一种可调谐窄线宽太赫兹光源及光谱仪、成像仪的制作方法

本发明涉及光学和光电子学领域，特别涉及一种频率可调的太赫兹光源、太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像仪。

技术背景：

太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像系统是当前研究的热点。强的太赫兹光源是限制太赫兹技术进一步发展的瓶颈。现在常用的太赫兹产生方法包括光整流、光电导天线、空气等离子体、量子级联激光器等。这些方法产生的太赫兹波具有较宽的频谱范围，所以在特定的频率处能量很低，不能够满足高精度光谱探测和高分辨率太赫兹成像的要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种太赫兹光源，这种光源可以产生强度很高的窄线宽太赫兹波，产生的太赫兹波可以通过结构进行调节，从而覆盖一个比较宽的频率范围，在太赫兹光谱、太赫兹成像中具有重要的应用。

一种频率可调的太赫兹光源，其特征在于，该太赫兹光源包括：泵浦光；

与所述泵浦光对应的闪耀光栅，用于衍射泵浦光产生一级衍射光；

具有多种周期的光学掩膜圆盘，用于将一级衍射光进行相位或空间调制；

非线性晶体，用于产生太赫兹波。

泵浦光按照闪耀光栅的入射角入射；沿闪耀光栅的一级衍射光出射光线方向依次放置光学掩膜圆盘、非线性晶体。

所述周期是指周期性的透光和不透光，做空间调制。

所述的泵浦光为超短的脉冲激光；其波长可以是400nm-2000nm之间的任意波长；其脉冲长度是30fs-50ps之间的任意长度；其重复频率是任意的；

其特征在于，所述的闪耀光栅的光栅密度为100/mm-2000/mm之间；其闪耀角根据泵浦光波长和入射角度专门设计；

所述的光学掩膜圆盘，其为光学玻璃，对泵浦光的透过率大于90％；

所述的光学掩膜圆盘，其入射面镀有多个光学相位或空间调制模版；

所述的多个光学相位或空间调制模版的周期都不相同；

所述的周期在30μm-500μm之间；

所述的非线性晶体，其为铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等；其输入的所述的调制的一级衍射光和输出的太赫兹波成一定的夹角；

所述的非线性晶体，为0.1-10mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体，优选1-5mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体。

一种太赫兹时域光谱仪，包括，所述的频率可调的太赫兹光源；太赫兹波整形系统；样品仓；太赫兹波探测系统；以及软件。太赫兹光源入射到太赫兹波整形系统中，通过整形聚焦到样品仓中心；样品仓中心放置测试样品；经过样品仓投射或反射的太赫兹波入射到太赫兹波探测系统；通过软件来控制太赫兹波的入射和探测。

一种太赫兹成像仪，包括：所述的频率可调的太赫兹光源或如所述的频率可调的太赫兹光源阵列；光学系统；样品仓；太赫兹探测系统；成像分析系统；以及显示器。太赫兹光源阵列经过光学系统变换得到准直的太赫兹波，准直的太赫兹波经过样品仓入射到太赫兹波探测系统；成像分析系统采集太赫兹探测系统的信号，并将其呈现在显示器上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍。

图1是根据本发明实施例的太赫兹光源的结构示意图；

图2是本发明实施例1中光学掩膜圆盘的结构示意图；

图3是本发明实施例2中的光学掩膜圆盘的结构示意图；

附图标记说明：

11是泵浦光；

12是闪耀光栅；

13是一级衍射光；

14是光学掩膜圆盘；

15是非线性晶体；

16是输出的太赫兹波；

20是光学掩膜圆盘基底；

21是周期为Λ₁的掩膜；

22是周期为Λ₂的掩膜；

23是周期为Λ₃的掩膜；

24是周期为Λ₄的掩膜；

25是周期为Λ₅的掩膜；

26是周期为Λ₆的掩膜；

30是光学掩膜圆盘基底；

301是周期为Λ₁的掩膜；

302是周期为Λ₂的掩膜；

303是周期为Λ₃的掩膜；

304-317是周期为Λ₃—Λ₃的掩膜缩略；

318是周期为Λ₁₈的掩膜；

319是周期为Λ₁₉的掩膜；

320是周期为Λ₂₀的掩膜；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明对进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在图1中给出了本发明的频率可调的太赫兹光源的典型结构示意图。如图1所示，该太赫兹光源包括几个部分：泵浦光11、闪耀光栅12、一级衍射光13、光学掩膜圆盘14、非线性晶体15和输出的太赫兹波16。下面对该太赫兹光源的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

泵浦光11是短脉冲的激光，根据光整流效应的需求，其波长λ、脉冲长度τ、重复频率f_L等可以是多种可能。泵浦光以θ_in入射到闪耀光栅12的表面，并且以θ_out出射出第一级衍射光13。入射角θ_in、出射角θ_out、闪耀光栅12的闪耀角γ、泵浦光11的波长λ、闪耀光栅12的最小刻线距离a之间存在如下关系：

θ_in-θ_out＝2γ

a sin(-2γ)＝λ

出射的第一级衍射光13经过光学掩膜圆盘14后，形成空间或者相位周期性调制的调制光，垂直与非线性晶体15的入射面入射进晶体。所述的空间调制，即光按照光学掩膜圆盘14中的掩膜周期成周期性的光透过或者不通过，亦即光形成了空间上的周期性亮暗相间的光斑；所述的相位调制，即光按照光学掩膜圆盘14中的掩膜周期成周期性的相位延迟。

第一级衍射光13入射到非线性晶体15后，由于光整流的作用，出射出太赫兹波16。太赫兹波16的频率f_THz可以用下式计算得到：

其中Λ为光学掩膜圆盘14中对应的光学掩膜周期，n_THz为非线性晶体15在太赫兹波处的折射率，n_g为非线性晶体15在泵浦光11处的折射率，c为真空中的光速。

由上式可以看出，如果存在一个周期Λ₁，其对应的太赫兹波频率为f₁；

如果存在一个周期Λ₂，其对应的太赫兹波频率为f₂；

如果存在一个周期Λ₃，其对应的太赫兹波频率为f₃；

……

如果存在一个周期Λ_n，其对应的太赫兹波频率为f_n；

即：在光学掩膜圆盘14上制备多个周期依次改变的光学掩膜，通过旋转光学掩膜圆盘，就可以得到高强度的、窄线宽的、频率可调的太赫兹光源，将在太赫兹光谱、太赫兹成像中具有重要的应用。

实施例1：

作为本发明的一个实施例，如图1所示，下面对该太赫兹光源中的上述部件的结构、功能和实现分别加以说明。

该实施例中，泵浦光11是波长为800nm、脉冲长度为50fs、重复频率为1KHz、平均功率为5W的钛宝石激光器；闪耀光栅12的大小为12.7mm×12.7mm×6mm，刻线密度为1200/mm，闪耀角度为26°14’；泵浦光11经过闪耀光栅后出射出第一级衍射光13。

光学圆盘14中有6个周期不同的光学掩膜结构，对第一级衍射光13进行空间调制，如图2所示。

其中掩膜21的周期为100μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.648THz；

其中掩膜22的周期为120μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.54THz；

其中掩膜23的周期为140μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.462THz；

其中掩膜24的周期为160μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.405THz；

其中掩膜25的周期为180μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.36THz；

其中掩膜26的周期为200μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.324THz；

光学晶体为5mol％MgO掺杂的同成分铌酸锂晶体，入射面与太赫兹出射面的夹角为62°。

通过此实施例，可以得到强度大于300KV/m，线宽小于0.5THz的太赫兹光源。

实施例2：

作为本发明的另外一个实施例，泵浦光11是波长为1550nm、脉冲长度为100fs、重复频率为1KHz、平均功率为2W的光纤激光器；闪耀光栅12的大小为25mm×25mm×6mm，刻线密度为600/mm，闪耀角度为28°41’；泵浦光11经过闪耀光栅后出射出第一级衍射光13。

光学圆盘14中有20个周期不同的光学掩膜结构，对第一级衍射光13进行相位调制，如图3所示。

其中掩膜301的周期为50μm，产生的太赫兹波16中心频率为1.278THz；

其中掩膜302的周期为60μm，产生的太赫兹波16中心频率为1.065THz；

其中掩膜303的周期为70μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.913THz；

其中掩膜304的周期为80μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.799THz；

其中掩膜305的周期为90μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.71THz；

其中掩膜306的周期为100μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.639THz；

其中掩膜307的周期为110μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.581THz；

其中掩膜308的周期为120μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.533THz；

其中掩膜309的周期为130μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.492THz；

其中掩膜310的周期为150μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.426THz；

其中掩膜311的周期为170μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.376THz；

其中掩膜312的周期为190μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.336THz；

其中掩膜313的周期为210μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.304THz；

其中掩膜314的周期为230μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.278THz；

其中掩膜315的周期为250μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.256THz；

其中掩膜316的周期为270μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.237THz；

其中掩膜317的周期为290μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.22THz；

其中掩膜318的周期为310μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.206THz；

其中掩膜319的周期为330μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.194THz；

其中掩膜320的周期为350μm，产生的太赫兹波16中心频率为0.183THz；

光学晶体为1mol％MgO掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体，入射面与太赫兹出射面的夹角为62°。

通过此实施例，可以得到强度大于1MV/m，线宽小于0.3THz的太赫兹光源。

实施例3

根据本发明另一个实施例，提供一种太赫兹光谱仪，该光谱仪包括上述图1所述的太赫兹光源、太赫兹波整形系统、样品仓、太赫兹波探测系统以及软件；太赫兹光源入射到太赫兹波整形系统中，通过整形聚焦到样品仓中心；样品仓中心放置测试样品；经过样品仓投射或反射的太赫兹波入射到太赫兹波探测系统；通过软件来控制太赫兹波的入射和探测。该系统中提供的太赫兹波具有300KV/m的强度，信噪比大于60dB。

实施例4

根据本发明另一个实施例，提供一种太赫兹成像仪，该太赫兹成像仪括上述图1所述的太赫兹光源阵列、光学系统、太赫兹探测系统、成像分析系统以及显示器。太赫兹光源阵列经过光学系统变换得到准直的太赫兹波，准直的太赫兹波经过样品仓入射到太赫兹波探测系统；成像分析系统采集太赫兹探测系统的信号，并将其呈现在显示器上。由于太赫兹光具有跟大的强度和很窄的线宽，既可以实现高分辨率成像，也可以实现太赫兹光谱成像，具有极强的实用性。

上述实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。