基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置及方法，利用分束片、平面反射鏡、合束片、機械可調(diào)延遲系統(tǒng)等簡單的器件，使經(jīng)由分束片分出的兩束800 nm波長光產(chǎn)生一定的時間相位延遲，共同會聚在空心金屬波導光纖中，并依次與400 nm波長光脈沖重合發(fā)生非線性作用，電離光纖內(nèi)氣體，產(chǎn)生太赫茲波；利用空心金屬波導光纖的全反射特性將聚攏和傳播產(chǎn)生的太赫茲光波。避免了空氣中水分大量吸收太赫茲波，改善太赫茲波能量損失，克服了空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波時，兩束不同波長光發(fā)生非線性作用時間太短，太赫茲波轉(zhuǎn)換效率不高問題，有效地將太赫茲波的信號強度提升了3倍，并且本發(fā)明操作簡便，成本較低。
【專利說明】
基于空心金屬波導光纖増強太赫茲波信號的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種增強太赫茲波裝置，特別涉及一種基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，太赫茲波以其廣泛的應用前景，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0.1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、通信等科學領(lǐng)域有著巨大的應用價值。目前，主要的應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、天文學、通信技術(shù)。
[0003]目前，以空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波是一種較為常見、簡單、可靠的方法。其原理為:波長800 nm的激光脈沖會聚通過BBO倍頻晶體時，部分轉(zhuǎn)化為波長為400 nm的激光。根據(jù)激光的相關(guān)非線性性質(zhì)，這兩束光在脈沖重合時發(fā)生強相互作用，電離氣體介質(zhì)福射出太赫茲波。
[0004]由于兩種波長光在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生不同的折射率，它們的傳播速度也不相同。而兩束光的脈沖寬度都極小，所以兩者能夠脈寬重合、相互作用產(chǎn)生太赫茲波的時間很短。當兩者脈沖隨著各自的傳播而逐漸分離時，兩束光也將停止發(fā)生相互作用，不再產(chǎn)生太赫茲信號。這種方法的主要優(yōu)點是所獲得的太赫茲波帶寬較寬，整套裝置搭建方便，占地空間較小，綜合成本相對較低。但同時也存在相干長度較短(通常在毫米量級)，從而在很長一段傳播距離內(nèi)的激光能量無法被有效利用的問題。
[0005]此外，空氣中含有較多水分，而水對太赫茲波有較強的吸收能力。因此，環(huán)境的溫度、濕度等條件都會對太赫茲波的產(chǎn)生、探測、與收集等，有十分明顯的影響。
[0006]以上這些問題都極大地降低了太赫茲波產(chǎn)生的效率和性價比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是針對空氣中水分會大量吸收太赫茲波，以及空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波時，兩束不同波長光發(fā)生非線性作用時間太短，太赫茲波轉(zhuǎn)換效率不高的兩個問題，提出了一種基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置及方法，改善太赫茲波能量損失和提升太赫茲波強度。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置，激光源發(fā)出的波長為800 nm的入射激光經(jīng)過分束片分為兩束光，800 nm透射光經(jīng)過平面反射鏡組連續(xù)反射后，被第一凸透鏡會聚進入BBO晶體，并部分轉(zhuǎn)換成波長為400 nm的激光，從BBO晶體輸出的光包括800 nm和400 nm的光;800 nm反射光經(jīng)過第一平面反射鏡、可調(diào)延遲系統(tǒng)、第二平面反射鏡和第二凸透鏡，與BBO晶體輸出的800 nm光和400 nm光產(chǎn)生一定的時間相位延遲后，共同通過合束片，會聚進入充有干燥氣體的空心金屬波導光纖中，透射光和反射光經(jīng)過凸透鏡會聚后的焦點都位于空心金屬波導光纖入口端，空心金屬波導光纖輸出太赫茲后被拋物面鏡收集，進入探測系統(tǒng)。
[0009]所述裝置的增強太赫茲波信號方法，打開激光源，在空心金屬波導光纖中，初始狀態(tài)下，從BBO晶體輸出的800 nm光與400 nm光脈沖重合，作為第一束光，向前傳輸時發(fā)生非線性相互作用，電離氣體介質(zhì)輻射出太赫茲波，隨著傳播距離的增加，此時第一束光的800nm光與400 nm光脈沖逐步走離;調(diào)節(jié)可調(diào)延遲系統(tǒng)，使800 nm反射光相對脈沖延時，作為第二束光，使得第一束光的800 nm光脈沖與400 nm光脈沖剛好完全分離時，第二束光800 nm反射光的脈沖恰好與400 nm光脈沖開始重合，繼續(xù)產(chǎn)生太赫茲，太赫茲從空心金屬波導光纖輸出后被拋物面鏡收集，進入探測系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置及方法，裝置搭建簡單，可直接、有效地將太赫茲波的信號強度提升了 3倍。本發(fā)明的應用范圍廣，實用性強，操作簡便，成本較低，改善太赫茲波能量損失和提升太赫茲波強度。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中利用BBO倍頻晶體以空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波原理示意圖；
圖3為本發(fā)明中利用分束片引入第二束SOOnm光增強太赫茲波信號強度的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0012]如圖1所示基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由激光源1、分束片2、平面反射鏡3、平面反射鏡4、平面反射鏡5、平面反射鏡6、凸透鏡7、BB0晶體8、合束片9、空心金屬波導光纖10、拋物面鏡11、太赫茲波探測與應用部分12、凸透鏡13、平面反射鏡14、平面反射鏡15、平面反射鏡16、平面反射鏡17、機械延時系統(tǒng)可移動電機18組成。
[0013]激光源I發(fā)出的波長為800nm的入射激光經(jīng)過分束片2后分為兩束光。其中透射的第一束800 nm光經(jīng)過由平面反射鏡3、4、5、6組成的平面反射鏡組連續(xù)反射后，被凸透鏡7會聚進入BBO晶體7，并部分轉(zhuǎn)換成波長為400 nm的激光(此處需特別注意，凸透鏡7對第一束800 nm光起會聚作用，但并不是把光聚焦到BBO晶體上，因為BBO晶體易受高能激光的損壞)，從BBO晶體7輸出的光包括800 nm和400 nm的光;第二束800 nm反射光經(jīng)過平面反射鏡14、17、16、15(其中平面反射鏡16、17固定在電機18上構(gòu)成機械延遲系統(tǒng))和凸透鏡13，與BBO晶體7輸出的800 nm光和400 nm光產(chǎn)生一定的時間相位延遲后，共同通過合束片9，會聚進入充有干燥氣體的空心金屬波導光纖10中。而兩束光經(jīng)透鏡會聚后的焦點都位于空心金屬波導光纖10入口端。在空心金屬波導光纖10中，初始狀態(tài)下，第一束800 nm光與400 nm光脈沖重合，它們向前傳輸時發(fā)生非線性相互作用，電離氣體介質(zhì)輻射出太赫茲波。隨著傳播距離的增加，第一束800 nm光與400 nm光脈沖逐步走離。當二者完全分開時，第一束800 nm光不再與400 nm光發(fā)生相互作用產(chǎn)生太赫茲波。通過機械延時系統(tǒng)可移動電機18調(diào)節(jié)可調(diào)延遲系統(tǒng)中兩個平面反射鏡16、17與第一平面反射鏡15、第二平面反射鏡14之間的距離，從而控制第二束800 nm光相對脈沖延時，使得當?shù)谝皇?00 nm光脈沖與通過BBO晶體產(chǎn)生的400 nm光脈沖剛好完全分離時，第二束800 nm光的脈沖恰好與400 nm光脈沖開始重合，從而繼續(xù)產(chǎn)生太赫茲，最后輸出時太赫茲強度可提升為原來的3倍。太赫茲輸出后被拋物面鏡11收集，進入探測系統(tǒng)12。
[0014]在下面的實施例中，以用1:1分束片分光，波長為800nm入射光通過BBO倍頻晶體以拉絲法產(chǎn)生太赫茲匯聚在充有干燥空氣的空心金屬波導光纖中并應用于太赫茲為例，其他波段的入射光、不同比例的分束片和在光纖內(nèi)充入其他種類干燥氣體的實施方法與本實施方法基本一致。
[0015]具體實現(xiàn)增強太赫茲信號的過程如下:激光源I發(fā)出的波長為800nm的入射激光經(jīng)過1:1分束片2后分為兩束光。其中透射的第一束800 nm光經(jīng)過平面反射鏡組連續(xù)反射后，被凸透鏡7會聚進入BBO晶體7，并部分轉(zhuǎn)換成波長為400 nm的激光(凸透鏡7對第一束800 nm光起會聚作用，但并不是把光聚焦到BBO晶體表面，因為BBO晶體易受高能激光的損壞);第二束800 nm光經(jīng)過平面反射鏡14、17、16、15(其中平面反射鏡16、17固定在電機18上構(gòu)成機械延遲系統(tǒng))和凸透鏡13，與第一束800 nm光和400 nm光產(chǎn)生一定的時間相位延遲后，共同通過合束片9，會聚在充有干燥氣體的空心金屬波導光纖10中。而兩束光經(jīng)透鏡會聚后的焦點都位于空心金屬波導光纖入口端。在空心金屬波導光纖中，初始狀態(tài)下，第一束800 nm光與400 nm光脈沖重合，如圖2所示，它們向前傳輸時發(fā)生非線性相互作用，電離氣體介質(zhì)輻射出太赫茲波。隨著傳播距離的增加，第一束800 nm光與400 nm光脈沖逐步走離。當二者完全分開時，第一束800 nm光不再與400 nm光發(fā)生相互作用產(chǎn)生太赫茲波。通過機械延時系統(tǒng)可移動電機18控制第二束800 nm光相對脈沖延時，使得當?shù)谝皇?00 nm光脈沖與通過BBO晶體產(chǎn)生的400 nm光脈沖剛好完全分離時，第二束800 nm光的脈沖恰好與400nm光脈沖開始重合，從而繼續(xù)產(chǎn)生太赫茲，最終輸出的太赫茲波強度可提升為原來的3倍。太赫茲輸出后被拋物面鏡11收集，進入探測系統(tǒng)12。
[0016]如圖3所示利用分束片引入第二束SOOnm光增強太赫茲波信號強度的原理示意圖，波長為800 nm的光脈沖與波長為400 nm的光脈沖在三個相干長度Lc的距離內(nèi)均有重合，并不斷發(fā)生強相互作用產(chǎn)生太赫茲波。而如圖2利用BBO倍頻晶體以空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波原理示意圖所示，現(xiàn)有的常規(guī)空氣拉絲法產(chǎn)生太赫茲波的過程中，800 nm光與400 nm光只在一個相干長度Lc內(nèi)有重合。因而簡單對比，可知本發(fā)明的方法將太赫茲波信號強度提升為原來的3倍。
[0017]本發(fā)明裝置一利用分束片、平面反射鏡、合束片、機械延時系統(tǒng)等簡單的器件，使經(jīng)由分束片分出的第二束800 nm波長光與第一束800 nm光產(chǎn)生一定的時間相位延遲，共同會聚在空心金屬波導光纖中，并依次與400 nm波長光脈沖重合發(fā)生非線性作用，電離光纖內(nèi)氣體，產(chǎn)生太赫茲波;裝置二利用空心金屬波導光纖的全反射特性將聚攏和傳播產(chǎn)生的太赫茲光波。這兩點設計可針對不同實際情況分別單獨使用，更可以共同使用，從而大幅提升太赫茲波信號強度。
【主權(quán)項】
1.一種基于空心金屬波導光纖增強太赫茲波信號的裝置，其特征在于，激光源發(fā)出的波長為800 nm的入射激光經(jīng)過分束片分為兩束光，800 nm透射光經(jīng)過平面反射鏡組連續(xù)反射后，被第一凸透鏡會聚進入BBO晶體，并部分轉(zhuǎn)換成波長為400 nm的激光，從BBO晶體輸出的光包括800 nm和400 nm的光;800 nm反射光經(jīng)過第一平面反射鏡、可調(diào)延遲系統(tǒng)、第二平面反射鏡和第二凸透鏡，與BBO晶體輸出的800 nm光和400 nm光產(chǎn)生一定的時間相位延遲后，共同通過合束片，會聚進入充有干燥氣體的空心金屬波導光纖中，透射光和反射光經(jīng)過凸透鏡會聚后的焦點都位于空心金屬波導光纖入口端，空心金屬波導光纖輸出太赫茲后被拋物面鏡收集，進入探測系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的增強太赫茲波信號方法，其特征在于，打開激光源，在空心金屬波導光纖中，初始狀態(tài)下，從BBO晶體輸出的800 nm光與400 nm光脈沖重合，作為第一束光，向前傳輸時發(fā)生非線性相互作用，電離氣體介質(zhì)輻射出太赫茲波，隨著傳播距離的增加，此時第一束光的800 nm光與400 nm光脈沖逐步走離；調(diào)節(jié)可調(diào)延遲系統(tǒng)，使800 nm反射光相對脈沖延時，作為第二束光，使得第一束光的800 nm光脈沖與400 nm光脈沖剛好完全分離時，第二束光800 nm反射光的脈沖恰好與400 nm光脈沖開始重合，繼續(xù)產(chǎn)生太赫茲，太赫茲從空心金屬波導光纖輸出后被拋物面鏡收集，進入探測系統(tǒng)。
【文檔編號】G01J5/08GK105928624SQ201610238498
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】彭滟, 徐博偉, 朱亦鳴, 張騰飛, 陳萬青, 戚彬彬, 莊松林
【申請人】上海理工大學