專利名稱：基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲波光斬波器及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲光斬波器及使用方法，屬于太赫茲 斬波技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
斬波器是鎖相放大技術(shù)中的必備部分，斬波器通過(guò)控制光信號(hào)的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)信 號(hào)的調(diào)制，與鎖相放大器結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。光學(xué)斬波器在光纖放大器特性 測(cè)量、光纖光柵傳感、及太赫茲時(shí)域光譜分析等微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的是機(jī)械斬波器。機(jī)械斬波器由機(jī)械斬光 片、機(jī)械架、光耦頻率反饋和速度控制電子學(xué)系統(tǒng)四部分組成。機(jī)械斬光片為金屬圓片，上 面開(kāi)有等間距圓周排列的縫隙，機(jī)械斬光片由馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而周期性的控制光信號(hào)的 有無(wú)。這種機(jī)械斬波器有兩個(gè)問(wèn)題很難解決(1)因?yàn)閿毓馄婉R達(dá)等機(jī)械裝置無(wú)法集成， 所以機(jī)械斬波器的體積很難壓縮到很?。?2)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的速度有限，一般幾千赫茲，在需要 高速斬波的情況下很難工作。另外還有基于電光調(diào)制晶體的電光斬波器，對(duì)太赫茲波吸收過(guò)大，不能用于直接 太赫茲波的直接斬波，而且造價(jià)較高。非機(jī)械式的太赫茲斬波器對(duì)于太赫茲時(shí)域系統(tǒng)的小型緊湊化是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲光譜系統(tǒng)的光控?cái)夭ㄆ?，該?波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與其他電子器件集成，體積小，斬波速度快。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。一種基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲波光斬波 器，其特征在于該斬波器由設(shè)置在太赫茲光路中的硅基氧化釩薄膜2，照射硅基氧化釩薄 膜的激光二極管4，二極管與硅基氧化釩薄膜之間設(shè)置一個(gè)聚焦透鏡3，激光二極管的驅(qū)動(dòng) 電源5，提供驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)信號(hào)的方波信號(hào)發(fā)生器6構(gòu)成，信號(hào)發(fā)生器6還設(shè)有參考信號(hào)輸 出端子7，該端子與鎖相放大器相連。以上述結(jié)構(gòu)的斬波器對(duì)太赫茲波進(jìn)行斬波的方法，其特征在于包含以下過(guò)程硅 基氧化釩薄膜2的膜面垂直于太赫茲波束放置，激光二極管4發(fā)出的光與太赫茲波在硅基 氧化釩薄膜2同側(cè)對(duì)其照射，激光二極管4的入射方向與膜面法向夾角為30° -60°，照射 區(qū)的光斑面積由聚焦透鏡3控制。激光二極管4通過(guò)激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源5在方波信號(hào) 發(fā)生器6控制下，輸出頻率為100Hz-3KHz的激光脈沖方波，當(dāng)激光二極管4處于發(fā)光狀態(tài) 時(shí)，硅基氧化釩薄膜2在激光的照射下，發(fā)生半導(dǎo)體_金屬相變過(guò)程，其電導(dǎo)率會(huì)劇增，從而 對(duì)穿透的太赫茲波的損耗大大增強(qiáng)，太赫茲波透過(guò)率降低，太赫茲波的傳輸相當(dāng)于被阻斷 狀態(tài)；當(dāng)激光二極管處4于不發(fā)光狀態(tài)時(shí)，硅基氧化釩薄膜2處于半導(dǎo)體狀態(tài)，此時(shí)太赫茲 波的透過(guò)率較高，太赫茲波的傳輸相當(dāng)于開(kāi)通狀態(tài)，從而周期性的實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波通斷的 控制，達(dá)到對(duì)太赫茲波斬波的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，與普通機(jī)械斬波器相比是(1)光斬波方式更加穩(wěn)定，沒(méi)有機(jī)械斬 波帶來(lái)的振動(dòng)影響；(2)斬波器的控制光源為波長(zhǎng)808nm的商用激光二極管，對(duì)模式要求不 高，輸出有百毫瓦量級(jí)即可，成本低廉；(3)硅基氧化釩薄膜以及激光二極管都可以方便地 與其他電子器件集成，便于太赫茲系統(tǒng)的小型化；(4)調(diào)制速度快，可達(dá)30KHz，能夠用于需 要高速斬波的場(chǎng)合。


圖1為本發(fā)明的基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲波光斬波器的結(jié)構(gòu)框圖。圖中1_遮光板，2-硅基氧化釩薄膜，3-透鏡，4-激光二極管，5-激光驅(qū)動(dòng)電源， 6-方波信號(hào)發(fā)生裝置，7-參考信號(hào)輸出端子。圖2為采用本發(fā)明的光斬波器對(duì)太赫茲波進(jìn)行2KHz斬波時(shí)，測(cè)得的太赫茲脈沖波 形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)敘述基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲光斬波器的具體實(shí)施方式
如下首先制備硅基氧化釩薄膜。選擇單面拋光，晶向?yàn)?lt;110>方向的高阻硅片，電阻率 ρ > 1000 Ω/cm2，厚度600微米。氧化釩薄膜的形成是在氬氧比Ar O2 = 48 0. 8 (sccm)、 壓強(qiáng)2Pa、室溫環(huán)境下磁控濺射2個(gè)小時(shí)而成，薄膜厚度為620nm。將制備好的硅基氧化釩薄膜2放置在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的太赫茲焦點(diǎn)前5mm 處。激光二極管4發(fā)出的激光通過(guò)焦距為50cm的透鏡3照射到硅基氧化釩薄膜2表面，激 光二極管輸出光的方向與硅基氧化釩薄膜2法線夾角為45°，在激光反射光路上用黑色遮 光板1對(duì)反射的激光進(jìn)行遮擋，避免對(duì)人眼造成傷害。通過(guò)調(diào)節(jié)焦距為50mm的聚焦透鏡3， 使照射到硅基氧化釩薄膜2表面的激光光斑直徑6mm，完全覆蓋太赫茲光斑。激光二極管4與激光驅(qū)動(dòng)電源5相連，本發(fā)明采用的激光二極管為波長(zhǎng)808nm的 商用產(chǎn)品，輸出功率最高200mW，模式較差，價(jià)格低廉。激光驅(qū)動(dòng)電源的控制端口與方波信號(hào) 發(fā)生器6相連。方波頻率在100Hz-30KHz之間調(diào)節(jié)，占空比選擇1 1，幅值為5V，上升沿 時(shí)間不能大于10微秒。方波信號(hào)發(fā)生器6(型號(hào)為AFG3101)輸出的0V-5V方波信號(hào)，通過(guò) 同軸電纜線傳給激光驅(qū)動(dòng)電源5的控制端，從而控制激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源5輸出同頻率 的驅(qū)動(dòng)電壓給激光二極管4。最后激光二極管4把電方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成激光方波信號(hào)。當(dāng)激 光二極管4處于發(fā)光狀態(tài)時(shí)，硅基氧化釩薄膜2在激光的照射下，發(fā)生半導(dǎo)體_金屬相變過(guò) 程，其電導(dǎo)率會(huì)劇增，從而對(duì)穿透的太赫茲波的損耗大大增強(qiáng)，太赫茲波透過(guò)率降低，太赫 茲波的傳輸相當(dāng)于被阻斷狀態(tài)；當(dāng)激光二極管4處于不發(fā)光狀態(tài)時(shí)，硅基氧化釩薄膜2處于 半導(dǎo)體狀態(tài)，此時(shí)太赫茲波的透過(guò)率較高，太赫茲波的傳輸相當(dāng)于開(kāi)通狀態(tài)，從而周期性的 實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波通斷的控制，達(dá)到對(duì)太赫茲波斬波的目的。方波信號(hào)發(fā)生器6發(fā)出的方波信號(hào)，通過(guò)參考信號(hào)輸出端子7輸入到鎖相放大器 中作為參考信號(hào)，太赫茲探測(cè)系統(tǒng)輸出的信號(hào)就可以被鎖相放大器檢測(cè)出來(lái)。圖2是實(shí)驗(yàn) 測(cè)得的太赫茲脈沖信號(hào)波形圖。
權(quán)利要求
1.一種基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲波光斬波器，其特征在于該斬波器由設(shè)置在太 赫茲光路中的硅基氧化釩薄膜(2)，照射硅基氧化釩薄膜的激光二極管(4)，二極管與硅基 氧化釩薄膜之間設(shè)置一個(gè)聚焦透鏡(3)，激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源(5)，提供驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)信 號(hào)的方波信號(hào)發(fā)生器(6)構(gòu)成，信號(hào)發(fā)生器(6)還設(shè)有參考信號(hào)輸出端子(7)，該端子與鎖 相放大器相連。
2.一種以權(quán)利要求1所述的斬波器對(duì)太赫茲波進(jìn)行斬波的方法，其特征在于包含以下 過(guò)程硅基氧化釩薄膜(2)的膜面垂直于太赫茲波束放置，激光二極管(4)發(fā)出的光與太 赫茲波在硅基氧化釩薄膜(2)同側(cè)對(duì)其照射，激光二極管(4)的入射方向與膜面法向夾角 為30° -60°，照射區(qū)的光斑面積由聚焦透鏡(3)控制，激光二極管(4)通過(guò)激光二極管的 驅(qū)動(dòng)電源(5)在方波信號(hào)發(fā)生器(6)控制下，輸出頻率為100Hz-3KHz的激光脈沖方波，當(dāng) 激光二極管(4)處于發(fā)光狀態(tài)時(shí)，硅基氧化釩薄膜(2)在激光的照射下，發(fā)生半導(dǎo)體-金 屬相變過(guò)程，其電導(dǎo)率會(huì)劇增，從而對(duì)穿透的太赫茲波的損耗大大增強(qiáng)，太赫茲波透過(guò)率降 低，太赫茲波的傳輸相當(dāng)于被阻斷狀態(tài)；當(dāng)激光二極管(4)處于不發(fā)光狀態(tài)時(shí)，硅基氧化釩 薄膜(2)處于半導(dǎo)體狀態(tài)，此時(shí)太赫茲波的透過(guò)率較高，太赫茲波的傳輸相當(dāng)于開(kāi)通狀態(tài)， 從而周期性的實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波通斷的控制，達(dá)到對(duì)太赫茲波斬波的目的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于硅基氧化釩薄膜的太赫茲光斬波器及使用方法，屬于太赫茲斬波技術(shù)領(lǐng)域。該斬波器包括硅基氧化釩薄膜，激光二極管，聚焦透鏡，激光二極管的驅(qū)動(dòng)電源，方波信號(hào)發(fā)生器，參考信號(hào)輸出端子。該斬波器的斬波過(guò)程為將硅基氧化釩薄膜置于太赫茲波束中，以激光二極管對(duì)其照射，照射區(qū)的光斑面積由聚焦透鏡控制，激光二極管輸出的激光方波脈沖由方波信號(hào)發(fā)生器控制，輸出頻率在100Hz-3KHz間可調(diào)，硅基氧化釩薄膜的透過(guò)率在激光方波信號(hào)的作用下，發(fā)生周期性改變，從而實(shí)現(xiàn)周期性的控制太赫茲波的通斷，達(dá)到對(duì)太赫茲波斬波的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是斬波穩(wěn)定、成本低廉、體積小、便于集成、調(diào)制速度快。
文檔編號(hào)G02F1/01GK102109686SQ201010529018
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者柴路, 栗巖鋒, 王昌雷, 田震, 胡明, 邢岐榮, 陳濤 申請(qǐng)人:天津大學(xué)