基于气体的太赫兹波相干探测器及太赫兹波偏振探测方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测领域，尤其涉及一种基于气体的太赫兹波相干探测器及太赫兹波偏振探测方法。

背景技术

测量太赫兹波偏振的方法一般基于太赫兹波电光采样或者光电导天线技术，太赫兹波的偏振态可以通过旋转太赫兹线栅起偏器，测量两个正交方向的太赫兹波形而重建获得。作为这种方法的改进，研究人员尝试同时测量太赫兹偏振的正交分量。然而，随着高功率、超大带宽太赫兹源的出现，基于固体探测器的传统偏振探测技术由于有限的探测带宽和强度阈值已不再适合这些新颖的太赫兹源。

为了扩展太赫兹波研究到更高的电场(超过1MV/cm)和超宽带光谱(超过40THz)，亟需一种与高功率、超大带宽太赫兹源匹配的太赫兹波相干探测器及太赫兹波偏振探测方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供的基于气体的太赫兹波相干探测器及太赫兹波偏振探测方法适用于高功率、超大带宽太赫兹源，对于任意偏振的太赫兹波，通过在正交电极产生均匀的非连续旋转直流电场，通过探测太赫兹波及直流电场感生二次谐波的偏振态，可以重构太赫兹波的偏振态。

本发明一方面提供一种基于气体的太赫兹波相干探测器，包括：太赫兹波产生单元、探测光单元、包含正交电极的二次谐波感生单元、及探测单元；其中，太赫兹波产生单元，用于通过泵浦光产生太赫兹波，使太赫兹波进入二次谐波感生单元；探测光单元，用于获取与泵浦光同源的探测光，使探测光进入二次谐波感生单元；二次谐波感生单元，用于将太赫兹波与探测光聚焦在正交电极中心，生成太赫兹波感生的二次谐波、及正交电极产生的电场感生的二次谐波，并使太赫兹波感生的二次谐波、及所述电场感生的二次谐波进入探测单元；其中，所述正交电极产生正交方向分布的电场；探测单元，用于对进入的二次谐波进行探测得到太赫兹波在所述正交方向的分量，从而重构太赫兹波的偏振态。

优选的，太赫兹波产生单元包括：激光光源、分束镜、第一透镜、BBO晶体；其中，激光光源产生的激光经过分束镜后分成泵浦光与探测光，泵浦光经第一透镜会聚后进入BBO晶体产生倍频光，泵浦光与倍频光聚焦后电离空气产生太赫兹波；以及BBO晶体还用于通过改变倾斜角产生不同偏振态的太赫兹波。

优选的，探测光单元包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第二透镜；其中，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜用于改变探测光的光路，使其进入第二透镜；第二反射镜、第三反射镜还用于改变探测光与太赫兹波的时间差；第二透镜用于将探测光聚集到正交电极中心。

优选的，正交电极包括设置于X方向的第一电极与设置于Y方向的第二电极；以及第一电极输入第一方波信号E_bias(Ωt)，第二电极输入第二方波信号E_bias(Ωt+π/2)；其中，第一电极及第二电极用于产生沿X+Y、X-Y方向的旋转直流电场，X方向与Y方向垂直，Ω为第一方波信号及第二方波信号的角频率，第一方波信号及第二方波信号的频率为所述激光重复频率的1/4。

优选的，二次谐波感生单元还包括：硅滤光片、第一抛物面镜、太赫兹波偏振片、第二抛物面镜、第三抛物面镜、带孔抛物面镜及二次谐波滤光片；其中，硅滤光片仅使太赫兹波产生单元产生的太赫兹波通过，通过硅滤光片的太赫兹波依次经第一抛物面镜准直、第二抛物面镜聚焦、第三抛物面镜准直，由带孔抛物面镜聚焦到正交电极中心；二次谐波滤光片用于仅使太赫兹波感生的二次谐波、及所述旋转直流电场感生的二次谐波进入探测单元；太赫兹波偏振片设置于第一抛物面镜与第二抛物面镜之间，用于提高太赫兹波的偏振线性度，并用于改变太赫兹波的偏振方向；带孔抛物面镜还用于使第二透镜聚集的探测光通过，到达正交电极中心。

优选的，探测单元包括：第四反射镜、第三透镜、光电倍增管及锁相放大器；其中，进入探测单元的二次谐波经第四反射镜反射后，由第三透镜聚集到光电倍增管；光电倍增管探测入射的二次谐波的光强信号；锁相放大器从所述光强信号中锁定第一信号，并从第一信号中分离出太赫兹波在X+Y、X-Y方向的分量，由此重构太赫兹波的偏振态；其中，第一信号为所述光强信号中振荡频率等于正交电极偏置电压频率的分量。

优选的，所述激光光源为钛宝石飞秒激光放大器。

本发明另一方面提供一种太赫兹波偏振探测方法，包括步骤：S1.将激光分为同源的泵浦光与探测光，利用泵浦光产生太赫兹波；S2.调整光路使太赫兹波与探测光聚焦到正交电极中心，产生太赫兹波感生的二次谐波、及正交电极产生的电场感生的二次谐波；其中，所述正交电极产生正交方向分布的电场；S3.探测太赫兹波感生的二次谐波、及所述电场感生的二次谐波的光强信号，从所述光强信号中分离出太赫兹波在所述正交方向的分量，从而重构太赫兹波的偏振态。

优选的，步骤S2还包括：将正交电极中的第一电极设置于X方向，正交电极中的第二电极设置于Y方向；在第一电极输入第一方波信号E_bias(Ωt)，在第二电极输入第二方波信号E_bias(Ωt+π/2)；其中，X方向与Y方向垂直，第一电极及第二电极用于产生沿X+Y、X-Y方向的旋转直流电场，Ω为第一方波信号及第二方波信号的角频率，第一方波信号及第二方波信号的频率为所述激光重复频率的1/4；以及所述从所述光强信号中分离出太赫兹波在所述正交方向的分量具体包括：从所述光强信号中锁定第一信号，并从第一信号中分离出太赫兹波在X+Y、X-Y方向的分量；其中，第一信号为所述光强信号中振荡频率等于正交电极偏置电压频率的分量。

优选的，所述利用泵浦光产生太赫兹波具体为：使泵浦光通过BBO晶体产生倍频光，聚焦泵浦光及倍频光产生太赫兹波；以及所述方法在步骤S1之后，还包括：设置硅滤光片，用于仅使产生的太赫兹波通过；以及所述方法在步骤S2之后，还包括：设置二次谐波滤光片用于仅使太赫兹波感生的二次谐波、及所述旋转直流电场感生的二次谐波通过；以及步骤S2还包括：设置太赫兹波偏振片，用于提高太赫兹波的偏振线性度，并用于改变太赫兹波的偏振方向。

由上述技术方案可知，本发明采用一个正交电极产生探测部分的偏置直流电压，使用均匀分布、方向确定的非连续旋转直流电场，能够同时准确地探测太赫兹波的两个正交分量，进而精确确定太赫兹波的偏振。

附图说明

图1是本发明的基于气体的太赫兹波相干探测器示意图；

图2是本发明实施例的非连续旋转直流电场时序图；

图3是本发明实施例的非连续旋转直流电场与连续旋转直流电场比较图；

图4是本发明的太赫兹波相干探测器探测的太赫兹波源偏振态示意图；

图5是本发明的太赫兹波偏振探测方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的发明人考虑到现有的偏振探测技术由于有限的探测带宽和强度阈值，无法适用于高功率、超大带宽的太赫兹源，故提出一种基于等离子体的能够探测任意太赫兹波偏振的方法。

基于等离子体的太赫兹波探测技术由于具有优异带宽、高探测灵敏度、高频率分辨率及高损伤阈值，在太赫兹波探测领域具有重要意义。该探测技术采用空气作为介质来探测太赫兹波，将太赫兹波与探测光聚焦在一点诱导二次谐波，通过检测二次谐波的光强信号来获取太赫兹波的振幅、相位信息。

太赫兹波感生二次谐波的过程可以用四波混频理论来解释：一个太赫兹光子和两个基频波光子混频后的二次谐波场可用下式表示：

E_2ω∝χ⁽³⁾E_THzE_ωE_ω公式1

其中，χ⁽³⁾是气体的三阶非线性极化率，E_ω、E_2ω、E_THz分别是基频光、二次谐波、太赫兹波的电场矢量。本发明为了提高空气探测太赫兹波的信噪比、动态范围和准确度，利用准相干探测太赫兹波的原理，结合差分探测技术，在基频波的焦点处调制一个直流偏置场。上述直流偏置场感生二次谐波，在探测中作为一个本机振荡器。本发明的探测过程可以描述为：

其中，I_2ω为二次谐波的光强，为太赫兹波感生的二次谐波的电场强度，为直流电场感生的二次谐波的电场强度，I_ω为基频光光强，为上述环境中气体的三阶非线性极化率。

可以看到，公式2中存在太赫兹感生的二次谐波和直流电场感生的二次谐波。但是，周期调制的直流偏置电压能产生周期调制的二次谐波，如果用锁相放大器锁定该特征频率，就能锁定公式2右侧的第三项。例如，本发明实施例中飞秒激光的重复频率为1kHz，如果设定直流偏置电压的频率为250Hz，则公式2右侧的第一项为1kHz，第二项为500Hz，而第三项的频率为250Hz。将锁相放大器的锁定频率设为250Hz，就能滤除第一项和第二项的信号，而锁定第三项的信号，则：

此时探测到的二次谐波强度与太赫兹场强成正比，保留了太赫兹波的振幅和相位信息，所以是相干探测。

同时，本发明分别在正交方向上产生非连续旋转的直流电场。具体方法如图2所示，在X方向的电极上加1/4激光重复频率(例如250Hz)的方波E_bias(Ωt)，在Y方向上加相同频率的方波E_bias(Ωt+π/2)，这样就产生一个沿X+Y和X-Y正交方向的旋转的直流电场，如图2中E_bias’一栏所示。如此，探测到的二次谐波信号可以表示为：

其中，为二次谐波在X+Y方向的投影，为二次谐波在X-Y方向的投影，为太赫兹波感生的二次谐波在X+Y方向的投影，为太赫兹波感生的二次谐波在X-Y方向的投影，为直流电场感生的二次谐波在X+Y方向的投影，为直流电场感生的二次谐波在X-Y方向的投影。

由于和相位相差π/2，所以通过两相的锁相放大器，可以分离出相位相差π/2的和信号，从而探测到太赫兹波在正交方向的振幅和相位，通过正交方向的太赫兹波分量，可以重构太赫兹波的偏振态。

图1示出了本发明的基于气体的太赫兹波相干探测器示意图，参见图1，太赫兹波相干探测器包括：太赫兹波产生单元、探测光单元、二次谐波感生单元及探测单元。

其中的二次谐波感生单元包含正交电极18，正交电极18产生正交方向分布的电场。在本发明优选实施例中，正交电极18包括设置于X方向的第一电极与设置于Y方向的第二电极，其中的X方向与Y方向垂直，即第一电极与第二电极正交设置。

第一电极输入第一方波信号E_bias(Ωt)，第二电极输入第二方波信号E_bias(Ωt+π/2)。其中的Ω为第一方波信号及第二方波信号的角频率，第一方波信号与第二方波信号的频率相等，为产生太赫兹波的激光重复频率的1/4。

上述设置使第一电极及第二电极产生沿X+Y、X-Y方向的均匀非连续旋转直流电场，上述电场在电极中心均匀分布且电场大小在不同方向相同，这对太赫兹波相干探测尤为重要，因为不均匀的直流电场直接影响到探测的太赫兹波感生二次谐波的波形，从而降低测量的太赫兹波偏振态的精确度。另外，上述电场的方向已知，只存在X+Y、X-Y方向，这样便于确定太赫兹波的偏振方向。

图2示出了本发明实施例的非连续旋转直流电场时序图，参见图2，E_THz一栏为太赫兹波的时序，其振荡频率与激光重复频率相等，是正交电极18方波信号的四倍。一栏为第一方波信号时序，一栏为第二方波信号时序。E_bias’一栏为正交电极18产生的非连续旋转直流电场时序，可见在一个周期内，E_bias’非连续地在X+Y、X-Y方向旋转，经过四个状态。

与之相比，一个周期内连续旋转的直流电场虽然满足正交，但是电场的方向与正弦波的相位相关，所以直流电场方向很难确定，最终影响太赫兹波偏振方向的确定。

图3是本发明实施例的非连续旋转直流电场与连续旋转直流电场比较图。如图3所示，a为有限元仿真的通过方波产生的非连续旋转直流电场，b为有限元仿真的通过正弦波产生的连续旋转直流电场。从图中可以看到，a中电场分布均匀且大小相同，同时方向性强。b中电场的均匀性及方向性较差。可见，本发明采用的非连续旋转直流电场更有利于太赫兹波的探测。

太赫兹波相干探测器中的太赫兹波产生单元用于通过泵浦光产生太赫兹波，使太赫兹波进入二次谐波感生单元。

实际应用中，可以采用光电导天线或光整流方法产生太赫兹波。在本发明优选实施例中，利用电离空气来产生太赫兹波。具体地，太赫兹波产生单元包括：激光光源(图中未标出)、分束镜1、第一透镜2、BBO晶体3。

较佳地，激光光源为钛宝石飞秒激光放大器，其发射的激光脉冲平均输出功率为3.5W，重复频率为1kHz，中心波长为800nm，脉宽为50fs。实际应用中，激光光源也可以是其它类型的飞秒激光器。

上述激光光源产生的激光经过分束镜1后分成泵浦光与探测光，泵浦光经第一透镜2会聚后进入BBO晶体3产生倍频光，泵浦光与倍频光聚焦后电离空气产生太赫兹波。

BBO晶体3还用于通过改变倾斜角产生不同偏振态的太赫兹波，进而通过本发明的太赫兹波相干探测器探测其偏振。

探测光单元用于获取与泵浦光同源的探测光，使探测光进入二次谐波感生单元。

作为一个优选方案，探测光单元包括：第一反射镜14、第二反射镜15、第三反射镜16及第二透镜17。

具体来说，第一反射镜14、第二反射镜15、第三反射镜16用于改变探测光的光路，使其进入第二透镜17。第二透镜17用于将探测光聚集到正交电极18中心。第二反射镜15、第三反射镜16置于电控位移平台上，还能够改变探测光与太赫兹波的时间差。

二次谐波感生单元用于将太赫兹波与探测光聚焦在正交电极18中心，生成太赫兹波感生的二次谐波及正交电极18产生的电场感生的二次谐波，并使太赫兹波感生的二次谐波及电场感生的二次谐波进入探测单元。由在X+Y、X-Y方向正交分布的直流电场感生的二次谐波同样沿X+Y、X-Y方向分布，探测单元可以由此得到太赫兹波在上述正交方向的分量，进而获知太赫兹波的偏振态。

较佳地，在本发明实施例中，二次谐波感生单元包括：正交电极18、硅滤光片5、第一抛物面镜4、太赫兹波偏振片6、第二抛物面镜7、第三抛物面镜8、带孔抛物面镜9及二次谐波滤光片10。

具体地，硅滤光片5仅使太赫兹波产生单元产生的太赫兹波通过，阻挡泵浦光、倍频光等。

通过硅滤光片的太赫兹波依次经第一抛物面镜4准直、第二抛物面镜7聚焦、第三抛物面镜8准直，由带孔抛物面镜9聚焦到正交电极18中心。带孔抛物面镜9中部设置一小孔，以使探测光通过到达正交电极18中心。

二次谐波滤光片10设置于正交电极18与探测单元之间，用于仅使太赫兹波感生的二次谐波、及所述旋转直流电场感生的二次谐波进入探测单元，阻挡探测光、太赫兹波等。

太赫兹波偏振片6设置于第一抛物面镜4与第二抛物面镜7之间。由于等离子体产生的太赫兹波线性度不高，故在太赫兹波经过第一抛物面镜4准直后，采用太赫兹波偏振片6提高太赫兹波偏振的线性度。太赫兹波偏振片6还用于改变太赫兹波的偏振方向，进而产生不同偏振态的太赫兹波。

探测单元用于对进入的二次谐波进行探测得到太赫兹波在正交方向的分量，从而重构太赫兹波的偏振态。在本发明优选实施例中，上述正交方向为X+Y、X-Y方向。

在本发明优选实施例中，探测单元包括：第四反射镜11、第三透镜12、光电倍增管13、前置电流放大器(图中未标出)及锁相放大器(图中未标出)。其中的锁相放大器为二相锁相放大器。

具体地，进入探测单元的二次谐波经第四反射镜11反射后，由第三透镜12聚集到光电倍增管13；

光电倍增管13探测入射的二次谐波的光强信号。前置电流放大器低噪放大光强信号；锁相放大器从放大的光强信号中锁定第一信号，并从第一信号中分离出太赫兹波在X+Y、X-Y方向的分量，由此重构太赫兹波的偏振态。其中的第一信号为放大的光强信号中振荡频率等于正交电极18偏置电压频率的分量。举例来说，若正交电极18偏置电压的频率是250Hz，则锁相放大器从二次谐波光强信号中锁定振荡频率是250Hz的信号，并从中提取太赫兹波的正交分量。较佳地，正交电极18偏置电压的频率不同于激光的重复频率。

锁相放大器从第一信号中分离太赫兹波正交分量的过程如下：锁相放大器从第一信号中分离第一信号在X+Y、X-Y方向的投影和并从上述两个投影信号中得到太赫兹波感生的二次谐波在X+Y、X-Y方向的投影由于太赫兹波与其感生的二次谐波成正比，进一步从中得到太赫兹波在X+Y、X-Y方向的时域波形，从而以此重构太赫兹波的偏振态。

上述第一反射镜14、第二反射镜15、第三反射镜16、第四反射镜11为平面镜，第一透镜2、第二透镜17、第三透镜12为凸透镜。

由此，本发明的基于气体的太赫兹波相干探测器采用一个正交电极产生均匀分布、方向确定的非连续旋转直流电场，能够同时准确地探测太赫兹波的两个正交分量，进而精确确定太赫兹波的偏振。

图4示出了本发明的去除太赫兹波偏振片6的太赫兹波相干探测器探测的太赫兹波源偏振态，参见图4，底面与左侧面分别是太赫兹波在X+Y、X-Y方向的投影，中间的曲线是由投影重构的太赫兹波偏振态，右侧面是太赫兹波偏振态在右侧面的投影。

图5示出了本发明的太赫兹波偏振探测方法示意图，如图5所示，太赫兹波偏振探测方法具体根据如下步骤执行：

首先，在步骤S1中，将激光分为同源的泵浦光与探测光，利用泵浦光产生太赫兹波。

接着，在步骤S2中，调整光路使太赫兹波与探测光聚焦到正交电极18中心，产生太赫兹波感生的二次谐波、及正交电极18产生的电场感生的二次谐波。其中的正交电极18产生正交方向分布的电场。

接下来，在步骤S3中，探测太赫兹波感生的二次谐波、及电场感生的二次谐波的光强信号，从光强信号中分离出太赫兹波在所述正交方向的分量，从而重构太赫兹波的偏振态。

在本发明优选实施例中，步骤S2还包括：将正交电极18中的第一电极设置于X方向，正交电极18中的第二电极设置于Y方向。在第一电极输入第一方波信号E_bias(Ωt)，在第二电极输入第二方波信号E_bias(Ωt+π/2)。

在上述步骤中，X方向与Y方向垂直，第一电极及第二电极用于产生沿X+Y、X-Y方向的旋转直流电场，Ω为第一方波信号及第二方波信号的角频率，第一方波信号及第二方波信号的频率为激光重复频率的1/4。

在步骤S3中，从光强信号中分离出太赫兹波在所述正交方向的分量具体包括：从光强信号中锁定第一信号，并从第一信号中分离出太赫兹波在X+Y、X-Y方向的分量。其中的第一信号为光强信号中振荡频率等于正交电极18偏置电压频率的分量。

作为一个优选方案，利用泵浦光产生太赫兹波具体为：使泵浦光通过BBO晶体3产生倍频光，聚焦泵浦光及倍频光产生太赫兹波。

步骤S1之后，上述方法还包括：设置硅滤光片5，用于仅使产生的太赫兹波通过。

步骤S2之后，上述方法还包括：设置二次谐波滤光片10用于仅使太赫兹波感生的二次谐波、及旋转直流电场感生的二次谐波通过。

步骤S2还包括：设置太赫兹波偏振片6，用于提高太赫兹波的偏振线性度，并用于改变太赫兹波的偏振方向。

本发明中的偏振敏感的太赫兹波相干探测器可以调整太赫兹波源的偏振态，具体方法为：

(1)通过旋转太赫兹波偏振片6直接改变太赫兹波偏振方向。

(2)通过改变BBO晶体3的倾斜角获得圆偏振的太赫兹波。

本发明提供的基于气体的太赫兹波相干探测器及太赫兹波偏振探测方法能够同时准确地探测任何偏振状态的太赫兹波的两个正交分量，进而精确确定太赫兹波的偏振。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。