡單、成本低、源材料易獲取、太赫茲脈寬窄、效率高的特點。

附圖說明

圖1為側(cè)向激發(fā)窄帶太赫茲波實驗裝置圖

圖2為側(cè)向激發(fā)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為一個實施例的相位匹配的原理圖

圖4為一個實施例的窄帶太赫茲波的頻譜圖

附圖標(biāo)號如下：

1-飛秒激光器、2-分束鏡、3-bbo、4-濾波片、5-第一反射鏡、6-延遲線、7-小孔濾波系統(tǒng)、8-第四反射鏡、9-第五反射鏡、10-第六反射鏡、11-柱透鏡、12-太赫茲波輻射源、13-4f系統(tǒng)、14-ccd、15-計算機、a-泵浦光、b-太赫茲波。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種基于亞波長波導(dǎo)的窄帶太赫茲波發(fā)生器及檢測的方法，下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的方案做進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括飛秒激光器1、分束鏡2、bbo晶體3、濾波片4、第一反射鏡5、第二反射鏡和第三反射鏡構(gòu)成延遲線6、小孔濾波系統(tǒng)7、第四反射鏡8、第五反射鏡9、第六反射鏡10、柱透鏡11、太赫茲波輻射源12、4f系統(tǒng)13、ccd14和計算機15。

附圖2為側(cè)向激發(fā)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為泵浦光，b為太赫茲波。

本發(fā)明的實施步驟：

(1)采用亞波長波導(dǎo)作為太赫茲輻射源12，垂直固定在柱透鏡11后面，亞波長波導(dǎo)鐵電材料是指厚度在0.3-300μm的材料，材料屬性為鐵電晶體例如鈮酸鋰、鉭酸鋰；

(2)啟動飛秒激光器1，產(chǎn)生飛秒激光脈沖，波長可為紫外至近紅外、重復(fù)頻率1hz-100mhz、脈寬5-1000fs，激光脈沖通過分束鏡2產(chǎn)生泵浦光和探測光；

(3)泵浦光經(jīng)第四反射鏡8、第五反射鏡9和第六反射鏡10反射，再經(jīng)柱透鏡11線聚焦于太赫茲波輻射源12側(cè)面，通過沖擊受激拉曼散射產(chǎn)生太赫茲波；

(4)根據(jù)有效折射率方法，在亞波長波導(dǎo)中，特定波長的太赫茲波和飛秒激光之間滿足長距離的相位匹配，從而實現(xiàn)窄帶太赫茲波的產(chǎn)生和放大；

(5)由于光克爾效應(yīng)和光折變效應(yīng)，太赫茲波引起波導(dǎo)內(nèi)折射率分布改變，探測光通過bbo晶體3倍頻、濾波片4濾掉基頻信號，再經(jīng)過第一反射鏡5、延遲線6，進入小孔濾波系統(tǒng)7濾掉探測光高頻成分，入射到太赫茲波輻射源12表面，將太赫茲波所引起的折射率變化記錄在其相位信息中，通過4f系統(tǒng)13，轉(zhuǎn)化為強度信息，通過動態(tài)移動延遲線，可在ccd14上獲得太赫茲時域瞬態(tài)脈沖信號；

(6)利用計算機15上相關(guān)計算軟件對太赫茲時域脈沖信號做快速傅里葉變換，得到放大的窄帶太赫茲波頻譜。

在上述步驟(2)中泵浦光的平均功率密度最低不小于4w/cm²，最高不超過亞波長波導(dǎo)鐵電材料損傷閾值，且鐵電材料損傷閾值對于不同材料數(shù)值不同。

在上述步驟(3)中泵浦光入射到亞波長波導(dǎo)上的入射角不超過±10°，聚焦光斑大小可為10-150μm。

參見圖2，在上述步驟(4)中長距離相位匹配是指泵浦光聚焦于亞波長波導(dǎo)側(cè)面，激發(fā)寬譜太赫茲波。由于亞波長波導(dǎo)厚度限制，太赫茲波的有效折射率會小于在體材料中的折射率，且不同頻率對應(yīng)的折射率不同；而對泵浦光，波導(dǎo)厚度遠(yuǎn)大于飛秒激光波長，因此，泵浦光的折射率可認(rèn)為是常數(shù)。在波導(dǎo)厚度一定時，總有特定頻率的太赫茲波和飛秒激光有相同的折射率，從而可產(chǎn)生窄線寬的太赫茲波。另外，側(cè)向激發(fā)結(jié)構(gòu)為太赫茲波和飛秒激光干涉相長提供了足夠長的距離，有效的實現(xiàn)了窄帶太赫茲波的放大。因此，長距離相位匹配需滿足的條件：

并且在太赫茲傳輸方向有足夠長距離干涉相長。其中，是頻率f的太赫茲波在亞波長波導(dǎo)中的有效相折射率，是泵浦光在波導(dǎo)中的群折射率。

實施實例：

基于亞波長波導(dǎo)的窄帶太赫茲波產(chǎn)生及檢測方法具體步驟如下：

(1)采用尺寸為1cm×30μm×1.1cm，y向切割的摻鎂鈮酸鋰亞波長波導(dǎo)作為太赫茲輻射源，垂直固定在柱透鏡后面；

(2)啟動鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，產(chǎn)生波長800nm、重復(fù)頻率1khz、脈寬120fs的激光脈沖，激光脈沖以45°角照到分束鏡后，反射光為泵浦光，透射光為探測光，泵浦光和探測光的初始位相相同但平均功率分別為450mw和50mw；

(3)泵浦光經(jīng)第四反射鏡、第五反射鏡和第六反射鏡反射，再經(jīng)柱透鏡線聚焦于太赫茲波輻射源側(cè)面，聚焦方向平行于晶體光軸方向，聚焦光斑為30μm，通過沖擊受激拉曼散射激發(fā)太赫茲波；

(4)根據(jù)有效折射率方法，在亞波長波導(dǎo)結(jié)構(gòu)限制下，特定波長的太赫茲波和飛秒激光之間滿足長距離的相位匹配，實現(xiàn)窄帶太赫茲波的產(chǎn)生和放大；

(5)由于光克爾效應(yīng)和光折變效應(yīng)，太赫茲波引起波導(dǎo)內(nèi)折射率分布改變，探測光經(jīng)bbo晶體倍頻、濾波片濾掉基頻光，再經(jīng)過第一反射鏡、延遲線6，進入小孔濾波系統(tǒng)濾掉探測光高頻成分，入射到太赫茲波輻射源正面，將太赫茲波所引起的折射率變化記錄在其相位信息中，通過4f系統(tǒng)，成像于ccd上。通過動態(tài)移動延遲線，可實現(xiàn)瞬態(tài)太赫茲波的動態(tài)成像。

(6)利用計算機上matlab軟件對太赫茲時域脈沖譜做快速傅里葉變換，得到放大的窄帶太赫茲波頻譜。

所述泵浦光、探測光和太赫茲波的偏振方向均平行于鈮酸鋰晶體光軸方向。

附圖3為相位匹配的原理圖，泵浦光和太赫茲波有效折射率的交點表示相位匹配點。根據(jù)平面波導(dǎo)理論，當(dāng)飛秒激光脈沖偏振和聚焦方向均平行于光軸入射到摻鎂鈮酸鋰亞波長波導(dǎo)側(cè)面時，激發(fā)出te模式的太赫茲波。在亞波長波導(dǎo)限制下，寬譜的太赫茲波的有效折射率相對體鈮酸鋰中折射率5.11有所減小，并且不同頻率對應(yīng)的有效折射率不同。而飛秒激光的折射率可認(rèn)為是2.2。對于厚度30μm的鈮酸鋰晶體，頻率為0.28thz的太赫茲波具有和飛秒激光相同的折射率，從而在滿足相位匹配的條件下，窄線寬的太赫茲波得以產(chǎn)生。另外，側(cè)向激發(fā)結(jié)構(gòu)為太赫茲波和飛秒激光干涉相長提供了足夠長的距離，有效的實現(xiàn)了窄帶太赫茲波的放大，所得頻譜圖如圖4所示。

顯然上述實施例僅為清楚的說明本發(fā)明所做的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上，還可以做出其他不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有實施方式予以窮舉。由此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。