太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测系统及方法与流程

本发明属于固态偏置相干探测的，具体涉及一种太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测系统及方法。

背景技术：

1、太赫兹（thz）波段通常被定义为0.1到10thz的频率范围。这一频段具有多个显著特征，包括强烈的分子吸收和色散效应、卓越的空间分辨率、低能量的光子等。因此，太赫兹波段在多个学科领域，如天文学、物理学、材料科学、生命科学和信息技术中都具有重要的科学意义和广泛的应用前景。目前，太赫兹波段高灵敏度宽谱探测技术主要为基于空气相干检测法的宽谱探测技术。空气相干检测法引入了一类依赖于电场诱导二次谐波产生的检测技术，超强的静电场打破了中心对称介质（如空气或二氧化硅）的对称性，诱导出电场驱动的二次非线性效应。对于一束超短光脉冲而言，太赫兹场在其持续时间内可以视为静态，从而导致了其频率加倍。通过将在空气中生成的电场诱导二次谐波信号与具有相同中心频率的额外光学本地振荡器混合，以实现相干探测。其中光学本地振荡器是通过外部静电场获得的，该场对太赫兹信号和探测光束之间的相互作用进行了偏置。二次谐波光强可以表示为。其中，是非线性介质的三阶极化率，是光学探测光强度， e thz是太赫兹电场。在交叉项中的双重符号取决于 e thz和 e bias之间的相对相位。二次谐波光强通过与偏置电压的调制频率同步的锁定放大器进行采集，只记录方程中的交叉项，其与太赫兹电场呈线性关系。在空气相干检测法中，需要千伏（ kv）级别的偏置源和数十微焦（ μj）的探测能量，这一条件使得整个系统十分庞大且安全性欠缺。

2、近年来，另一种新兴的太赫兹波段高灵敏度脉冲探测技术，即固态偏置相干探测技术，获得了国内外许多研究小组高度关注。固态偏置相干探测技术其核心在于固态偏置相干检测芯片，该芯片将现有基于空气相干检测的方法移植到芯片上，使得整个系统既无需千伏级别的偏置源电离空气，也无需数十微焦的探测能量用于太赫兹宽谱探测。在固态偏置相干检测芯片中，简单电极结构的芯片并不能有效将整个太赫兹电场最大化增强，从而限制固态偏置相干检测技术对太赫兹信号的探测灵敏度与探测动态范围。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测系统及方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的一个方面，提供了一种太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测系统，包括固态偏置相干检测芯片，超短光脉冲发射系统以及光电倍增管；

4、所述超短光脉冲发射系统包括超短光脉冲发射器、分光器、泵浦光路以及探测光路，其中泵浦光路设置有太赫兹激发装置；所述泵浦光路以及探测光路设置为：超短光脉冲发射器发出的超短光脉冲经分光器分别进入泵浦光路和探测光路，最后聚焦于固态偏置相干检测芯片上，且进入泵浦光路和探测光路的两束光汇聚时的时延同步；

5、所述光电倍增管用于采集从固态偏置相干检测芯片出射的二次谐波光束并转化为电信号，传输至信号处理系统；

6、所述固态偏置相干检测芯片用于太赫兹辐射脉冲信号检测。

7、作为优选的技术方案，所述泵浦光路包括太赫兹激发装置、非太赫兹辐射脉冲信号过滤装置、以及若干个离轴抛物面反射镜，并设置为：进入泵浦光路的超短光脉冲经离轴抛物面反射镜入射至太赫兹激发装置，再经若干个离轴抛物面反射镜入射至非太赫兹辐射脉冲信号过滤装置。

8、作为优选的技术方案，所述太赫兹激发装置采用 β硼酸钡晶体、铌酸锂晶体、碲化锌晶体中的一种，所述非太赫兹辐射脉冲信号过滤装置采用高阻硅晶片。

9、作为优选的技术方案，所述探测光路包括依次连接的延迟结构反射镜、反射镜、汇聚透镜以及离轴抛物面反射镜。

10、作为优选的技术方案，所述固态偏置相干检测芯片与光电倍增管之间还依次设置有用于聚焦的汇聚透镜以及用于过滤残留的探测光束的短通滤波器。

11、作为优选的技术方案，所述固态偏置相干检测芯片包括氮化硅层、电极结构层、紫外线熔融石英基板层；

12、所述电极结构层设置在紫外线熔融石英基板层上；

13、所述电极结构层为两侧电极交叉排列的叉指状结构，设置有若干对叉指，一对叉指之间的距离为0.5-10 μm；相邻的叉指对之间的距离需大于一对叉指之间的距离的10倍以上；

14、所述电极结构层上沉积有氮化硅层，且氮化硅层完全填充叉指状结构的缝隙。

15、作为优选的技术方案，所述电极结构层为三层金属结构，包括依次连接的过渡层、金属层、过渡层；所述过渡层采用使金属层与紫外线熔融石英基板层之间紧密结合的金属，所述金属层采用铝或金。

16、作为优选的技术方案，所述过渡层采用金属铬，厚度为30 nm；所述金属层厚度为100 nm。

17、作为优选的技术方案，所述氮化硅层的厚度为1 μm-1 mm。

18、本发明的另一个方面，还提供了一种太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测方法，应用上述的太赫兹波段超宽谱脉冲固态偏置相干探测系统，包括以下步骤：

19、通过分光器将超短光脉冲发射器发出的超短光脉冲分成泵浦光束和探测光束；

20、所述泵浦光束通过离轴抛物面反射镜入射至太赫兹激发装置，产生太赫兹辐射脉冲信号，再经离轴抛物面反射镜入射非太赫兹辐射脉冲信号过滤装置，阻挡残留的非太赫兹辐射脉冲信号，最后聚焦入射至固态偏置相干检测芯片；

21、所述探测光束经反射镜、汇聚透镜以及离轴抛物面反射镜聚焦入射至固态偏置相干检测芯片，并通过设置延迟结构反射镜使得探测光束时延与泵浦光束同步；

22、从固态偏置相干检测芯片出射的二次谐波光束通过短通滤波器过滤残留的探测光束，再通过光电倍增管进行采集并转化为电信号，传输至信号处理系统。

23、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

24、（1）本发明的太赫兹脉冲宽谱探测技术将传统的高压击穿空气的方法改进为在超微的固态偏置相干检测芯片上利用低压调制空气，使得整个系统体积大大降低，而保留了整体宽谱探测的功能。

25、（2）本发明在固态偏置相干检测芯片设计上使用多对交叉指状电极结构，有效增强缝隙太赫兹电场强度，从而提高整体探测动态范围与灵敏度。探测结构芯片化大大减小了体统体积，增强了系统安全性，使得系统整体集成度进一步提高。

26、（3）本发明所设计的固态偏置相干检测芯片大大降低了现如今所使用的高压击穿空气的方法中的仪器购置成本费用等，且芯片化有利于提高系统整体的稳定性和可靠性。芯片化更有利于在市场上推广，相比传统方法有更高的经济效益。