專利名稱：一種自由空間太赫茲波源的結構設計方法
技術領域：
一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法屬于光學技術領域，涉及光路設計和微波產(chǎn)生技術。
背景技術：
近三十年來，隨著半導體微電子技術、超快激光技術以及非線性光學頻率變換技術的飛速發(fā)展，與太赫茲輻射相關的THz波技術逐漸成為國際研究的熱點。THz輻射通常指的是波長lmm-30 μ m(300GHz-10THz)區(qū)間的遠紅外電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間。在20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生和檢測方法，人們對于該波段電磁輻射性質的了解非常有限，以致于該波段被稱為電磁波譜中的THz輻射空隙。隨著超快激光技術的發(fā)展，穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源以及多種THz輻射脈沖的產(chǎn)生方法的出現(xiàn)，使得THz輻射的機理研究、檢測技術和應用技術得到蓬勃發(fā)展。在上世紀90年代之前，因為缺乏高功率太赫茲源和有效的探測裝置，并且水蒸氣對太赫茲波有較強的吸收，太赫茲領域的研究受到很大的限制。從二十世紀九十年代中期開始，世界各地政府、企業(yè)投入大量經(jīng)費開展這一領域的研究。美國國家基金會(NSF)、國家航天局州ASA)、國防部(DARPA)和國家衛(wèi)生學會(NIH)、能源部(DOE)和國家衛(wèi)生學會 (NIH)等從20世紀90年代中期開始對THz科技研究進行大規(guī)模的投入，其重要國家實驗室都在開展THz輻射源、材料、檢測、傳輸器件等研究工作。美國IBM等實驗室以THz波在電子學、天文學、航空科學和空間科學應用為背景進行研究工作，特別涉及THz波在星際通信、無線通信、雷達成像等方面的應用；數(shù)十所著名高校也在從事THz研究工作；已有超過 10家企業(yè)在THz波相關產(chǎn)品的開發(fā)方面取得了進展。2000年以后，歐洲圍繞THz波段醫(yī)療、 通信技術應用的研究非?；钴S。英國在2000-2003年開發(fā)了 I-IOTHz的廣域半導體器件和檢波器，接下來又開發(fā)應用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫(yī)用THZ脈沖成像裝置， 并通過風險企業(yè)iTeraView取得了產(chǎn)業(yè)化進展；英國的Univ. of Cambridge,Univ. of Leeds 等十多所大學和研究機構，德國的核物理研究中心(KFZ)、柏林同步輻射源中心(BESSY)等都積極開展THz研究工作；英國的研究人員正在研究THz掃描器的原型機，能夠顯示出高分辨率皮膚癌癥圖像，確切反映癌細胞活動和擴散的情況。這項新技術對其他傳統(tǒng)的掃描器檢測不出的癌癥的正確檢測率能達到85%。在亞洲國家和地區(qū)，韓國國立漢城大學、浦項科技大學、國立新加坡大學、中國的臺灣大學和臺灣清華大學等都積極開展THz的研究工作。 日本于2005年1月8日公布了其10年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，提出10項重大關鍵技術，將THz列為首位。東京大學、京都大學、大阪大學、東北大學、福井大學等都大力開展THz的研究與開發(fā)工作。在2006年召開的國際紅外與毫米波-太赫茲會議上，日本報道了 THz通信方面的研究工作，在1. 5km的距離實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸。與太赫茲相關的研究，如高功率的太赫茲源、太赫茲探測、利用太赫茲進行安全檢查、生物檢驗、化學特征識別、工業(yè)檢查等迅速開展起來。到目前為止，世界上約有130多個研究機構，陸續(xù)開展了本領域的科學研究工作或把研究重心轉到THz領域?？梢?，目前已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)形成了一個THz技術研究高潮。
發(fā)明內(nèi)容
自由空間太赫茲波源光路結構可以將輻射出的太赫茲波收集利用，再收集和探測，能真正實現(xiàn)太赫茲波的應用如太赫茲波成像和太赫茲波通信等。結構設計方法中產(chǎn)生太赫茲波的光路復雜，需要仔細的調節(jié)，且信號非常微弱，加上在空氣中易被水汽吸收，因此一般要求將光路置放在真空罩中或者充入氮氣的密封罩中。本方法設計的自由空間太赫茲波源光路結構見附圖，1為渥拉斯頓棱鏡，2為四分之一波片，3為斬波器，4為鎖相放大器，5為延遲線系統(tǒng)，6為拋物面鏡，采用Spectra Physics公司的鈦藍寶石飛秒振蕩級飛秒激光器產(chǎn)生的中心波長為780nm，脈沖寬度 150fs.重復頻率82WHz的飛秒脈沖。采用Newport公司的50338型90°離軸拋物面鏡(所謂離軸90°，就是拋物面鏡的光軸(中心軸線)與連接拋物面鏡中點和焦點的直線之間夾角為90°，相應也有其他角度的離軸拋物面鏡)，拋物面投影圓面直徑為38mm，鍍金，有效焦距為50. 8mm，兩塊(IlO)SiTe晶體分別作為發(fā)射晶體和探測晶體。光學延遲線、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，以及為了非線性效應對光路結構部分的設計如下1.光學延遲線系統(tǒng)，光學延遲線由電控平移臺和固定在平移臺上的兩個鏡面垂直的反射鏡組成，使出射光和反射光平行。當平移臺前后移動的時候，入射到反射鏡的光線光程的改變量為平移臺移動距離的兩倍。電控平移臺決定光學延遲線的延遲精度，也決定了時間光譜的分辨率。2.控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集卡，鎖相放大器，電腦控制軟件組成。可采用 ADVANTECH公司的型號為PCI-1710型數(shù)據(jù)采集卡，PCI總線多功能數(shù)掘采集卡具有12位A/ D轉換、D/A轉換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計數(shù)器，定時器功能。3.光路部分，可采用Spectra Physics公司的鈦藍寶石飛秒振蕩級飛秒激光器， 產(chǎn)生的中心波長為780nm，脈沖寬度150fs.重復頻率82WHz的飛秒脈沖。飛秒激光經(jīng)過分光比為6 1的分束鏡后，分為泵浦光和探測光。其中泵浦光經(jīng)過光學延遲線以及斬波器， 與探測光一起通過一個會聚透鏡，泵浦光沿著會聚透鏡的光軸入射，并垂直聚焦在碲化鋅晶體表面。該晶體安裝在一個可前后左右移動的二維精密平移臺上，沿著泵浦激光傳播方向定為Z正方向，泵浦光和探測的焦點重合，定為Z掃描的零位置點。本發(fā)明有益效果1.采用90°離軸拋物面鏡對太赫茲波的收集能力強，聚焦太赫茲波沒有色散效應，提高太赫茲波的收集能力。2.僅用兩個拋物面鏡使光程縮短，同時使得光路變得簡單，減少了傳播損耗。同時此結構設計擁有高的靈敏度和信噪比(> IO5)，可以產(chǎn)生高功率的太赫茲波。本文的應用價值提高了自由空間太赫茲波源的發(fā)射功率，進一步提高了將太赫茲波應用到實際當中的可能性。
附圖表明了自由空間中產(chǎn)生太赫茲波的光路結構圖，1為渥拉斯頓棱鏡，2為四分之一波片，3為斬波器，4為鎖相放大器，5為延遲線系統(tǒng)，6為拋物面鏡，晶體均為(110) ZnTe晶體。
具體實施例方式第一步首先探測晶體一定要準確置于拋物面鏡焦平面，并位于用以會聚泵浦光的透鏡焦點上，并使拋物面鏡和透鏡共焦，才能得到平行的出射光。調節(jié)光路時，泵浦光路聚焦透鏡可以選擇焦距比較短的，使泵浦光經(jīng)過會聚發(fā)散之后，相同的距離下，光斑比較大，有利于下一步觀察。將晶體和聚焦透鏡分別安裝在兩個二維平移臺上，調節(jié)透鏡上下左右位置，使泵浦光束準確地沿透鏡光軸穿過，調節(jié)透鏡前后位置，使透鏡與拋物面鏡共焦.并同時調節(jié)拋物面鏡的俯仰，使光束垂直于拋物面鏡光軸入射在拋物面鏡中心，調節(jié)好的判斷方法是泵浦光經(jīng)拋物面鏡射出之后為平行光，光斑正圓，且能通過沿光軸方向放置的兩個小孔。這里也可以用分束鏡將泵浦光分成兩束，再變成平行光，一束光仍沿拋物面鏡光軸入射，另一束光入射在拋物面鏡的邊緣，如果兩束光經(jīng)拋物面鏡之后仍平行，間距未改變，且光斑正圓的話，也可以認為這部分光路已經(jīng)調好。然后微調晶體，使晶體位于拋物面鏡和聚焦透鏡的共焦點上。第二步加上第二個拋物面鏡，當?shù)诙€拋物面鏡調節(jié)得與第一個拋物面鏡共軸之后，兩束光會被同時聚焦，且距拋物面中心距離為拋物面鏡的有效焦距。用兩個小孔確定中心光束的傳播方向(即垂直于光軸方向)，并記下焦點位置，移開第二個拋物面鏡。第三步使探測光與泵浦光在第一個拋物面鏡之后垂直相交，與第一個拋物面鏡的間距盡量小，以適合放置硅片調節(jié)架為宜，這樣可縮短太赫茲波在空間中的傳播距離，并在探測光出射方向放置兩個小孔以確定探測光方向。將一片高阻單晶硅片(反射780nm激光，在太赫茲波段有大于50%透過率)固定在可旋轉并上下可準確調節(jié)的多維調節(jié)架上， 插入探測光與泵浦光相交的地方，調整其角度，使被反射的泵浦光經(jīng)過原探測光經(jīng)過的兩個小孔，而被反射的探測光經(jīng)過原泵浦光所在的兩個小孔，這樣就能保證探測光和泵浦光 (太赫茲光)共線傳播了，可以調下硅片驗證。第四步加上第二個拋物面鏡，這一步比較容易，調節(jié)好的標準是探測光經(jīng)過第二步中確定泵浦光方向的兩個小孔，且在拋物面鏡焦點位置會聚，調下硅片，觀察到泵浦光和探測光在同一位置會聚，且可通過兩個小孔。以上每一步都非常關鍵，需要來回調節(jié)，確保探測光和太赫茲波共線傳播且共同會聚在探測晶體上，才能探測到太赫茲波信號，以及獲得盡可能大的信號。在搭建自由空間光路的時候，也要尋找光路零點?？梢栽诘谝徊街筮M行，擋住邊緣的那束泵浦光的光束， 并把探測光反射過去，利用二次諧波自相關法尋找光路零點。由于探測光和太赫茲波在硅片之后共線傳播，所以用上述方法找光路零點，光程差不會特別大，可以稍后運行延遲線來尋找。
權利要求
1.一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法，包括光學延遲線、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，和采用非線性效應產(chǎn)生太赫茲波的光路結構設計方法，其特征在于通過控制光程的改變量決定延遲精度和時間光譜的分辨率的同時能夠較大程度地滿足自由空間中太赫茲波的產(chǎn)生、收集、探測，最終提高太赫茲波源的功率。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法，其特征在于光學延遲線滿足當平移臺前后移動的時候，入射到反射鏡的光線光程的改變量為平移臺移動距離的兩倍的要求。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)在控制光程的基礎上決定延遲精度和光譜分辨率。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法，其特征在于光路結構設計中采用90°離軸拋物面鏡對太赫茲波進行收集，此時聚焦太赫茲波沒有色散效應，符合太赫茲波的強收集能力要求。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的一種自由空間太赫茲波源光路結構的設計方法，其特征在于使得整個結構變得簡單的同時擁有高的靈敏度和信噪比(> IO5)，提高了太赫茲波源的功率。
全文摘要
一種自由空間太赫茲波源的結構設計方法，屬于光學技術領域，涉及光路設計技術和微波產(chǎn)生技術。通過恰當?shù)慕Y構設計，縮短光路的同時大大地降低了傳輸損耗，大幅度提升了太赫茲波源的產(chǎn)生功率。本發(fā)明采用兩個90度離軸拋物面鏡結構，不僅使得光程縮短，減少了傳播損耗，而且對太赫茲波的收集能力強，聚焦太赫茲波沒有色散效應，提高太赫茲波的收集能力。此結構設計擁有高的靈敏度和信噪比(＞105)，提高太赫茲波源的功率。
文檔編號H01S1/02GK102496834SQ20111036731
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日2011年11月18日
發(fā)明者崔德勇, 張曉霞, 熊煜, 錢鑠 申請人:電子科技大學