基于激光-空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光

【技术实现步骤摘要】
基于激光
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空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹光谱探测领域，尤其涉及一种基于激光
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空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法。

技术介绍

[0002]利用超快激光与气体的相互作用可获得强场太赫兹，其能量耦合了各种能级激发，比如，分子振动、旋转、声子带内跃迁等。反过来，利用激光
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空气相互作用还可以检测太赫兹。相比于传统的电光采样或光整流的太赫兹探测方法，这种方法不需要使用光学材料，不存在破坏阈值，可实现相对平滑的测量。
[0003]现有技术中，利用激光
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空气相互作用探测太赫兹的方法，主要采用自相位调制技术，通过太赫兹相关二次谐波和局域振荡二次谐波进行外差检测实现。其中，局域振荡二次谐波的产生有两种方法，一种采用强的直流偏置(见Appl.Phys.Lett.92,011131(2008)“Coherent heterodyne time
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domain spectrometry covering the entire terahertz gap”)，这种方法不可避免使用一个与激光脉冲同步的高压源，另一种通过光学偏置相干控制局域振荡二次谐波(见Opt.Express 23,11436
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11443(2015)“Broadband field
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resolved terahertz detection via laser induced air plasma with controlled optical bias”)，可以免去使用跳变高压的危险，在一定程度上简化了系统，但其探测信号微弱，噪声大，系统工业集成化程度低。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术的目的在于提供一种基于激光
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空气作用的太赫兹平衡探测系统和方法，该系统将光学偏置相干控制技术和平衡探测技术相结合，并创造性地调整LO和TISH产生的顺序，不但增强了探测信号强度，抑制了激光背景噪声，从而提高探测信噪比，还解决了现有技术中光学元件组装零散造成的集成化程度低的问题，有利于实现商业市场规划已久的远距离太赫兹探测。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案
[0006]一种基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测系统，该系统使用探测激光探测太赫兹波的电场强度，所述系统包括：耦合器，将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，所述探测激光在其焦点附近电离空气，产生由所述太赫兹波引起的二次谐波(Terahertz Induced Second HarmonicTISH)；未参与产生TISH的所述探测激光为剩余探测激光；β
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BBO晶体，沿所述探测激光传播方向置于所述焦点之后，所述TISH和所述剩余探测激光入射至所述β
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BBO晶体，所述β
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BBO晶体与所述剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(Local Oscillation LO)，所述LO与所述TISH偏振垂直；α
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BBO晶体，用于调整入射的所述LO时间延迟，使所述LO和所述TISH时间同步；1/4波片，将入射的所述LO与所述TISH转化为圆偏振，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；以及平衡探测模块，包括沃拉斯顿棱镜和两个光电探测器，沃拉斯顿棱镜用于将所述
圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器，所述两个光电探测器的测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
[0007]优选地，该系统还包括延时模块，用于产生所述探测激光的扫描延时，以获取所述太赫兹波的时域谱。
[0008]优选地，该系统还包括双色镜、延时块和透镜，所述双色镜和延时块用于调整所述剩余探测激光的强度和延时；所述透镜用于会聚所述LO和/或所述TISH。
[0009]优选地，所述耦合器包括抛物面镜，所述抛物面镜上设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
[0010]本专利技术还提供了一种基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测方法，该方法利用权利要求1
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4所述的太赫兹波平衡探测系统对太赫兹波电场强度进行探测，所述方法包括：
[0011]将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，一部分所述探测激光在其焦点附近电离空气以产生由所述太赫兹波引起的二次谐波TISH，另一部分探测激光为剩余探测激光；将所述剩余探测激光与β
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BBO晶体相互作用，产生局域振荡二次谐波LO，调整所述β
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BBO晶体，使所述LO与所述TISH偏振方向相互垂直；将所述TISH和所述LO入射至α
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BBO晶体，使所述LO和所述TISH时间同步；使所述LO和所述TISH入射至1/4波片，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测，测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。
[0012]优选地，该方法还包括使用延时模块对所述探测激光进行扫描延时，获取所述太赫兹波的时域谱。
[0013]更进一步地，所述使用平衡探测模块将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH进行分束探测的方法包括，使用沃拉斯顿棱镜将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器。
[0014]优选地，所述将探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦的方法包括，使用抛物面镜将所述太赫兹波进行聚焦，所述抛物面镜设置通孔，以使所述探测激光入射该抛物面镜与所述太赫兹波合束。
[0015]优先地，方法还包括设置双色镜和延时块，用以调整所述剩余探测激光的强度和延时。
[0016]更进一步地，该方法还包括使用透镜，会聚所述LO和/或所述TISH。
[0017]本专利技术通过上述技术方案达到的有益效果是：
[0018]1)将光学偏置相干控制技术和平衡探测技术相结合，通过光学偏置技术精确控制LO的强度和时间延迟，使得LO和TISH强度相当并且时间同步，在这种条件下，结合平衡差分技术进行探测，大大增强了探测信号强度，有效抑制背景噪声，提高探测信噪比。
[0019]2)相比于现有技术的先LO后TISH的探测系统，本专利技术将β
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BBO晶体置于焦点之后，使探测激光先聚焦和空气产生TISH，剩余探测激光再和β
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BBO晶体产生LO，不但增强了包含太赫兹电场信息的TISH，在光学元件布局上的改变更有利于系统工业集成，实现远程太赫兹探测。
附图说明
[0020]图1本专利技术实施例的系统结构示意图；
[0021]图2本专利技术实施例方法的流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测系统，该系统使用探测激光探测太赫兹波的电场强度，其特征在于，所述系统包括：耦合器，将所述探测激光和所述太赫兹波准直、合束与聚焦，所述探测激光在所述探测激光的焦点附近电离空气，产生由所述太赫兹波引起的二次谐波(Terahertz Induced Second Harmonic TISH)；未参与产生TISH的所述探测激光为剩余探测激光；β
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BBO晶体，沿所述探测激光传播方向置于所述焦点之后，所述TISH和所述剩余探测激光入射至所述β
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BBO晶体，所述β
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BBO晶体与所述剩余探测激光相互作用产生局域振荡二次谐波(Local Oscillation LO)，所述LO与所述TISH偏振垂直；α
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BBO晶体，用于调整入射的所述LO时间延迟，使所述LO和所述TISH时间同步；1/4波片，将入射的所述LO与所述TISH转化为圆偏振，产生左旋圆偏振LO和右旋圆偏振TISH，或右旋圆偏振LO和左旋圆偏振TISH；以及平衡探测模块，包括沃拉斯顿棱镜和两个光电探测器，所述沃拉斯顿棱镜用于将所述圆偏振的LO和所述圆偏振的TISH分束为偏振相互垂直的p光和s光，所述p光和s光分别入射至所述两个光电探测器，所述两个光电探测器的测量差值正比于所述太赫兹波的电场强度。2.根据权利要求1所述的基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，该系统还包括延时模块，用于产生所述探测激光的扫描延时，以获取所述太赫兹波的时域谱。3.根据权利要求1所述的基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，该系统还包括双色镜、延时块和透镜，所述双色镜和延时块用于调整所述剩余探测激光的强度和延时；所述透镜用于会聚所述LO和/或所述TISH。4.根据权利要求1所述的基于激光
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空气作用的太赫兹波平衡探测系统，其特征在于，所述耦合器包括抛物面镜，所述抛物面镜上设置通孔，以使所述探测激...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕治辉，孟从森，张栋文，王小伟，赵增秀，袁建民，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：