一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置製造方法
2023-05-31 09:48:11
一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、成像透鏡、MgO：LiNbO3晶體、太赫茲光子收集透鏡、窄帶濾波片、太赫茲單光子探測器、單光子計數器、符合測量裝置及計算機；從泵浦光源出射的泵浦光通過半波片和偏振分束器入射成像透鏡，形成波面為球面形的會聚光束，激勵MgO：LiNbO3晶體產生具有糾纏性質的太赫茲波光子和斯託克斯光子。在太赫茲光子傳輸路徑上放置待成像物體、太赫茲光子收集透鏡、窄帶濾波片、太赫茲單光子探測器。在斯託克斯光子傳輸路徑上，放置加有光纖的單光子探測器接收其光子，並做空間成像掃描。太赫茲單光子探測器和單光子探測器輸出的信號進入符合測量裝置，並用計算機成像。
【專利說明】一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及太赫茲光電子學【技術領域】，具體涉及一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏太赫茲波成像裝置。
【背景技術】
[0002]太赫茲波是一種處于波長30 μ m-3mm範圍內的電磁波，是一種非常具有科學研究價值的電磁波輻射。它對大多數非極性材料、沙塵、塑料聚合物、木板、紙張、半導體材料等都具有較高的穿透性，並且太赫茲波光子的能量僅為X射線光子的能量1/106，不會對生物組織產生有害的電離，因此太赫茲波成像技術目前已被廣泛的應用於安全檢查、武器制導、反恐、生物醫學成像等應用技術中，它因此也成為了聲學成像技術、紅外成像技術和X射線成像技術的有益補充。
[0003]目前，常見的太赫茲波成像技術主要是太赫茲波時域光譜成像技術和連續太赫茲波成像技術。太赫茲波時域光譜成像技術主要是通過對含有成像物體信息的超短太赫茲波脈衝從時域到頻域的變換，就可獲得到它的強度和相位的空間分布信息，進而可得到物體的太赫茲波圖像，以及物體的空間密度分布、折射率等信息。然而，這種太赫茲波成像系統光路結構較為複雜，光路穩定性較差，用來產生太赫茲波的飛秒雷射器價格昂貴。連續太赫茲波成像技術，是通過記錄太赫茲波透過物體(或經物體反射)後的強度信息來實現成像。與時域光譜成像系統相比，在成像數據採集和處理方式上較為簡單、迅速，成像系統結構也相對簡單。這種成像技術的主要缺點是圖像信息量少，在實驗中太赫茲波在光路中的多次反射會發生相干疊加，導致圖像中可能存在幹涉條紋。
[0004]在上述兩種常見的太赫茲波成像技術中，還都存在有如下不足:(1)當攜帶成像物體信息的太赫茲波在空間傳輸時，很容易受到外界環境，諸如空氣流動、溼度變化、煙塵等的隨機幹擾，成像系統的抗幹擾能力較差；(2)由於常用的太赫茲波輻射源的波長一般為百微米或毫米量級，因此根據瑞利衍射極限原理，成像解析度一般也為相同數量級。
[0005]在中國專利(申請號201210548593.6)，公開了一種基於雙光子糾纏的太赫茲波成像裝置，其中的成像透鏡在第一種成像系統組合中是置於太赫茲光子傳輸路徑中，在第二種成像系統組合中是置於斯託克斯光子傳輸路徑中。在這兩種成像組合中，在給定的待成像物體位置和成像掃描面位置的情況下，成像公式限定了成像透鏡在太赫茲光子傳輸路徑或斯託克斯光子傳輸路徑中的擺放位置。這種成像透鏡是置於糾纏雙光子傳輸路徑中的成像裝置，在實際成像操作中較為不便，限制了這種成像裝置在實際中的應用。而且，在第一種成像組合中，置於太赫茲光子傳輸路徑的成像透鏡，一般是由白色聚乙烯材料或TPX材料製成，不可避免的會對太赫茲光子有一定的損耗，這對成像是較為不利的。
【發明內容】
[0006]針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，該裝置結構簡單、非定域式、解析度高、抗幹擾能力強。
[0007]為了實現上述任務，本發明採用如下的技術解決方案:
[0008]一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，包括泵浦光源、半波片、偏振分束器、成像透鏡、MgO =LiNbO3晶體、太赫茲光子收集透鏡、窄帶濾波片、太赫茲單光子探測器、單光子計數器、符合測量裝置、計算機；
[0009]從泵浦光源出射的泵浦光通過半波片和偏振分束器後，入射成像透鏡，形成波面為球面形的會聚光束，激勵MgO =LiNbO3晶體產生具有糾纏性質的太赫茲波光子和斯託克斯光子，其中:
[0010]在太赫茲光子傳輸路徑上放置待成像物體、太赫茲光子收集透鏡、窄帶濾波片、太赫茲單光子探測器；在斯託克斯光子傳輸路徑上，放置加有光纖尾纖的單光子探測器接收其光子，並可做空間成像掃描。
[0011 ] 所述成像透鏡為凸透鏡。
[0012]所述成像透鏡的材質首選K9玻璃或BK7玻璃。
[0013]所述MgO =LiNbO3晶體為X-Y-Z方式切割，在泵浦光出射端有一 25°的切割角；在兩個Y-Z面光學拋光，並鍍與泵浦光波長相應的增透膜。
[0014]所述泵浦光儘量靠近MgO = LiNbO3晶體切割角處切割面與Y-Z面的交界處。
[0015]所述太赫茲光子收集透鏡由高密度白色聚乙烯或TPX材質製成。
[0016]所述符合測量裝置由時幅轉換儀和多通道分析儀組成。
[0017]本發明的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，具有操作靈活、結構簡單、抗幹擾能力強、解析度高、非定域式的等優點，可廣泛用於軍事偵察、遙感、生物醫學成像、安全反恐等領域，應用前景巨大。與現有常見的太赫茲波成像技術相比，具有以下優點:
[0018](I)在這種太赫茲成像技術中，成像透鏡是置於泵浦光傳輸路徑上，確切地說是置於偏振分束器與產生糾纏雙光子的MgO =LiNbO3晶體之間，而不是置於太赫茲光子或斯託克斯光子的傳輸路徑上。其常用材質(K9玻璃或BK7玻璃)對泵浦光的吸收很小，基本可以忽略不計，對整個成像系統影響很小，保證了成像質量，在一定程度上也降低了對實驗條件的要求。
[0019](2)這種採用球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，所採用成像公式，決定了待成像物體、成像掃描面和透鏡的放置位置更為靈活，提高了該成像裝置在實際應用中的操作靈活性和適用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置的結構示意圖。
[0021]圖2是MgO =LiNbO3晶體的切割方式示意圖。
[0022]圖3是泵浦光光子的波矢、斯託克斯光子的波矢和太赫茲光子的波矢滿足的非共線相位匹配示意圖。
[0023]圖中的標號分別表示，1、Nd:YAG雷射器，2、半波片，3、偏振分束器，4、成像透鏡，
5、MgO =LiNbO3晶體，6、太赫茲光子，7、待成像物體，8、太赫茲光子收集透鏡，9、窄帶濾波片，10、太赫茲單光子探測器，11、斯託克斯光子，12、單光子計數器，13、符合測量裝置，14、計算機。
[0024]以下結合附圖和實施例對本發明進行進一步詳述。
【具體實施方式】
[0025]參見圖1，本實施例中，泵浦光源I是脈衝雷射器，其波長不作限定，只要不為MgO:LiNbO3晶體5吸收即滿足要求，首選電光調Q脈衝Nd = YAG雷射器。
[0026]利用電光調Q脈衝Nd =YAG雷射器I的基頻光(波長為λ Ρ)作為泵浦光源，泵浦光的偏振方向平行於MgO =LiNbO3晶體5的Z軸方向。泵浦光通過半波片2和偏振分束器3後，被焦距為f的成像透鏡4會聚，形成波面為球面的泵浦光，然後入射至MgO:LiNbO3晶體5 (摻雜濃度為5%mol)中。通過旋轉半波片2，控制入射至MgO =LiNbO3晶體5中的泵浦光能量，從而產生非簡併雙光子糾纏的太赫茲波光子6 (波長為λτ)和斯託克斯光子11 (波長為As)。成像透鏡4到MgO =LiNbO3晶體5的太赫茲光子和斯託克斯光子的輸出端的距離為d。
[0027]MgO =LiNbO3晶體5切割方式如圖2所示。由於在太赫茲波光子6和斯託克斯光光子11產生過程中，泵浦光光子的波矢Icamp、斯託克斯光子的波矢kst-s和太赫茲光子的波矢kTHz滿足非共線相位匹配過程(如圖3所示)，且太赫茲光子波矢與泵浦光光子波矢夾角較大(約65° )。在MgO = LiNbO3晶體5的泵浦光出射端切割一角，如圖2所示，切割角度為25°，使產生的太赫茲波光子6從切割面處垂直出射。切割面進行光學拋光。同時，產生的斯託克斯光子11將從MgO = LiNbO3晶體5的Y-Z面處出射。泵浦光儘量靠近MgO = LiNbO3晶體5的切割面與Y-Z面的交界處 ，以縮短太赫茲波光子在晶體中的傳輸路徑。對兩個Y-Z通光面進行光學拋光，並鍍與泵浦光波長相對應的增透膜。
[0028]在太赫茲波光子6的傳輸路徑上放置待成像物體7。從MgO =LiNbO3晶體5切割面到待成像物體7的距離為Zp攜帶物體信息的太赫茲波光子被一由高密度白色聚乙烯或TPX材料製成的太赫茲光子收集透鏡8會聚，在其焦點處放置太赫茲單光子探測器10。在太赫茲單光子探測器10前加一窄帶濾波片9，用以濾除雜散光。
[0029]在斯託克斯光子11的傳輸路徑上放置一加有光纖尾纖的單光子探測器12，該單光子探測器可做垂直於斯託克斯光子傳輸路徑的平面成像掃描。從MgO =LiNbO3晶體5的斯託克斯光子輸出面到單光子探測器12掃描平面的距離為Z2。太赫茲單光子探測器10和單光子探測器12輸出的信號進入由時幅轉換儀和多通道分析儀組成的符合測量裝置13，並用計算機14進行成像數據採集。當滿足如下成像公式時:
【權利要求】
1.一種球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，包括泵浦光源(I)、半波片(2)、偏振分束器(3)、成像透鏡(4)、MgO =LiNbO3晶體(5)、太赫茲光子收集透鏡(8)、窄帶濾波片(9)、太赫茲單光子探測器(10)、單光子計數器(12)、符合測量裝置(13)、計算機(14)； 從泵浦光源(I)出射的泵浦光通過半波片(2 )和偏振分束器(3 )後，入射成像透鏡(4 )，形成波面為球面形的會聚光束，激勵MgO =LiNbO3晶體(5)產生具有糾纏性質的太赫茲波光子(6)和斯託克斯光子(11);其中: 在太赫茲光子(6)傳輸路徑上放置待成像物體(7)、太赫茲光子收集透鏡(8)、窄帶濾波片(9 )、太赫茲單光子探測器(10 );在斯託克斯光子(11)傳輸路徑上，放置加有光纖尾纖的單光子探測器(12)接收其光子，並可做空間成像掃描； 太赫茲單光子探測器(10)和單光子探測器(12)分別連接符合測量裝置(13)，符合測量裝置(13)連接計算機(14)。
2.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述成像透鏡(4)為凸透鏡。
3.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述成像透鏡(4)的材質選擇K9玻璃或BK7玻璃。
4.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述MgO =LiNbO3晶體(5)為X-Y-Z方式切割，並在泵浦光出射端有一 25°的切割角，切割面光學拋光。
5.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述MgO =LiNbO3晶體(5)在兩個Y-Z面光學拋光，並鍍與泵浦光波長相應的增透膜。
6.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述泵浦光是儘量靠近MgO:LiNbO3晶體(5)切割角處切割面與Y-Z面的交界處。
7.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述太赫茲光子收集透鏡(8 )由高密度白色聚乙烯或TPX材質製成。
8.如權利要求1所述的球面波泵浦的太赫茲-斯託克斯雙光子糾纏成像裝置，其特徵在於，所述符合測量裝置(14)由時幅轉換儀和多通道分析儀組成。
【文檔編號】G01N21/3586GK103776795SQ201310754677
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】孫博, 白先鵬, 田方 申請人:西北大學