本發(fā)明涉及太赫茲波的時(shí)域光譜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種利用改變不同入射激光脈沖的波長從而改變太赫茲波偏振態(tài)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(terahertz，thz)波(或稱thz輻射、t－射線、亞毫米波、遠(yuǎn)紅外，通常簡稱為thz)通常指的是頻率在0.1thz～10thz(波長在3mm～30μm)范圍內(nèi)的電磁輻射。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段；從能量上看，在電子和光子之間。太赫茲的獨(dú)特性能給通信(寬帶通信)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像(無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像)、無損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領(lǐng)域帶來了深遠(yuǎn)的影響。

研究太赫茲波的偏振對(duì)于了解太赫茲波的特性和應(yīng)用有非常重要的作用，偏振是不同于其他頻率段的波的一個(gè)特性，因此了解以及改變太赫茲波的偏振使得對(duì)太赫茲波的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)新的提升。偏振態(tài)的信息對(duì)于光譜成像都有一定的幫助，現(xiàn)在許多研究者都喜歡用偏振成像的方法來提取被成像物體的各種信息，而這些信息是用簡單的光強(qiáng)成像和光譜成像所不能夠得到的。另外，研究偏振也對(duì)我們生活做了巨大的貢獻(xiàn)。之前我們所知道的簡單的用光學(xué)器件波片來改變太赫茲波偏振態(tài)的方法已經(jīng)很熟悉了，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一種通過改變實(shí)驗(yàn)的條件就可以改變太赫茲波偏振態(tài)的方法，就是改變?nèi)肷浼す饷}沖的波長來改變產(chǎn)生的太赫茲波的偏振，這是之前的研究中所沒有涉及和發(fā)現(xiàn)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種利用改變不同入射激光脈沖的波長從而改變太赫茲波偏振態(tài)的的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明所述系統(tǒng)包括變波長光參量放大器(topas)、太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測器、金屬平面反射鏡、bbo倍頻晶體、拋物面鏡、打孔拋物面鏡、平移臺(tái)、硅片、長波長濾光片，所述平移臺(tái)上方放置金屬平面反射鏡，所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述打孔拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測器，采用所述太赫茲tds系統(tǒng)構(gòu)成簡單、穩(wěn)定性較高和購買和維護(hù)費(fèi)用較低、采用此方法產(chǎn)生的太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、具有較廣的應(yīng)用范圍和研究意義。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用改變不同入射激光脈沖的波長從而改變太赫茲波偏振態(tài)的系統(tǒng)和方法，經(jīng)光學(xué)參量放大器出來的中心波長800nm的飛秒激光入射到topas(變波長)中，在topas中經(jīng)過非線性晶體的非線性作用會(huì)產(chǎn)生不同波長的激光脈沖，我們選取了長波長波段的幾個(gè)激光脈沖，用tds系統(tǒng)產(chǎn)生thz波，進(jìn)而研究了所產(chǎn)生的太赫茲波的偏振特性。所產(chǎn)生的太赫茲波與之前的800nm激光脈沖產(chǎn)生太赫茲波相比較，強(qiáng)度更強(qiáng)大，能量更強(qiáng)，應(yīng)用更穩(wěn)定，效率更高，并且所用維護(hù)費(fèi)用較低，只需要用之前空氣產(chǎn)產(chǎn)生thz波的tds系統(tǒng)做稍微的改動(dòng)即可，另外由于空氣中的水蒸氣對(duì)太赫茲波的吸收較大，所以一般傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生的太赫茲波會(huì)被水蒸氣所吸收一部分，所剩余的太赫茲又會(huì)更少，而我們的方法所產(chǎn)生的太赫茲波強(qiáng)度很強(qiáng)，空氣中的水蒸氣所吸收的部分可以忽略不計(jì)，因此這一發(fā)明具有很重要的意義。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種改變太赫茲波偏振態(tài)的系統(tǒng)，包括變波長光參量放大器、太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測器、金屬平面鏡、bbo倍頻晶體、拋物面鏡、平移臺(tái)、硅片、長波長濾光片，其中，所述平移臺(tái)上方設(shè)置所述金屬平面鏡，所述金屬平面鏡一側(cè)設(shè)置所述打孔拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)設(shè)置所述太赫茲波探測器，其中，所述變波長光參量放大器用于使入射激光脈沖的波長等間距連續(xù)變化；所述拋物面鏡用于將入射激光脈沖經(jīng)過聚焦bbo晶體倍頻后聚焦在空氣中產(chǎn)生空氣等離子體，在電場的作用下加速運(yùn)動(dòng)向外輻射太赫茲波；所述znte晶體用于探測經(jīng)離軸拋物面鏡收集后的太赫茲波，并將探測所得到的信息輸入差分探頭中進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜掃描，得到太赫茲的時(shí)域光譜圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析太赫茲波的偏振隨波長變化的圖像。

進(jìn)一步地，所述變波長光參量放大器可出射任意波長的激光脈沖。

進(jìn)一步地，所述太赫茲波發(fā)生器為空氣等離子體(四波混頻)產(chǎn)生器。

進(jìn)一步地，所述太赫茲波探測器為電光取樣探測器。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種改變太赫茲波偏振態(tài)的方法，包括以下步驟：

利用可改變波長的光參量放大器使入射激光脈沖的波長等間距連續(xù)變化；

將所述的入射激光脈沖經(jīng)過拋物面鏡聚焦bbo晶體倍頻后聚焦在空氣中產(chǎn)生空氣等離子體，在電場的作用下加速運(yùn)動(dòng)向外輻射太赫茲波；

產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)離軸拋物面鏡收集后用znte晶體探測；

探測所得到的信息輸入差分探頭中進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜掃描，得到太赫茲的時(shí)域光譜圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析太赫茲波的偏振隨波長變化的圖像。

進(jìn)一步地，所述激光脈沖波長在長波長范圍內(nèi)為1300nm-1500nm。

進(jìn)一步地，所述bbo倍頻晶體符合長波長最佳位相匹配角。

進(jìn)一步地，波長等間距間隔為20nm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于本發(fā)明取得了如下技術(shù)效果：

本系統(tǒng)構(gòu)成簡單，穩(wěn)定性較好，易于搭建和成本較低，并且避免了空氣中水蒸氣強(qiáng)烈吸收太赫茲波的問題和提高了太赫茲波的產(chǎn)生強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并且產(chǎn)生的太赫茲波的偏振會(huì)隨著波長的變化而變化，在線偏振和圓偏振之間變化，波長有微小的變化，隨之產(chǎn)生的太赫茲波偏振就會(huì)發(fā)生變化，這是之前所做的研究中所沒有說明和涉及到的，利用這一特性我們可以利用不同的波長來產(chǎn)生不同的偏振的太赫茲波。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明利用改變不同入射激光脈沖的波長從而改變太赫茲波偏振態(tài)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f、圖2g、圖2h、圖2i、圖2j和圖2k分別為實(shí)驗(yàn)所得到的太赫茲波偏振隨著入射激光脈沖波長的變化而變化的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1-topas-用來改變?nèi)肷浼す饷}沖波長的激光器；2-金屬平面反射鏡；3-第一拋物面鏡；5-第二拋物面鏡；4-bbo倍頻晶體，增大產(chǎn)生太赫茲的信號(hào)強(qiáng)度；5-長波長濾光片；6-硅片；7-znte非線性晶體；8-打孔拋物面鏡；9-znte晶體；10-1/4波片；11-沃拉斯頓棱鏡；12-差分探頭。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明一種利用改變不同入射激光脈沖的波長從而改變太赫茲波偏振態(tài)的系統(tǒng)，能產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波的太赫茲波發(fā)生器(空氣四波混頻產(chǎn)生)，收集太赫茲波的金屬拋物面鏡以及探測太赫茲波強(qiáng)度的探測器(電光取樣的方法探測)，第一拋物面鏡3聚焦激光產(chǎn)生空氣等離子體從而產(chǎn)生太赫茲波，bbo晶體4能夠增強(qiáng)產(chǎn)生太赫茲波的強(qiáng)度，第二拋物面鏡5用于收集太赫茲波，長波長濾光片6和硅片7用于擋掉多余的長波長波段的激光和紅光，znte晶體9作為探測器將得到的信息輸入差分探頭12進(jìn)行探測。8為打孔拋物面鏡，使得產(chǎn)生的太赫茲波與探測光共線聚焦到znte晶體上進(jìn)行探測，qwp10為1/4波片，wp11為沃拉斯頓棱鏡，太赫茲信息經(jīng)光電探測后由差分探頭輸入鎖相放大器進(jìn)行讀取。

本發(fā)明的工作原理為：因?yàn)橹暗难芯可婕暗搅薭bo倍頻晶體的旋轉(zhuǎn)角度與產(chǎn)生太赫茲波的強(qiáng)度和偏振有關(guān)系，另外bbo晶體與plasma的距離也會(huì)影響產(chǎn)生太赫茲波的強(qiáng)弱和偏振，前者是因?yàn)槿肷涔獾钠衽c晶體主截面的夾角發(fā)生了變化，經(jīng)過bbo晶體倍頻光的強(qiáng)度和偏振發(fā)生了變化，因此產(chǎn)生的太赫茲波會(huì)變化；后者是因?yàn)榫嚯x的變化引起了相位的變化(即下面公式中的δd的變化引起的變化)，因此太赫茲波強(qiáng)度和偏振也會(huì)變化。如下列公式所示，

公式(1)是折射率隨波長的變化關(guān)系式，其中n表示折射率，λ表示入射激光脈沖的波長，公式(2)是基頻波與倍頻波的相對(duì)相位與折射率和距離的關(guān)系式，其中表示入射的基頻波和倍頻波的相對(duì)相位差，ω表示入射基頻波的頻率，nω和n2ω分別表示基頻波和倍頻波的折射率，δd表示plasma(等離子體光絲)與bbo倍頻晶體的距離，c表示光速。

基于這些實(shí)驗(yàn)，我們大膽想象，太赫茲波偏振的變化還與什么因素有關(guān)，將上述第二個(gè)公式里面的δd保持不變，改變nω-n2ω來改變基頻波與倍頻波的相對(duì)相位而改變太赫茲波的偏振，又由于上述第一個(gè)公式所示，入射光波長的變化可以引起折射率的變化，因此接下來我們做了改變?nèi)肷涔獠ㄩL的實(shí)驗(yàn)，得到了一系列的數(shù)據(jù)顯示了改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL會(huì)影響產(chǎn)生太赫茲波的偏振特性，我們用了topas來改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，由1300nm到1500nm，20nm一變，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)origin處理后對(duì)比可以看出波長的變化會(huì)引起太赫茲波偏振的變化，隨著波長的增加，太赫茲偏振由線偏振變?yōu)閳A偏振又變回線偏振，我們初步認(rèn)為原因是因?yàn)椴煌ㄩL折射率不同，影響了基頻波與倍頻波的相對(duì)相位，因此會(huì)對(duì)產(chǎn)生的太赫茲波的偏振有一定的影響。之前我們?cè)?jīng)研究了不同波長下相對(duì)相位隨著距離δd的變化，(我們實(shí)驗(yàn)中所用產(chǎn)生等離子體的拋物面鏡焦距為15cm，bbo晶體所在位置大約為拋物面鏡與等離子體光絲的中點(diǎn)處)，得到的結(jié)果表明保持δd的值大約為7.5cm，在入射光波長為1400nm時(shí)，的值大概是π/4，也就是說太赫茲水平偏振分量與豎直偏振分量相等，此時(shí)得到的太赫茲偏振為圓偏振。在入射光的波長為1500nm和1300nm時(shí)，的值會(huì)有偏差，水平偏振分量和豎直偏振分量不相等，因此太赫茲偏振接近于線偏振，在波長向1400nm靠近時(shí)，偏振會(huì)接近于圓偏振。

實(shí)施例1：

(1)首先使用空氣產(chǎn)生太赫茲波的方法，激光經(jīng)過拋物面鏡聚焦后產(chǎn)生空氣等離子體，用拋物面鏡5收集之后與探測光共線用znte晶體探測，所收集的信息經(jīng)差分探頭輸入鎖相放大器進(jìn)行掃描得到時(shí)域光譜。

(2)由topas輸出不同波長的激光(1300nm-1500nm)，不同波長所對(duì)應(yīng)的激光的功率也會(huì)不同，采用20nm間隔的波長變化方式，每一個(gè)波長都采集太赫茲波偏振的水平分量和豎直分量，將所得信息輸入鎖相放大器進(jìn)行掃描得到時(shí)域光譜，提取太赫茲水平和豎直分量進(jìn)而圖像處理得到11組圖，入射激光波長逐漸變化，太赫茲波的偏振也逐漸變化。

檢測結(jié)果如圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f、圖2g、圖2h、圖2i、圖2j和圖2k所示，橫坐標(biāo)為太赫茲波的豎直偏振分量，縱坐標(biāo)為太赫茲波的水平偏振分量，波長分別由短到長，20nm一變，可以看出太赫茲波的偏振由線偏振變?yōu)閳A偏振又變?yōu)榫€偏振，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明太赫茲波的偏振是隨著入射激光的波長的變化而變化的(在以上所有的實(shí)驗(yàn)過程中bbo晶體的位置以及角度是不變的)，即波長對(duì)太赫茲偏振具有調(diào)制作用。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。