一種基于金屬線柵的法布里-珀羅THz波長測量儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀，其包括位于THz波輸入端的第一金屬線柵、位于THz波輸出端的第二金屬線柵、用于接收透過第二金屬線柵的THz波的THz功率計；第一金屬線柵與第二金屬線柵通過框架連接在一起，第二金屬線柵與框架之間為滑動配合或可拆分連接；第一金屬線柵的立桿設(shè)置有夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度并自身帶有角度刻度的金屬半圓儀，第一金屬線柵的底部橫桿安放在光學(xué)平臺上；第二金屬線柵的底部橫桿固定在水平電動位移平臺上，水平電動位移平臺安放在光學(xué)平臺上。本實(shí)用新型在測量不同波長的THz波時，不需要更換不同參數(shù)的金屬線柵，就能測量100～1000微米內(nèi)任意波長的THz波。
【專利說明】—種基于金屬線柵的法布里-珀羅THz波長測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于太赫茲【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀。

【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)合圖1、圖2，金屬線柵是由具有有限電導(dǎo)率、均勻、平行、等間距的金屬細(xì)線排列組成。金屬細(xì)線可以固定在無吸收的介質(zhì)基底上或者金屬圓環(huán)上形成無基底金屬線柵。金屬線的電導(dǎo)率為σ，g為線柵常數(shù)、a為線柵的金屬線半寬度。
[0003]金屬線柵和金屬網(wǎng)柵在微波領(lǐng)域中被廣泛的采用，同樣，在亞毫米波段金屬線柵和金屬網(wǎng)柵在一些裝置中扮演著核心器件的角色。例如，金屬線柵和金屬網(wǎng)柵作為光抽運(yùn)產(chǎn)生亞毫米波F-P腔的端鏡。在輸入端經(jīng)參數(shù)設(shè)置后對泵浦的紅外激光高透，同時對腔內(nèi)產(chǎn)生的THz高反；在輸出端經(jīng)參數(shù)設(shè)置后，對其產(chǎn)生的THz波高透，而對泵浦光高反。這樣既提高了泵浦光的利用率，又有效地從THz波中濾除了紅外泵浦光。金屬線柵和金屬網(wǎng)柵只對某一特定波長有較大的透過率而對其他的波長透過率都很低的特性，能夠提高THz激光單模輸出的能力，還可用來屏蔽來自外界的電磁波的干擾。金屬網(wǎng)柵和金屬線柵有一個非常精確、方便、且實(shí)用的功能，構(gòu)成F-P腔來測定THz的波長。
[0004]實(shí)驗(yàn)中，可以使用兩金屬線柵組成F-P腔，準(zhǔn)確的測出用連續(xù)二氧化碳激光器抽運(yùn)甲醇?xì)怏w產(chǎn)生的波長為385微米的THz波的波長。一套參數(shù)的金屬線柵和金屬網(wǎng)柵用來測定某一特定的波長時非常實(shí)用和方便。然而，當(dāng)用其測量其他波長的THz波時，其反射率和透射率往往是不符合要求的(測波長時一般選取線柵的透過率為0.8?0.9)，如圖3所
/Jn ο
[0005]金屬網(wǎng)柵的周期常數(shù)為g，金屬線半寬為a。圖3所示為當(dāng)a = 80微米時，以測量波長為參數(shù)，金屬網(wǎng)柵透過率隨網(wǎng)柵常數(shù)g的變化關(guān)系。當(dāng)測量波長為385微米左右時，網(wǎng)柵常數(shù)g = 900微米時最為適合。而用此參數(shù)構(gòu)成F-P腔測量波長為100微米附近的THz波時，透射率達(dá)到0.99以上甚至接近于I，因此不能用測量385微米波長的金屬網(wǎng)柵F-P腔來測量波長100微米左右的THz波；同樣，當(dāng)所測波長位于1000微米附近時，該網(wǎng)柵對THz波透射率僅為0.55左右，對入射波的損耗太大，輸出端功率很難用功率計準(zhǔn)確的探測到。因此不宜采用測量385微米的金屬網(wǎng)柵F-P腔來測量波長為1000微米左右的THz波的波長。同樣的問題出現(xiàn)在電感性金屬網(wǎng)柵、電感性金屬條形柵和金屬線柵中。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的任務(wù)在于提供一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀；在不更換線柵的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)精確、快速、便捷測量THz波的波長。
[0007]其技術(shù)解決方案是:
[0008]一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀，包括:
[0009]位于THz波輸入端的第一金屬線柵,包括由左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、底部橫桿與頂部橫桿構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿，上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，上述各立桿與橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿與頂部橫桿上均刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽數(shù)量相同且一一對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線，所有金屬線相互平行且等間距排布，在左側(cè)立桿或右側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度并自身帶有角度刻度的金屬半圓儀，上述底部橫桿安放在光學(xué)平臺上；
[0010]位于THz波輸出端的第二金屬線柵，包括由左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、底部橫桿與頂部橫桿構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿，上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，上述各立桿與橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿與頂部橫桿上均刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽數(shù)量相同且一一對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線，所有金屬線相互平行且等間距排布，在左側(cè)立桿或右側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度并自身帶有角度刻度的金屬半圓儀，上述底部橫桿固定在水平電動位移平臺上，水平電動位移平臺安放在光學(xué)平臺上；
[0011]用于接收透過第二金屬線柵的THz波的THz功率計；
[0012]上述第一金屬線柵與第二金屬線柵通過框架連接在一起；第二金屬線柵與框架之間為滑動配合或可拆分連接。
[0013]本實(shí)用新型具有以下有益技術(shù)效果:
[0014]本實(shí)用新型在測量不同波長的THz波時，不再需要更換不同參數(shù)的金屬線柵，就可以得到合適的透射和反射比例，滿足諧振腔振蕩條件的要求。不僅繼承了金屬線柵測波長準(zhǔn)確、簡單的特點(diǎn)，而且能測量100?1000微米內(nèi)任意波長的THz波，不用更換金屬線柵。本實(shí)用新型不僅節(jié)省了對不同波長測量時對線柵或網(wǎng)柵的拆卸、安裝、調(diào)試的過程，縮短了測量時間；而且節(jié)省了不同參數(shù)的線柵或網(wǎng)柵的加工過程和費(fèi)用，提高了資源的利用率，減少經(jīng)費(fèi)開支。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說明:
[0016]圖1為金屬線柵的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0017]圖2為光波在金屬線柵中的透射示意圖。
[0018]圖3為一種曲線圖，示出了光波波長、透過率、網(wǎng)柵常數(shù)g之間的關(guān)系。
[0019]圖4為本實(shí)用新型基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖5為圖4方式中第一金屬線柵結(jié)構(gòu)原理不意圖。
[0021]圖6為圖4方式中第二金屬線柵結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0022]圖7為本實(shí)用新型中的金屬線柵局部放大示意圖。
[0023]圖8示出的是所測THz波長與最佳周期常數(shù)g之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0024]圖9示出的是所測THz波長與金屬線柵的立桿偏轉(zhuǎn)角度，即金屬線固定架偏轉(zhuǎn)角度，之間的對應(yīng)關(guān)系。

【具體實(shí)施方式】
[0025]結(jié)合圖4、圖5與圖6，一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀，包括第一金屬線柵1、第二金屬線柵2與THz功率計3。
[0026]上述第一金屬線柵I位于THz波輸入端,包括由左側(cè)立桿101、右側(cè)立桿102、底部橫桿103與頂部橫桿104構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿105。上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，如:左側(cè)立桿與頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿相接部位分別通過鉸鏈連接，右側(cè)立桿與頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿相接部位分別通過鉸鏈連接。上述左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿上刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，頂部橫桿上也刻有數(shù)量相同的周期性的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽--對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線106,所有金屬線相互平行且等間距排布；上述金屬線固定凹槽的周期為山金屬線的長度為L，半徑為a。在左側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度金屬半圓儀107，金屬半圓儀107自身帶有角度刻度，通過金屬半圓儀107來調(diào)整左、右側(cè)立桿在垂直于光波傳播路線的平面內(nèi)同步偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使金屬線固定架相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，并可根據(jù)其角度刻度來調(diào)整金屬線固定架的偏轉(zhuǎn)角度。上述底部橫桿安放在光學(xué)平臺4上。
[0027]上述第二金屬線柵2位于THz波輸出端，包括由左側(cè)立桿201、右側(cè)立桿202、底部橫桿203與頂部橫桿204構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿205。上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，如:左側(cè)立桿與頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿相接部位分別通過鉸鏈連接，右側(cè)立桿與頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿相接部位分別通過鉸鏈連接。上述左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、頂部橫桿、中部橫桿、底部橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿上刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，頂部橫桿上也刻有數(shù)量相同的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽--對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線206,所有金屬線相互平行且等間距排布；上述金屬線固定凹槽的周期為d，金屬線的長度為L，半徑為a。在左側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度金屬半圓儀207，金屬半圓儀207自身帶有角度刻度，通過金屬半圓儀207來調(diào)整左、右側(cè)立桿在垂直于光波傳播路線的平面內(nèi)同步偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使金屬線固定架相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，并可根據(jù)其角度刻度來調(diào)整金屬線固定架的偏轉(zhuǎn)角度。上述底部橫桿固定在水平電動位移平臺5上，水平電動位移平臺安放在光學(xué)平臺4上。
[0028]上述THz功率計3用于接收透過第二金屬線柵的THz波。
[0029]上述第一金屬線柵與第二金屬線柵通過框架連接在一起，該框架可由四根連接桿6構(gòu)成；第二金屬線柵與框架之間為滑動配合或可拆分連接。
[0030]下面再結(jié)合圖7、圖8與圖9，來說明一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀的測量方法。
[0031]THz透過率的計算公式為
^ 4/7,/7,, A"2
[0032]T = , 1- '2

I + (--γ + ) Λ
[0033]其中，Ii1和η2為線柵兩側(cè)介質(zhì)的折射率，
[0034].尤
Λ 2πα
[0035]g = 2a+ (d-2a) sin α。
[0036]選取線柵的金屬線的半徑為a = 80微米，金屬線固定凹槽周期常數(shù)d = 1163微米，透射率為0.8，經(jīng)過數(shù)值模擬，得出在波長范圍100?1000微米之間要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測出某一波的波長，其波長和金屬線柵的周期常數(shù)g的關(guān)系如圖8所示。周期常數(shù)g和金屬線柵的立桿最佳偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖9所示，所對應(yīng)的曲線方程為:

, 2a + {d - 2α)?η a.2a + {d - 2α)?η a ^
4/7,--(,In
[0037]T =-z——λ.0..-00、■-
,,..zcz + ia-zczisina , 2a+ (a -2i/)sm a ,
! + (?, +n,Y(InY
λ2πα
[0038]為了更好地理解本實(shí)用新型，下面介紹一種上述基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀的測量方法，包括以下步驟:
[0039]a由第一金屬線柵與第二金屬線柵組成F-P腔，并用He-Ne激光準(zhǔn)直；
[0040]b通過所測THz波波長與對應(yīng)金屬線柵的立桿最佳偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)關(guān)系圖9，確定偏轉(zhuǎn)角度，然后根據(jù)所確定的偏轉(zhuǎn)角度，通過各金屬線柵的金屬半圓儀對金屬線柵的立桿進(jìn)行相應(yīng)偏轉(zhuǎn)調(diào)整；
[0041]c驅(qū)動第二金屬線柵的水平電動位移平臺，當(dāng)THz功率計出現(xiàn)相鄰的m個功率峰值時，記下第二金屬線柵的移動距離Xm，m為功率峰值的個數(shù)，為大于等于2的正整數(shù)，X =
Xm/ (m-Ι)；
[0042]d計算波長,波長=2ηχ, η為空氣折射率。
[0043]為了更好地理解本實(shí)用新型，下面以TEA 二氧化碳激光抽運(yùn)重水氣體產(chǎn)生385微米的太赫茲激光作為實(shí)驗(yàn)例。
[0044]首先，將兩個金屬線柵組成F-P腔，用He-Ne激光準(zhǔn)直。根據(jù)圖9的計算結(jié)果可知，調(diào)整支架的偏轉(zhuǎn)角度為42.4度時，金屬線柵的透過率滿足透過率為0.8的要求，諧振腔能很好的滿足振蕩條件。調(diào)整支架使偏轉(zhuǎn)角度為42.4度，驅(qū)動水平電動位移平臺，出現(xiàn)相鄰的兩個功率峰值時記下移動距離X，或者出現(xiàn)多個功率峰值后求出兩相鄰峰值之間的平均間距。即可計算得出所測THz波的波長。
[0045]上述方式中未述及的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容采取或借鑒已有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。
[0046]需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式，諸如等同方式，或明顯變形方式。上述的變化方式均應(yīng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于金屬線柵的寬波長范圍法布里-珀羅THz波長測量儀，其特征在于包括:位于THz波輸入端的第一金屬線柵,包括由左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、底部橫桿與頂部橫桿構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿，上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，上述各立桿與橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿與頂部橫桿上均刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽數(shù)量相同且一一對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線，所有金屬線相互平行且等間距排布，在左側(cè)立桿或右側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度并自身帶有角度刻度的金屬半圓儀，上述底部橫桿安放在光學(xué)平臺上；位于THz波輸出端的第二金屬線柵,包括由左側(cè)立桿、右側(cè)立桿、底部橫桿與頂部橫桿構(gòu)成并呈平行四邊形的金屬線固定架，金屬線固定架設(shè)置有中部橫桿，上述各立桿與各橫桿相接部位采用鉸接方式連接在一起，上述各立桿與橫桿均為片狀金屬桿，在中部橫桿與頂部橫桿上均刻有若干個周期性的金屬線固定凹槽，中部橫桿上的金屬線固定凹槽與頂部橫桿上的金屬線固定凹槽數(shù)量相同且一一對應(yīng)，在任意一對相對應(yīng)的金屬線固定凹槽之間固定一根金屬線，所有金屬線相互平行且等間距排布，在左側(cè)立桿或右側(cè)立桿設(shè)置有能夠調(diào)整立桿偏轉(zhuǎn)角度并自身帶有角度刻度的金屬半圓儀，上述底部橫桿固定在水平電動位移平臺上，水平電動位移平臺安放在光學(xué)平臺上； 用于接收透過第二金屬線柵的THz波的THz功率計； 上述第一金屬線柵與第二金屬線柵通過框架連接在一起，第二金屬線柵與框架之間為滑動配合或可拆分連接。
【文檔編號】G01J9/04GK203981282SQ201420337109
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】張會云, 劉蒙, 張曉 , 孟麗華, 張玉萍 申請人:山東科技大學(xué)