一种改变太赫兹波偏振态的系统和方法与流程

本发明涉及太赫兹波的时域光谱技术应用领域，特别是涉及一种利用改变不同入射激光脉冲的波长从而改变太赫兹波偏振态的系统和方法。

背景技术：

太赫兹(terahertz，thz)波(或称thz辐射、t－射线、亚毫米波、远红外，通常简称为thz)通常指的是频率在0.1thz～10thz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射。从频率上看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间。太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。

研究太赫兹波的偏振对于了解太赫兹波的特性和应用有非常重要的作用，偏振是不同于其他频率段的波的一个特性，因此了解以及改变太赫兹波的偏振使得对太赫兹波的认识有了一个新的提升。偏振态的信息对于光谱成像都有一定的帮助，现在许多研究者都喜欢用偏振成像的方法来提取被成像物体的各种信息，而这些信息是用简单的光强成像和光谱成像所不能够得到的。另外，研究偏振也对我们生活做了巨大的贡献。之前我们所知道的简单的用光学器件波片来改变太赫兹波偏振态的方法已经很熟悉了，现在我们发现了一种通过改变实验的条件就可以改变太赫兹波偏振态的方法，就是改变入射激光脉冲的波长来改变产生的太赫兹波的偏振，这是之前的研究中所没有涉及和发现的。

技术实现要素：

本发明涉及一种利用改变不同入射激光脉冲的波长从而改变太赫兹波偏振态的的系统和方法，本发明所述系统包括变波长光参量放大器(topas)、太赫兹波发生器、太赫兹波探测器、金属平面反射镜、bbo倍频晶体、抛物面镜、打孔抛物面镜、平移台、硅片、长波长滤光片，所述平移台上方放置金属平面反射镜，所述金属平面镜另一侧放置所述打孔抛物面镜，所述抛物面镜一侧放置所述太赫兹波探测器，采用所述太赫兹tds系统构成简单、稳定性较高和购买和维护费用较低、采用此方法产生的太赫兹波信号强度高、稳定性强、具有较广的应用范围和研究意义。

本发明要解决的技术问题是提供一种利用改变不同入射激光脉冲的波长从而改变太赫兹波偏振态的系统和方法，经光学参量放大器出来的中心波长800nm的飞秒激光入射到topas(变波长)中，在topas中经过非线性晶体的非线性作用会产生不同波长的激光脉冲，我们选取了长波长波段的几个激光脉冲，用tds系统产生thz波，进而研究了所产生的太赫兹波的偏振特性。所产生的太赫兹波与之前的800nm激光脉冲产生太赫兹波相比较，强度更强大，能量更强，应用更稳定，效率更高，并且所用维护费用较低，只需要用之前空气产产生thz波的tds系统做稍微的改动即可，另外由于空气中的水蒸气对太赫兹波的吸收较大，所以一般传统的方法产生的太赫兹波会被水蒸气所吸收一部分，所剩余的太赫兹又会更少，而我们的方法所产生的太赫兹波强度很强，空气中的水蒸气所吸收的部分可以忽略不计，因此这一发明具有很重要的意义。

为达到上述目的，本发明提供了一种改变太赫兹波偏振态的系统，包括变波长光参量放大器、太赫兹波发生器、太赫兹波探测器、金属平面镜、bbo倍频晶体、抛物面镜、平移台、硅片、长波长滤光片，其中，所述平移台上方设置所述金属平面镜，所述金属平面镜一侧设置所述打孔抛物面镜，所述抛物面镜一侧设置所述太赫兹波探测器，其中，所述变波长光参量放大器用于使入射激光脉冲的波长等间距连续变化；所述抛物面镜用于将入射激光脉冲经过聚焦bbo晶体倍频后聚焦在空气中产生空气等离子体，在电场的作用下加速运动向外辐射太赫兹波；所述znte晶体用于探测经离轴抛物面镜收集后的太赫兹波，并将探测所得到的信息输入差分探头中进行太赫兹时域光谱扫描，得到太赫兹的时域光谱图，经过数据处理分析太赫兹波的偏振随波长变化的图像。

进一步地，所述变波长光参量放大器可出射任意波长的激光脉冲。

进一步地，所述太赫兹波发生器为空气等离子体(四波混频)产生器。

进一步地，所述太赫兹波探测器为电光取样探测器。

为达到上述目的，本发明还提供了一种改变太赫兹波偏振态的方法，包括以下步骤：

利用可改变波长的光参量放大器使入射激光脉冲的波长等间距连续变化；

将所述的入射激光脉冲经过抛物面镜聚焦bbo晶体倍频后聚焦在空气中产生空气等离子体，在电场的作用下加速运动向外辐射太赫兹波；

产生的太赫兹波经离轴抛物面镜收集后用znte晶体探测；

探测所得到的信息输入差分探头中进行太赫兹时域光谱扫描，得到太赫兹的时域光谱图，经过数据处理分析太赫兹波的偏振随波长变化的图像。

进一步地，所述激光脉冲波长在长波长范围内为1300nm-1500nm。

进一步地，所述bbo倍频晶体符合长波长最佳位相匹配角。

进一步地，波长等间距间隔为20nm。

本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：

本系统构成简单，稳定性较好，易于搭建和成本较低，并且避免了空气中水蒸气强烈吸收太赫兹波的问题和提高了太赫兹波的产生强度和稳定性，并且产生的太赫兹波的偏振会随着波长的变化而变化，在线偏振和圆偏振之间变化，波长有微小的变化，随之产生的太赫兹波偏振就会发生变化，这是之前所做的研究中所没有说明和涉及到的，利用这一特性我们可以利用不同的波长来产生不同的偏振的太赫兹波。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明利用改变不同入射激光脉冲的波长从而改变太赫兹波偏振态的系统的结构示意图；

图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g、图2h、图2i、图2j和图2k分别为实验所得到的太赫兹波偏振随着入射激光脉冲波长的变化而变化的示意图。

附图标记说明：1-topas-用来改变入射激光脉冲波长的激光器；2-金属平面反射镜；3-第一抛物面镜；5-第二抛物面镜；4-bbo倍频晶体，增大产生太赫兹的信号强度；5-长波长滤光片；6-硅片；7-znte非线性晶体；8-打孔抛物面镜；9-znte晶体；10-1/4波片；11-沃拉斯顿棱镜；12-差分探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种利用改变不同入射激光脉冲的波长从而改变太赫兹波偏振态的系统，能产生连续太赫兹波的太赫兹波发生器(空气四波混频产生)，收集太赫兹波的金属抛物面镜以及探测太赫兹波强度的探测器(电光取样的方法探测)，第一抛物面镜3聚焦激光产生空气等离子体从而产生太赫兹波，bbo晶体4能够增强产生太赫兹波的强度，第二抛物面镜5用于收集太赫兹波，长波长滤光片6和硅片7用于挡掉多余的长波长波段的激光和红光，znte晶体9作为探测器将得到的信息输入差分探头12进行探测。8为打孔抛物面镜，使得产生的太赫兹波与探测光共线聚焦到znte晶体上进行探测，qwp10为1/4波片，wp11为沃拉斯顿棱镜，太赫兹信息经光电探测后由差分探头输入锁相放大器进行读取。

本发明的工作原理为：因为之前的研究涉及到了bbo倍频晶体的旋转角度与产生太赫兹波的强度和偏振有关系，另外bbo晶体与plasma的距离也会影响产生太赫兹波的强弱和偏振，前者是因为入射光的偏振与晶体主截面的夹角发生了变化，经过bbo晶体倍频光的强度和偏振发生了变化，因此产生的太赫兹波会变化；后者是因为距离的变化引起了相位的变化(即下面公式中的δd的变化引起的变化)，因此太赫兹波强度和偏振也会变化。如下列公式所示，

公式(1)是折射率随波长的变化关系式，其中n表示折射率，λ表示入射激光脉冲的波长，公式(2)是基频波与倍频波的相对相位与折射率和距离的关系式，其中表示入射的基频波和倍频波的相对相位差，ω表示入射基频波的频率，nω和n2ω分别表示基频波和倍频波的折射率，δd表示plasma(等离子体光丝)与bbo倍频晶体的距离，c表示光速。

基于这些实验，我们大胆想象，太赫兹波偏振的变化还与什么因素有关，将上述第二个公式里面的δd保持不变，改变nω-n2ω来改变基频波与倍频波的相对相位而改变太赫兹波的偏振，又由于上述第一个公式所示，入射光波长的变化可以引起折射率的变化，因此接下来我们做了改变入射光波长的实验，得到了一系列的数据显示了改变入射光的波长会影响产生太赫兹波的偏振特性，我们用了topas来改变入射光的波长，由1300nm到1500nm，20nm一变，得出的实验结果经origin处理后对比可以看出波长的变化会引起太赫兹波偏振的变化，随着波长的增加，太赫兹偏振由线偏振变为圆偏振又变回线偏振，我们初步认为原因是因为不同波长折射率不同，影响了基频波与倍频波的相对相位，因此会对产生的太赫兹波的偏振有一定的影响。之前我们曾经研究了不同波长下相对相位随着距离δd的变化，(我们实验中所用产生等离子体的抛物面镜焦距为15cm，bbo晶体所在位置大约为抛物面镜与等离子体光丝的中点处)，得到的结果表明保持δd的值大约为7.5cm，在入射光波长为1400nm时，的值大概是π/4，也就是说太赫兹水平偏振分量与竖直偏振分量相等，此时得到的太赫兹偏振为圆偏振。在入射光的波长为1500nm和1300nm时，的值会有偏差，水平偏振分量和竖直偏振分量不相等，因此太赫兹偏振接近于线偏振，在波长向1400nm靠近时，偏振会接近于圆偏振。

实施例1：

(1)首先使用空气产生太赫兹波的方法，激光经过抛物面镜聚焦后产生空气等离子体，用抛物面镜5收集之后与探测光共线用znte晶体探测，所收集的信息经差分探头输入锁相放大器进行扫描得到时域光谱。

(2)由topas输出不同波长的激光(1300nm-1500nm)，不同波长所对应的激光的功率也会不同，采用20nm间隔的波长变化方式，每一个波长都采集太赫兹波偏振的水平分量和竖直分量，将所得信息输入锁相放大器进行扫描得到时域光谱，提取太赫兹水平和竖直分量进而图像处理得到11组图，入射激光波长逐渐变化，太赫兹波的偏振也逐渐变化。

检测结果如图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g、图2h、图2i、图2j和图2k所示，横坐标为太赫兹波的竖直偏振分量，纵坐标为太赫兹波的水平偏振分量，波长分别由短到长，20nm一变，可以看出太赫兹波的偏振由线偏振变为圆偏振又变为线偏振，实验结果表明太赫兹波的偏振是随着入射激光的波长的变化而变化的(在以上所有的实验过程中bbo晶体的位置以及角度是不变的)，即波长对太赫兹偏振具有调制作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。