一種可調諧窄線寬太赫茲光源及光譜儀、成像儀的制作方法

本發明涉及光學和光電子學領域，特別涉及一種頻率可調的太赫茲光源、太赫茲時域光譜儀和太赫茲成像儀。

技術背景：

太赫茲時域光譜儀和太赫茲成像系統是當前研究的熱點。強的太赫茲光源是限制太赫茲技術進一步發展的瓶頸。現在常用的太赫茲產生方法包括光整流、光電導天線、空氣等離子體、量子級聯激光器等。這些方法產生的太赫茲波具有較寬的頻譜范圍，所以在特定的頻率處能量很低，不能夠滿足高精度光譜探測和高分辨率太赫茲成像的要求。

技術實現要素：

為了克服現有技術的缺陷，本發明提供一種太赫茲光源，這種光源可以產生強度很高的窄線寬太赫茲波，產生的太赫茲波可以通過結構進行調節，從而覆蓋一個比較寬的頻率范圍，在太赫茲光譜、太赫茲成像中具有重要的應用。

一種頻率可調的太赫茲光源，其特征在于，該太赫茲光源包括：泵浦光；

與所述泵浦光對應的閃耀光柵，用于衍射泵浦光產生一級衍射光；

具有多種周期的光學掩膜圓盤，用于將一級衍射光進行相位或空間調制；

非線性晶體，用于產生太赫茲波。

泵浦光按照閃耀光柵的入射角入射；沿閃耀光柵的一級衍射光出射光線方向依次放置光學掩膜圓盤、非線性晶體。

所述周期是指周期性的透光和不透光，做空間調制。

所述的泵浦光為超短的脈沖激光；其波長可以是400nm-2000nm之間的任意波長；其脈沖長度是30fs-50ps之間的任意長度；其重復頻率是任意的；

其特征在于，所述的閃耀光柵的光柵密度為100/mm-2000/mm之間；其閃耀角根據泵浦光波長和入射角度專門設計；

所述的光學掩膜圓盤，其為光學玻璃，對泵浦光的透過率大于90％；

所述的光學掩膜圓盤，其入射面鍍有多個光學相位或空間調制模版；

所述的多個光學相位或空間調制模版的周期都不相同；

所述的周期在30μm-500μm之間；

所述的非線性晶體，其為鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等；其輸入的所述的調制的一級衍射光和輸出的太赫茲波成一定的夾角；

所述的非線性晶體，為0.1-10mol％MgO摻雜的同成分鈮酸鋰晶體，優選1-5mol％MgO摻雜的同成分鈮酸鋰晶體。

一種太赫茲時域光譜儀，包括，所述的頻率可調的太赫茲光源；太赫茲波整形系統；樣品倉；太赫茲波探測系統；以及軟件。太赫茲光源入射到太赫茲波整形系統中，通過整形聚焦到樣品倉中心；樣品倉中心放置測試樣品；經過樣品倉投射或反射的太赫茲波入射到太赫茲波探測系統；通過軟件來控制太赫茲波的入射和探測。

一種太赫茲成像儀，包括：所述的頻率可調的太赫茲光源或如所述的頻率可調的太赫茲光源陣列；光學系統；樣品倉；太赫茲探測系統；成像分析系統；以及顯示器。太赫茲光源陣列經過光學系統變換得到準直的太赫茲波，準直的太赫茲波經過樣品倉入射到太赫茲波探測系統；成像分析系統采集太赫茲探測系統的信號，并將其呈現在顯示器上。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖做簡單地介紹。

圖1是根據本發明實施例的太赫茲光源的結構示意圖；

圖2是本發明實施例1中光學掩膜圓盤的結構示意圖；

圖3是本發明實施例2中的光學掩膜圓盤的結構示意圖；

附圖標記說明：

11是泵浦光；

12是閃耀光柵；

13是一級衍射光；

14是光學掩膜圓盤；

15是非線性晶體；

16是輸出的太赫茲波；

20是光學掩膜圓盤基底；

21是周期為Λ₁的掩膜；

22是周期為Λ₂的掩膜；

23是周期為Λ₃的掩膜；

24是周期為Λ₄的掩膜；

25是周期為Λ₅的掩膜；

26是周期為Λ₆的掩膜；

30是光學掩膜圓盤基底；

301是周期為Λ₁的掩膜；

302是周期為Λ₂的掩膜；

303是周期為Λ₃的掩膜；

304-317是周期為Λ₃—Λ₃的掩膜縮略；

318是周期為Λ₁₈的掩膜；

319是周期為Λ₁₉的掩膜；

320是周期為Λ₂₀的掩膜；

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例對本發明對進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。

在圖1中給出了本發明的頻率可調的太赫茲光源的典型結構示意圖。如圖1所示，該太赫茲光源包括幾個部分：泵浦光11、閃耀光柵12、一級衍射光13、光學掩膜圓盤14、非線性晶體15和輸出的太赫茲波16。下面對該太赫茲光源的上述部件的結構、功能和實現分別加以說明。

泵浦光11是短脈沖的激光，根據光整流效應的需求，其波長λ、脈沖長度τ、重復頻率f_L等可以是多種可能。泵浦光以θ_in入射到閃耀光柵12的表面，并且以θ_out出射出第一級衍射光13。入射角θ_in、出射角θ_out、閃耀光柵12的閃耀角γ、泵浦光11的波長λ、閃耀光柵12的最小刻線距離a之間存在如下關系：

θ_in-θ_out＝2γ

a sin(-2γ)＝λ

出射的第一級衍射光13經過光學掩膜圓盤14后，形成空間或者相位周期性調制的調制光，垂直與非線性晶體15的入射面入射進晶體。所述的空間調制，即光按照光學掩膜圓盤14中的掩膜周期成周期性的光透過或者不通過，亦即光形成了空間上的周期性亮暗相間的光斑；所述的相位調制，即光按照光學掩膜圓盤14中的掩膜周期成周期性的相位延遲。

第一級衍射光13入射到非線性晶體15后，由于光整流的作用，出射出太赫茲波16。太赫茲波16的頻率f_THz可以用下式計算得到：

其中Λ為光學掩膜圓盤14中對應的光學掩膜周期，n_THz為非線性晶體15在太赫茲波處的折射率，n_g為非線性晶體15在泵浦光11處的折射率，c為真空中的光速。

由上式可以看出，如果存在一個周期Λ₁，其對應的太赫茲波頻率為f₁；

如果存在一個周期Λ₂，其對應的太赫茲波頻率為f₂；

如果存在一個周期Λ₃，其對應的太赫茲波頻率為f₃；

……

如果存在一個周期Λ_n，其對應的太赫茲波頻率為f_n；

即：在光學掩膜圓盤14上制備多個周期依次改變的光學掩膜，通過旋轉光學掩膜圓盤，就可以得到高強度的、窄線寬的、頻率可調的太赫茲光源，將在太赫茲光譜、太赫茲成像中具有重要的應用。

實施例1：

作為本發明的一個實施例，如圖1所示，下面對該太赫茲光源中的上述部件的結構、功能和實現分別加以說明。

該實施例中，泵浦光11是波長為800nm、脈沖長度為50fs、重復頻率為1KHz、平均功率為5W的鈦寶石激光器；閃耀光柵12的大小為12.7mm×12.7mm×6mm，刻線密度為1200/mm，閃耀角度為26°14’；泵浦光11經過閃耀光柵后出射出第一級衍射光13。

光學圓盤14中有6個周期不同的光學掩膜結構，對第一級衍射光13進行空間調制，如圖2所示。

其中掩膜21的周期為100μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.648THz；

其中掩膜22的周期為120μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.54THz；

其中掩膜23的周期為140μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.462THz；

其中掩膜24的周期為160μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.405THz；

其中掩膜25的周期為180μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.36THz；

其中掩膜26的周期為200μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.324THz；

光學晶體為5mol％MgO摻雜的同成分鈮酸鋰晶體，入射面與太赫茲出射面的夾角為62°。

通過此實施例，可以得到強度大于300KV/m，線寬小于0.5THz的太赫茲光源。

實施例2：

作為本發明的另外一個實施例，泵浦光11是波長為1550nm、脈沖長度為100fs、重復頻率為1KHz、平均功率為2W的光纖激光器；閃耀光柵12的大小為25mm×25mm×6mm，刻線密度為600/mm，閃耀角度為28°41’；泵浦光11經過閃耀光柵后出射出第一級衍射光13。

光學圓盤14中有20個周期不同的光學掩膜結構，對第一級衍射光13進行相位調制，如圖3所示。

其中掩膜301的周期為50μm，產生的太赫茲波16中心頻率為1.278THz；

其中掩膜302的周期為60μm，產生的太赫茲波16中心頻率為1.065THz；

其中掩膜303的周期為70μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.913THz；

其中掩膜304的周期為80μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.799THz；

其中掩膜305的周期為90μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.71THz；

其中掩膜306的周期為100μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.639THz；

其中掩膜307的周期為110μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.581THz；

其中掩膜308的周期為120μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.533THz；

其中掩膜309的周期為130μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.492THz；

其中掩膜310的周期為150μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.426THz；

其中掩膜311的周期為170μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.376THz；

其中掩膜312的周期為190μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.336THz；

其中掩膜313的周期為210μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.304THz；

其中掩膜314的周期為230μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.278THz；

其中掩膜315的周期為250μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.256THz；

其中掩膜316的周期為270μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.237THz；

其中掩膜317的周期為290μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.22THz；

其中掩膜318的周期為310μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.206THz；

其中掩膜319的周期為330μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.194THz；

其中掩膜320的周期為350μm，產生的太赫茲波16中心頻率為0.183THz；

光學晶體為1mol％MgO摻雜的近化學計量比鈮酸鋰晶體，入射面與太赫茲出射面的夾角為62°。

通過此實施例，可以得到強度大于1MV/m，線寬小于0.3THz的太赫茲光源。

實施例3

根據本發明另一個實施例，提供一種太赫茲光譜儀，該光譜儀包括上述圖1所述的太赫茲光源、太赫茲波整形系統、樣品倉、太赫茲波探測系統以及軟件；太赫茲光源入射到太赫茲波整形系統中，通過整形聚焦到樣品倉中心；樣品倉中心放置測試樣品；經過樣品倉投射或反射的太赫茲波入射到太赫茲波探測系統；通過軟件來控制太赫茲波的入射和探測。該系統中提供的太赫茲波具有300KV/m的強度，信噪比大于60dB。

實施例4

根據本發明另一個實施例，提供一種太赫茲成像儀，該太赫茲成像儀括上述圖1所述的太赫茲光源陣列、光學系統、太赫茲探測系統、成像分析系統以及顯示器。太赫茲光源陣列經過光學系統變換得到準直的太赫茲波，準直的太赫茲波經過樣品倉入射到太赫茲波探測系統；成像分析系統采集太赫茲探測系統的信號，并將其呈現在顯示器上。由于太赫茲光具有跟大的強度和很窄的線寬，既可以實現高分辨率成像，也可以實現太赫茲光譜成像，具有極強的實用性。

上述實施例的用途僅用于說明本發明而非意欲限制本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。