太赫茲偏振分析器及太赫茲偏振測量方法
2023-09-19 19:58:25
專利名稱：太赫茲偏振分析器及太赫茲偏振測量方法
技術領域：
本發明涉及太赫茲輻射偏振方向的測量裝置和測量方法，具體地說本發明涉及一
種利用石英晶體並且只進行一次測量就可以測量出太赫茲輻射偏振方向的太赫茲偏振分析器及太赫茲偏振測量方法。
背景技術：
太赫茲輻射由於其具有瞬態性、低能性和相干性等獨特的性質，而在衛星通信、無損檢測、軍用雷達等方面具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。為了對太赫茲輻射的特性、產生機理等深入的理解以及對所測量樣品的信息進行正確的提取，都需要對太赫茲輻射的偏振方向進行測量。 通過研究由雙頻雷射激發空氣等離子體所產生的太赫茲輻射的偏振方向，可以知
道通過改變基頻光和二次諧波之間的相對相位可以控制輻射的太赫茲偏振方向。 但現有的對太赫茲輻射的偏振方向進行測量的方法是通過旋轉偏振片來找出透
過率最大的方向，這種方法需要旋轉太赫茲偏振片最少180度來計算太赫茲輻射的偏振方
向；或是旋轉探測晶體來測量，這種方法需要對探測晶體處於最大值和最小值方向分別測
量太赫茲輻射的電場來計算太赫茲輻射的偏振方向。這兩種方法不僅操作複雜，而且測量
過程會耗費大量時間。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種太赫茲偏振分析器及太赫茲偏振測量方法，在太赫茲偏振方向分析中採用石英晶體並且只進行一次測量，即可對太赫茲波的偏振方向進行測量的方法和裝置，從而克服利用傳統的太赫茲線柵偏振片對偏振方向進行測量過程中需要最少旋轉偏振片180度的缺點。 為解決上述技術問題，本發明的一種太赫茲偏振分析器，包括發出雷射的雷射光源；分束片，設於所述雷射光源的光路後方，將雷射分為泵浦光和探測光；產生太赫茲波的太赫茲產生裝置，設於所述分束片後方泵浦光的光路上；石英晶體，設置於所述太赫茲產生裝置後方的光路上，所述石英晶體的光軸與水平方向成45。設置；光路調整裝置，設於所述石英晶體後方的光路上和探測光的光路上，使所述太赫茲波和探測光同向共線；探測晶體，設於所述光路調整裝置後方的光路上；探測裝置，設於所述探測晶體後方的光路上。
其中，所述太赫茲產生裝置包括在泵浦光光路上依次設置的透鏡、偏硼酸鋇晶體和聚四氟乙烯板。 其中，所述探測裝置包括在光路上依次設置的四分之一波片、渥拉斯頓稜鏡和差分探頭。 其中，所述探測晶體為電光晶體。 —種採用太赫茲偏振分析器的太赫茲偏振測量方法，包括如下步驟(l)產生同源的太赫茲波和探測光；(2)將所述太赫茲波通過光軸與水平方向成45。的石英晶體，使所述太赫茲波在時域上分為o光和e光；(3)調整探測光和分開後的太赫茲波的光路，使探測光和太赫茲波同向共線通過探測晶體，使探測光的偏振方向發生變化；(4)探測從所述探測晶體出射的探測光的水平偏振光和豎直偏振光的光強差；(5)根據探測結果得到太赫茲電場波形，計算得出太赫茲波的偏振角度。 其中，步驟(4)中的探測水平偏振光和豎直偏振光的光強差，是先將探測光進行調零，使得開始時探測光束的水平偏振光和豎直偏振光的光強相等，然後將探測光的水平偏振光和豎直偏振光分開，由差分探頭進行探測。 其中，步驟(1)中的產生的太赫茲波和探測光，是將雷射脈衝分為泵浦光和探測光，泵浦光經太赫茲產生裝置產生太赫茲波。 其中，所述泵浦光經太赫茲產生裝置產生太赫茲波的步驟為，將泵浦進行倍頻，產生倍頻光，所述倍頻光與未被倍頻的基頻光被聚焦而在焦點處相混頻，產生等離子體，激發太赫茲波，完成產生太赫茲波步驟。 其中，所述泵浦光具有入射雷射的絕大部分能量，所述探測光為低功率雷射。
通過上述的技術方案，本發明的太赫茲偏振分析器及太赫茲偏振測量方法，使得測量過程無需旋轉偏振片，只進行一次測量就可以測量出太赫茲輻射偏振方向，測量更為簡單方便，達到了有益的技術效果。
圖la為自由空間的太赫茲波形； 圖lb為太赫茲波通過光軸與水平方向的夾角固定為45度的石英晶體後的時域波形圖； 圖2a為石英晶體方向示意 圖2b為入射的太赫茲波方向示意 圖2c為透射的太赫茲波方向示意 圖3為太赫茲偏振分析器的示意圖； 圖4為通過本發明和現有技術分別計算得出的太赫茲波的偏振方向隨著的基頻
波和倍頻波之間相位差的變化而改變的角度。 附圖標記說明 1-透鏡；2-BB0晶體；3-聚四氟乙烯板；4_拋面鏡；5-石英晶體；6-導電玻璃；7-ZnTe晶體；8-四分之一波片；9-沃拉斯頓稜鏡；10-差分探測器；11-反射鏡。
具體實施例方式
以下通過具體對雙頻雷射激發空氣等離子體所產生的太赫茲波的偏振方向的測量進行的描述，對本發明的一次測量計算太赫茲波的偏振方向的方法作進一步的說明。
本發明的太赫茲偏振測量方法其原理為，太赫茲波通過光軸與水平方向的夾角固定為45度的石英晶體後，由於雙折射現象而被分解為兩束光尋常光(以下簡稱為o光)與非尋常光(以下簡稱為e光)。如圖la所示為自由空間的太赫茲波形。圖lb為太赫茲波通過光軸與水平方向的夾角固定為45°的石英晶體後，在其時域上波形出現兩處振幅最大值，分別代表被分開的o光和e光。
圖2a為xoy平面內的石英晶體，其光軸方向與水平方向(ox方向)的夾角為45° ，圖2b為入射的太赫茲波，其偏振方向與水平方向的夾角為e。該太赫茲波經石英晶體後，被分解為o光和e光，兩束光的偏振方向分別為沿石英晶體的光軸方向和垂直於光軸方向。由於石英晶體5的光軸與水平方向成45°設置，分解後的o光和e光強度基本相等，因此當太赫茲波的偏振方向發生改變時，能夠更清楚的顯示出來。 如圖2c所示，分解後的兩束光的振幅分別為ein(t)COS(45° - e )和ein(t)
6
sin (45° - e )，則分解後的兩束光振幅在水平方向的分量分別為^ein(t)cos(45。
- e )
2 由於o光和e光的傳播速度不同，因此在水平方向上會先後探測至ljg。w。和 。w 。故
和^ 來表示。
根據6^45。一arctan
則可以算出太赫茲光的偏振方向與水平方向的夾角9。現有技
術中太赫茲波的振幅方向與水平方向的夾角9的計算方法為^^arccos
,射
為太赫茲波沿水平方向的振幅，&廣
6 = 45° — arctan
,為太赫茲波振幅的最大值。由該公式與本發明的公式
比較，並結合圖2a-2c的幾何關係可知，本發明與現有技術的方法領
量與計算的結果是一致的。 圖3所示為太赫茲偏振分析器的示意圖,
本發明的太赫茲偏振分析器包括雷射光
源，在本實施例中，該雷射光源可以選用美國光譜物理公司生產的飛秒雷射放大器，其雷射脈衝平均輸出功率為3. 5W，重複頻率lKHz，中心波長800nm，脈寬50fs。雷射光源還可以選用產生其他波長雷射的雷射器，在此不再贅述。 該雷射光源光路後方同軸設置有分束片，產生的雷射脈衝經過分束片後，被分為兩束光，泵浦光Ll和探測光L2。泵浦Ll具有入射雷射的絕大部分能量，經太赫茲產生裝置產生太赫茲波。探測L2為低功率雷射，作為探測光束。 泵浦光Ll經太赫茲產生裝置產生的太赫茲波，由太赫茲產生裝置後方光路上設置的拋面鏡4準直後，聚焦於後方光路上的石英晶體5處。該石英晶體5的光軸與水平方向成45°設置，經由該石英晶體5的雙折射作用，將太赫茲波在時域上分為兩個振幅大致相等且相互垂直的o光和e光。 探測光L2作為探測光束和分開後的太赫茲波，分別經設於各自光路上的光路調整裝置調整其光路後，同向共線到達探測晶體7處。 在圖3所示的實施例中，光路調整裝置實施為分開後的太赫茲波經拋面鏡4的準直和聚焦後，由拋面鏡4後方的導電玻璃6反射到探測晶體7處。該探測晶體7選用如ZnTe的電光晶體，該導電玻璃6可選用IT0。探測光束經反射鏡11和透鏡1調整光路並聚焦後，透過導電玻璃6與通過石英晶體的太赫茲波同向共線通過探測晶體7。
由於泵浦光Ll和探測光L2為同源光，故在同向共線通過探測晶體7時，太赫茲波和探測光束在探測晶體上重合。在探測晶體7內，太赫茲電場改變晶體的折射率橢球，從而使出射的探測光束的偏振態發生改變，使原本水平偏振的800nm探測光束的偏振方向發生 變化。探測裝置設於該探測晶體7光路後方，可探測得出太赫茲電場波形。
具體的，該探測裝置主要由在光路上依次設置的四分之一波片8、渥拉斯頓稜鏡9 和差分探頭10組成。從該探測晶體7出射的探測光束，經過四分之一波片8調零，使得開 始時探測光束的水平偏振光和豎直偏振光的光強相等。然後經渥拉斯頓稜鏡9將水平偏振 光和豎直偏振光分開，分開的兩束光由差分探頭10進行探測。 分開的水平偏振光和豎直偏振光的光強差正比於太赫茲電場，使用差分探頭10 可以將這兩束偏振光的光強差轉換為電流差，經計算機軟體計算，從而探測到太赫茲電場 隨時間變化的時域光譜來，得到如圖lb的太赫茲電場波形。然後根據圖中測到的5 ,。和 。^ 即可計算得出太赫茲偏振的e角。 本發明的太赫茲產生裝置是採用雙頻雷射激發空氣產生等離子體，從而產生太赫 茲波的方法產生的。太赫茲產生裝置包括在泵浦光光路上依次設置的透鏡1、偏硼酸鋇晶體 2和聚四氟乙烯板3。 泵浦光L1通過分束片後方所設的透鏡1後，經BB0(偏硼酸鋇)晶體2進行倍頻， 部分光被倍頻為400nm的倍頻光，部分光從BBO晶體透過後仍為800nm的基頻光。該倍頻 光與基頻光於距BBO晶體距離d處聚焦相混頻，產生等離子體，從而激發太赫茲波。BBO晶 體後方光路上設有聚四氟乙烯板3，產生的太赫茲波能夠從聚四氟乙烯板3透過，從而濾去 其他光波，得到實驗所需太赫茲波。 基於雙頻雷射激發空氣產生等離子體產生太赫茲波的機制中，當基頻光是線偏振 光時，激發的太赫茲波也是線偏振的。隨著基頻光和倍頻光的相對相位的變化太赫茲波的 偏振方向會連續變化。基頻光和倍頻光的相對相位隨著BBO晶體到等離子體的距離d的不 同而發生變化，並且基頻光和倍頻光的相對相位的變化正比於BBO晶體的位置的變化。
當BBO晶體的位置連續發生變化時，太赫茲波的偏振方向也會連續發生變化，通 過探測通過石英晶體的太赫茲波所分開的兩個脈衝，再進行計算，就可以只通過一次測量 得到太赫茲波的偏振方向。圖4顯示了改變BBO晶體2的位置時，太赫茲波的偏振角度隨 之發生的變化。從圖4中可知，用本發明太赫茲偏振分析器測量得到的結果，與採用現有技 術直接測量得到的結果能夠很好的吻合。 本發明採用上述太赫茲偏振分析器的太赫茲偏振測量方法，包括如下步驟
(1)產生同源的太赫茲波和探測光L2，探測光L2作為探測光束；
(2)將太赫茲波利用拋面鏡準直和聚焦，通過光軸與水平方向成45。的石英晶 體，使太赫茲波在時域上分為兩個振幅大致相等的o光和e光； (3)調整探測光束和分開後的太赫茲波的光路，使太赫茲波與探測光束同向共線
通過探測晶體，通過太赫茲電場改變探測晶體的折射率橢球，從而使原本水平偏振的800nm
探測光束的偏振方向發生變化，該探測晶體7可選用如ZnTe的電光晶體； (4)利用探測裝置探測從該探測晶體出射的該探測光束水平偏振光和豎直偏振光
的光強差，從而探測得出太赫茲電場波形。 步驟(1)中產生太赫茲波和探測光束，是將雷射光源產生的雷射脈衝經過分束片 後，被分為兩束光，泵浦光Ll和探測光L2。泵浦光Ll具有入射雷射的絕大部分能量，經太 赫茲產生裝置產生太赫茲波，探測光L2為低功率雷射，作為探測光束。該雷射光源可以選用美國光譜物理公司生產的飛秒雷射放大器，其雷射脈衝平均輸出功率為3. 5W，重複頻率 lKHz，中心波長800nm，脈寬50fs。本實施例中選用800nm的雷射光源，還可以選用其他波 長的雷射，在此不再贅述。 太赫茲波可以通過雙頻雷射激發空氣產生等離子體，從而產生太赫茲波的方法產 生。具體為將800nm的泵浦光Ll進行倍頻，產生波長為400nm的光，可選用BBO晶體進行 倍頻。該倍頻光與未被倍頻的基頻光被聚焦而在聚焦處相混頻，產生等離子體，從而激發 太赫茲波。激發的太赫茲波從聚四氟乙烯板透過，濾去其他光波，得到實驗所需太赫茲波。 BBO晶體與等離子體之間的距離d的變化，正比於基頻光和倍頻光的相對相位的變化，從而 使太赫茲波的偏振方向也發生變化。 步驟(4)中該探測光束先通過四分之一波片進行調零，使得開始時探測光束的水 平偏振光和豎直偏振光的光強相等。然後經渥拉斯頓稜鏡將水平偏振光和豎直偏振光的光 路分開，由差分探頭進行探測。分開的水平偏振光和豎直偏振光的光強差正比於太赫茲電 場，使用差分探頭可以將這兩束偏振光的光強差轉換為電流差，經計算機軟體計算，從而探 測到太赫茲電場隨時間變化的時域光譜來，得到如圖lb的太赫茲電場波形圖。然後根據圖 中測到的 。 ,。和 。*即可計算得出太赫茲偏振的e角。 利用上述方法可以只通過一次測量得到太赫茲波的偏振方向，且其測量得到的結 果，與採用現有技術直接測量得到的結果能夠很好的吻合。 以上對本發明的描述是說明性的，而非限制性的，本專業技術人員理解，在權利要 求限定的精神與範圍之內可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本發明的 保護範圍內。
權利要求
一種太赫茲偏振分析器，其特徵在於，包括發出雷射的雷射光源；分束片，設於所述雷射光源的光路後方，將雷射分為泵浦光和探測光；產生太赫茲波的太赫茲產生裝置，設於所述分束片後方泵浦光的光路上；石英晶體，設置於所述太赫茲產生裝置後方的光路上，所述石英晶體的光軸與水平方向成45°設置；光路調整裝置，設於所述石英晶體後方的光路上和探測光的光路上，使所述太赫茲波和探測光同向共線；探測晶體，設於所述光路調整裝置後方的光路上；探測裝置，設於所述探測晶體後方的光路上。
2. 如權利要求1所述的太赫茲偏振分析器，其特徵在於，所述太赫茲產生裝置包括在 泵浦光光路上依次設置的透鏡、偏硼酸鋇晶體和聚四氟乙烯板。
3. 如權利要求1所述的太赫茲偏振分析器，其特徵在於，所述探測裝置包括在光路上 依次設置的四分之一波片、渥拉斯頓稜鏡和差分探頭。
4. 如權利要求2或3所述的太赫茲偏振分析器，其特徵在於，所述探測晶體為電光晶體。
5. —種採用太赫茲偏振分析器的太赫茲偏振測量方法，其特徵在於，包括如下步驟(1) 產生同源的太赫茲波和探測光；(2) 將所述太赫茲波通過光軸與水平方向成45。的石英晶體，使所述太赫茲波在時域 上分為o光和e光；(3) 調整探測光和分開後的太赫茲波的光路，使探測光和太赫茲波同向共線通過探測 晶體，使探測光的偏振方向發生變化；(4) 探測從所述探測晶體出射的探測光的水平偏振光和豎直偏振光的光強差；(5) 根據探測結果得到太赫茲電場波形，計算得出太赫茲波的偏振角度。
6. 如權利要求5所述的太赫茲偏振測量方法，其特徵在於，步驟(4)中的探測水平偏振 光和豎直偏振光的光強差，是先將探測光進行調零，使得開始時探測光束的水平偏振光和 豎直偏振光的光強相等，然後將探測光的水平偏振光和豎直偏振光分開，由差分探頭進行 探測。
7. 如權利要求5所述的太赫茲偏振測量方法，其特徵在於，步驟(1)中的產生同源的太 赫茲波和探測光，是將雷射脈衝分為泵浦光和探測光，泵浦光經太赫茲產生裝置產生太赫 茲波。
8. 如權利要求7所述的太赫茲偏振測量方法，其特徵在於，所述泵浦光經太赫茲產生 裝置產生太赫茲波的步驟為，將泵浦進行倍頻，產生倍頻光，所述倍頻光與未被倍頻的基頻 光被聚焦而在焦點處相混頻，產生等離子體，激發太赫茲波，完成產生太赫茲波步驟。
9. 如權利要求7所述的太赫茲偏振測量方法，其特徵在於，所述泵浦光具有入射雷射 的絕大部分能量，所述探測光為低功率雷射。
全文摘要
一種太赫茲偏振分析器以及一種採用太赫茲偏振分析器的太赫茲偏振測量方法，偏振分析器包括發出雷射的雷射光源；分束片，設於所述雷射光源的光路後方，將雷射分為泵浦光和探測光；產生太赫茲波的太赫茲產生裝置，設於所述分束片後方泵浦光的光路上；石英晶體，設置於所述太赫茲產生裝置後方的光路上，所述石英晶體的光軸與水平方向成45°設置；光路調整裝置，設於所述石英晶體後方的光路上和探測光的光路上，使所述太赫茲波和探測光同向共線；探測晶體，設於所述光路調整裝置後方的光路上；探測裝置，設於所述探測晶體後方的光路上。
文檔編號G01J4/00GK101726362SQ20091023873
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月23日 優先權日2009年11月23日
發明者張亮亮, 張存林, 鄧朝, 鍾華 申請人:首都師範大學