本發(fā)明涉及光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種頻率連續(xù)可調(diào)的太赫茲光源、太赫茲時域光譜儀和太赫茲成像儀。

技術(shù)背景：

太赫茲時域光譜儀和太赫茲成像系統(tǒng)是當前研究的熱點。強的太赫茲光源是限制太赫茲技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)在常用的太赫茲產(chǎn)生方法包括光整流、光電導(dǎo)天線、空氣等離子體、量子級聯(lián)激光器等。這些方法產(chǎn)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(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種太赫茲光源，這種光源可以產(chǎn)生強度很高的窄線寬太赫茲波，產(chǎn)生的太赫茲波可以通過調(diào)節(jié)變焦鏡頭的焦距，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(yīng)用。

一種頻率連續(xù)可調(diào)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(yīng)的閃耀光柵，用于衍射泵浦光產(chǎn)生一級衍射光；具有周期性空間或相位調(diào)制的光學(xué)掩膜板，用于將一級衍射光進行相位或空間調(diào)制；連續(xù)變焦鏡頭，用于對調(diào)制的一級衍射光進行光束變換；非線性晶體，用于產(chǎn)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(xué)掩膜板、變焦鏡頭、非線性晶體。

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(fù)頻率是任意的；

所述的閃耀光柵的光柵密度為100/mm-2000/mm之間；進一步，其閃耀角根據(jù)泵浦光波長和入射角度專門設(shè)計；

所述的光學(xué)掩膜板，其為光學(xué)玻璃，對泵浦光的透過率大于90％；其入射面鍍有周期性的光學(xué)相位或空間調(diào)制模版；所述的周期在30μm-500μm之間；

所述的變焦鏡頭，鍍有對泵浦光的增透膜；其變焦范圍在1×—20×之間；

所述的光束變換后的光束，相對與光束變換之前，其只是光斑大小發(fā)生變化，仍然是準直的；

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(diào)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(yōu)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，本發(fā)明所述的頻率可調(diào)的太赫茲光源；太赫茲波整形系統(tǒng)；樣品倉；太赫茲波探測系統(tǒng)；以及軟件。太赫茲光源入射到太赫茲波整形系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)；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：本發(fā)明所述的頻率可調(diào)的太赫茲光源或如所述的頻率可調(diào)的太赫茲光源陣列；光學(xué)系統(tǒng)；樣品倉；太赫茲探測系統(tǒng)；成像分析系統(tǒng)；以及顯示器。太赫茲光源陣列經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換得到準直的太赫茲波，準直的太赫茲波經(jīng)過樣品倉入射到太赫茲波探測系統(tǒng)；成像分析系統(tǒng)采集太赫茲探測系統(tǒng)的信號，并將其呈現(xiàn)在顯示器上。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)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(jù)本發(fā)明實施例的太赫茲光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中光學(xué)掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例2中光學(xué)掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標記說明：

1 是泵浦光；

2 是閃耀光柵；

3 是一級衍射光；

4 是光學(xué)掩膜板；

5 是調(diào)制后的一級衍射光；

6 是變焦鏡頭；

7 是變換后的一級衍射光；

8 是非線性晶體；

9 是輸出的太赫茲波；

20 是光學(xué)掩膜板基底；

21 是掩膜板中的不透光區(qū)域；

22 是掩膜板中的透光區(qū)域；

30 是光學(xué)掩膜板基底；

31 是掩膜板中沒有相位延遲的區(qū)域；

32 是在掩膜板表面做的相位延遲區(qū)域；

具體實施方式：

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

在圖1中給出了本發(fā)明的頻率可調(diào)的太赫茲光源的典型結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該太赫茲光源包括幾個部分：泵浦光1；閃耀光柵2；一級衍射光3；光學(xué)掩膜板4；調(diào)制后的一級衍射光5；變焦鏡頭6；變換后的一級衍射光7；非線性晶體8；輸出的太赫茲波9。下面對該太赫茲光源的上述部件的結(jié)構(gòu)、功能和實現(xiàn)分別加以說明。

泵浦光1是短脈沖的激光，根據(jù)光整流效應(yīng)的需求，其波長λ、脈沖長度τ、重復(fù)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2的表面，并且以θ_out出射出第一級衍射光3。入射角θ_in、出射角θ_out、閃耀光柵2的閃耀角γ、泵浦光1的波長λ、閃耀光柵2的最小刻線距離a之間存在如下關(guān)系：

θ_in-θ_out＝2γ

a sin(-2γ)＝λ

出射的第一級衍射光3經(jīng)過光學(xué)掩膜板4后，形成空間或者相位周期性調(diào)制的調(diào)制光5。所述的空間調(diào)制，光學(xué)掩膜板4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(diào)制，即光按照光學(xué)掩膜板4中的掩膜周期成周期性的相位延遲。

調(diào)制光5經(jīng)過變焦鏡頭6的變換之后，其變換后的光束7也是空間或者相位周期性調(diào)制的，只是其調(diào)制周期發(fā)生了變化。變換后的光束7入射到非線性晶體8后，由于光整流的作用，出射出太赫茲波9。太赫茲波9的頻率f_THz可以用下式計算得到：

其中Λ為光學(xué)掩膜板4中對應(yīng)的光學(xué)掩膜周期，α是變焦鏡頭6的縮放系數(shù)，n_THz為非線性晶體8在太赫茲波處的折射率，n_g為非線性晶體8在泵浦光1處的折射率，c為真空中的光速。

由上式可以看出，對于特定的周期Λ，改變變焦鏡頭6的焦距，其對應(yīng)的太赫茲波頻率可以在α₁f—α₂f之間連續(xù)變化；其中α₁、α₂分別為變焦鏡頭6的最小縮放比例和最大縮放比例，

即：改變變焦鏡頭6的焦距，就可以得到高強度的、窄線寬的、頻率連續(xù)可調(diào)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(yīng)用。

實施例1：

作為本發(fā)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(jié)構(gòu)、功能和實現(xiàn)分別加以說明。

該實施例中，泵浦光1是波長為800nm、脈沖長度為50fs、重復(fù)頻率為1KHz、平均功率為5W的鈦寶石激光器；閃耀光柵2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1經(jīng)過閃耀光柵后出射出第一級衍射光3。

光學(xué)掩膜板4中有周期為200μm的空間調(diào)制掩膜，如圖2所示。

光學(xué)鏡頭6的可以在2×—5×之間連續(xù)變換，計算得到可以獲得的太赫茲波9的波長的變化范圍為：0.648THz—1.62THz；其強度可達100KV/m

光學(xué)晶體8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°。

實施例2：

作為本發(fā)明的另外一個實施例，泵浦光1是波長為1550nm、脈沖長度為100fs、重復(fù)頻率為1KHz、平均功率為2W的光纖激光器；閃耀光柵2的大小為25mm×25mm×6mm，刻線密度為600/mm，閃耀角度為28°41’；泵浦光1經(jīng)過閃耀光柵后出射出第一級衍射光3。

光學(xué)掩膜板4中有周期為250μm的相位調(diào)制掩膜，如圖3所示。

光學(xué)鏡頭6的可以在0.6×—15×之間連續(xù)變換，計算得到可以獲得的太赫茲波9的波長的變化范圍為：0.154THz—3.84THz；其強度可達0.1MV/m

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

實施例3

根據(jù)本發(fā)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(tǒng)、樣品倉、太赫茲波探測系統(tǒng)以及軟件；太赫茲光源入射到太赫茲波整形系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)；通過軟件來控制太赫茲波的入射和探測。該系統(tǒng)中提供的太赫茲波具有100KV/m的強度，信噪比大于60dB。

實施例4

根據(jù)本發(fā)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(xué)系統(tǒng)、太赫茲探測系統(tǒng)、成像分析系統(tǒng)以及顯示器。太赫茲光源陣列經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換得到準直的太赫茲波，準直的太赫茲波經(jīng)過樣品倉入射到太赫茲波探測系統(tǒng)；成像分析系統(tǒng)采集太赫茲探測系統(tǒng)的信號，并將其呈現(xiàn)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(xiàn)高分辨率成像，也可以實現(xiàn)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(fā)明而非意欲限制本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。