专利名称：利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法
技术领域：
本发明涉及一种双折射晶体的光轴测量方法，具体地说本发明涉及一种利用偏振可控的太赫兹波光谱对双折射晶体的光轴方向进行测量的方法。
背景技术：
太赫兹辐射由于其具有瞬态性、低能性和相干性等独特的性质，而在卫星通讯、无损检测、军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。太赫兹偏振测量、太赫兹通讯、生物医学成像、军事目标识别、化学成分分析以及太赫兹滤波片的制作等都需要对太赫兹波的偏振方向进行精确控制。
通过研究由双频激光激发空气等离子体所产生的太赫兹辐射的偏振方向，可以通过改变基频波和二次谐波之间的相对相位控制辐射的太赫兹波的偏振方向，利用这种偏振可控的太赫兹光谱可以对双折射晶体的光轴进行高精度测量。
现有的利用太赫兹时域光谱对双折射晶体的光轴进行测量时需要对双折射晶体至少旋转180度进行测量，在实际应用中不仅费时而且操作复杂，利用偏振可控的太赫兹光谱测量可以克服这些缺点。
发明内容
本发明提供一种利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，以解决上述背景技术中存在的对双折射晶体的光轴进行测量时需要对双折射晶体至少旋转180度进行测量，在实际应用中不仅费时而且操作复杂的技术问题。
一种利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，包括如下步骤(1)移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，得到太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ和BBO晶体到等离子体的距离d之间的关系； (2)将不同频率下太赫兹波的折射率带入相位延迟的计算公式，得出双折射晶体的两个轴之间的相位延迟随频率变化的关系； (3)分别选取相位延迟为π的奇数倍时对应的一个太赫兹波频率f1和π的偶数倍时对应的一个太赫兹波频率f2，移动BBO晶体，测量频率f1和f2的太赫兹波在最近邻的振幅最小值处对应BBO晶体移动距离Δd； (4)双折射晶体光轴与水平方向的夹角
其中，步骤(1)中在太赫兹波振幅的最大值和最小值之间，BBO晶体到等离子体之间的距离d和太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ之间成线性单调关系。
其中，步骤(2)中所述相位延迟的计算公式为
其中f为太赫兹波的频率，Δn＝ne-no，ne和no为对应不同频率f时非寻常光和寻常光的折射率，δ为相位延迟，a为双折射晶体的厚度，c为光速。
其中，BBO晶体移动13mm，对应太赫兹波的偏振方向转过90°。
其中，采用精密平移台控制移动所述BBO晶体。
本发明通过上述技术方案，使得无须转动双折射晶体，即可对双折射晶体的光轴方向进行测量，其计算和绘图均可以采用计算机程序自动进行，使得晶体光轴方向的测量更为简便和准确，达到了有益的技术效果。
图1为本发明实验装置的示意图； 图2为太赫兹波的偏振方向与水平方向的夹角和BBO晶体到等离子体的距离之间的关系图； 图3为入射的太赫兹波是水平偏振的情况下，寻常太赫兹波、非寻常太赫兹波以及中间角度的太赫兹波在0.2太赫兹到2.2太赫兹的范围内的折射率与频率的关系图。
图4为相位延迟随频率变化的关系图； 图5为不同频率的太赫兹电场的振幅随BBO晶体位置的变化图。
附图标记说明 1-透镜；2-BBO晶体；3-聚四氟乙烯板；4-抛面镜；5-被测双折射材料；6-导电玻璃；7-ZnTe晶体；8-四分之一波片；9-沃拉斯顿棱镜；10-差分探测器；11-反射镜；L1-泵浦光；L2-探测光。
具体实施例方式 为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。
图1为本发明实验装置的示意图，本发明的太赫兹偏振分析器包括激光光源，在本实施例中，该激光光源可以选用美国光谱物理公司生产的飞秒激光放大器，其激光脉冲平均输出功率为3.5W，重复频率1KHz，中心波长800nm，脉宽50fs。激光光源还可以选用产生其他波长激光的激光器。
该激光光源光路后方同轴设置有分束片，产生的激光脉冲经过分束片后，被分为两束光，泵浦光L1和探测光L2。泵浦光L1具有入射激光的绝大部分能量，经太赫兹产生装置产生太赫兹波。探测光L2为低功率激光，作为探测光束。
泵浦光L1经太赫兹产生装置产生的太赫兹波，由太赫兹产生装置后方光路上设置的抛面镜4准直后，聚焦于后方光路上的被测双折射材料5处。经由该被测双折射材料5的双折射作用，太赫兹波在时域上分为两个振动方向相互垂直的o光和e光。
探测光L2作为探测光束和分开后的太赫兹波，分别经设于各自光路上的光路调整装置调整其光路后，同向共线到达探测晶体7处。
本实施例中，光路调整装置实施为o光和e光分开后的太赫兹波经抛面镜4的准直和聚焦后，由抛面镜4后方的导电玻璃6反射到探测晶体7处。该探测晶体7选用如ZnTe的电光晶体，该导电玻璃6可选用ITO。探测光束经反射镜11和透镜1调整光路并聚焦后，透过导电玻璃6与通过石英晶体的太赫兹波同向共线通过探测晶体7。
由于泵浦光L1和探测光L2为同源光，故在同向共线通过探测晶体7时，太赫兹波和探测光束在探测晶体上重合。在探测晶体7内，太赫兹电场改变探测晶体7的折射率椭球，从而使出射的探测光束的偏振态发生改变，使原本水平偏振的800nm探测光束的偏振方向发生变化。探测装置设于该探测晶体7光路后方，可探测得出太赫兹电场波形。
具体的，该探测装置主要由在光路上依次设置的四分之一波片8、渥拉斯顿棱镜9和差分探头10组成。从该探测晶体7出射的探测光束，经过四分之一波片8调零，使得开始时探测光束的水平偏振光和竖直偏振光的光强相等。然后经渥拉斯顿棱镜9将水平偏振光和竖直偏振光分开，分开的两束光由差分探头10进行探测。
分开的水平偏振光和竖直偏振光所对应的电流差正比于太赫兹电场，使用差分探头10可以将这两束偏振光的光强差转换为电流差，经计算机软件计算，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。
本发明的太赫兹产生装置是采用双频激光激发空气产生等离子体，从而产生太赫兹波的方法产生的。太赫兹产生装置包括在泵浦光L1光路上依次设置的透镜1、偏硼酸钡晶体2和聚四氟乙烯板3。
泵浦光L1通过分束片后方所设的透镜1后，经BBO(偏硼酸钡)晶体2进行倍频，部分光被倍频为400nm的倍频光，部分光从BBO晶体透过后仍为800nm的基频光。该倍频光与基频光于距BBO晶体距离d处聚焦相混频，产生等离子体，从而激发太赫兹波。BBO晶体装设于精密平移台上，通过精密平移台可以精确控制BBO晶体到等离子体的距离d。
BBO晶体后方光路上设有聚四氟乙烯板3，产生的太赫兹波能够从聚四氟乙烯板3透过，从而滤去其他光波，得到实验所需太赫兹波。
基于双频激光激发空气产生等离子体产生太赫兹波的机制中，当基频光是线偏振光时，激发的太赫兹波也是线偏振的。随着基频光和倍频光的相对相位的变化太赫兹波的偏振方向会连续变化。基频光和倍频光的相对相位随着BBO晶体到等离子体的距离d的不同而发生变化，并且基频光和倍频光的相对相位的变化正比于BBO晶体的位置的变化。当BBO晶体的位置连续发生变化时，太赫兹波的偏振方向也会连续发生变化。
本发明的利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，采用上述实验装置完成，包括如下步骤 1、移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，得到太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ和BBO晶体到等离子体的距离d之间的关系。
图2为太赫兹波的偏振方向与水平方向间的夹角和BBO晶体到等离子体的距离之间的关系图，图中显示了改变BBO晶体2的位置时，太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度随之发生的变化。在图1所示的实验装置中连续改变BBO晶体到等离子体的距离d，分别测量出不同距离d下太赫兹波的偏振角度，即可得到图2中所示曲线。其中测量太赫兹波的偏振角度的方法为现有技术，在此不再赘述。
从图2中可以得出，太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度在0°到90°之间时，BBO晶体到等离子体的距离d与太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ之间为线性单调关系。当BBO晶体到等离子体的距离变化Δd＝13mm时，太赫兹波的偏振方向转过Δθ＝90°，从实验中也可以直观看出，在移动BBO晶体时，当太赫兹波的电场出现极大和极小值时，BBO晶体移过约13mm。
2、将不同频率下太赫兹波的折射率带入公式
得出双折射晶体的两个轴之间的相位延迟随频率变化的关系。
图3为入射的太赫兹波是水平偏振的情况下，寻常太赫兹波、非寻常太赫兹波以及中间角度的太赫兹波在0.2太赫兹到2.2太赫兹的频率范围内的折射率与频率的关系图，e光的折射率ne和o光的折射率no可以查表得到或测算出来。折射率的测算为本领域现有技术，不在本发明中赘述。
图4为双折射晶体的两个轴之间的相位延迟随频率变化的关系图，该曲线由公式
计算得出。其中f太赫兹波的频率，Δn＝ne-no，ne和no为对应不同频率f时非寻常光和寻常光的折射率，可以根据图3读出，也可以根据实际需要查表得到或测算出来，δ为相位延迟，a为双折射晶体的厚度，c为光速。
如图4所示，在本实施例中，当太赫兹波的频率在0.2到2.2之间变化时，相位延迟在2π到8π之间变化。当相位延迟是π的奇数倍时，此时双折射晶体的作用相当于二分之一波片，通过双折射晶体后的太赫兹波的偏振方向会发生变化，其偏振方向和晶体光轴的夹角变为入射太赫兹波的偏振方向和晶体光轴夹角的二倍；而当相位延迟是π的偶数倍时，通过双折射晶体的太赫兹波的偏振方向不发生变化，同入射到双折射晶体上的太赫兹波的偏振方向相同。
3、分别选取相位延迟为π的奇数倍时对应的一个太赫兹波频率f1和π的偶数倍时对应的一个太赫兹波频率f2，移动BBO晶体，测量频率f1和f2的太赫兹波在最近邻的振幅最小值处对应BBO晶体移动距离Δd。
图5为选取相位延迟分别为π的奇数倍和偶数倍时对应的太赫兹波频率下，太赫兹电场振幅随BBO晶体位置的变化图。通过图1的装置测出太赫兹波在时域上的曲线图后，经过傅里叶变换即可得到图5中太赫兹波在频域上的振幅曲线图。在本实施例中所示曲线的太赫兹波频率分别为0.47THz，0.91THz，1.26THz，1.67THz和1.93THz。
在图5中任意选取相位延迟为π的一个奇数倍时和一个偶数倍时对应的太赫兹波频率的振幅曲线，从图中可以读取这两个频率下最近邻的太赫兹波透过率最小值处BBO的位置差。在本实施例中，分别选取1.26THz和0.91THz频率下的太赫兹波的振幅曲线，即相位延迟分别为5π和4π时对应频率的太赫兹波的振幅曲线。从图中可以看出，其对应BBO晶体的位置移动约为Δd＝4mm。
4、双折射晶体光轴与水平方向的夹角
结合图2，由于在太赫兹波振幅的最大值和最小值之间，BBO晶体到等离子体之间的距离d和太赫兹波偏振方向相对于水平方向的角度θ之间成线性单调关系，故当BBO晶体移动过Δd时，太赫兹波的偏振方向转过的角度为
特别的，由图2中和实践中均可得到，当BBO晶体移动13mm时，对应太赫兹波的偏振方向转过90°，因此当BBO晶体移动过Δdmm时，太赫兹波的偏振角度转过
在本实施例中
对于水平偏振的入射太赫兹波，若其偏振方向和晶体光轴的夹角为α，则经过双折射晶体之后，对于相位延迟为π的偶数倍的太赫兹波，其偏振方向不发生变化，仍然为水平偏振；对于相位延迟为π的奇数倍的太赫兹波，其偏振方向与晶体光轴的夹角变为2α。因此比较相位延迟为π的奇数倍和偶数倍的太赫兹波，可以得到两者之间的偏振方向转过角度Δθ＝2α。
故晶体光轴与入射太赫兹波偏振方向的夹角
由于太赫兹波偏振方向与水平方向相同，即晶体光轴与水平方向的夹角
在本实施例中带入数据得出α≈13.85度。
本发明通过上述技术方案，使得无须转动双折射晶体，即可对双折射晶体的光轴方向进行测量，其计算和绘图均可以采用计算机程序自动进行，使得晶体光轴方向的测量更为简便和准确，达到了有益的技术效果。
以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，其特征在于，包括如下步骤
(1)移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，得到太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ和BBO晶体到等离子体的距离d之间的关系；
(2)将不同频率下太赫兹波的折射率带入相位延迟的计算公式，得出双折射晶体的两个轴之间的相位延迟随频率变化的关系；
(3)分别选取相位延迟为π的奇数倍时对应的一个太赫兹波频率f1和π的偶数倍时对应的一个太赫兹波频率f2，移动BBO晶体，测量频率f1和f2的太赫兹波在最近邻的振幅最小值处对应BBO晶体移动距离Δd；
(4)双折射晶体光轴与水平方向的夹角
2.如权利要求1所述的利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，其特征在于，步骤(1)中在太赫兹波振幅的最大值和最小值之间，BBO晶体到等离子体之间的距离d和太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ之间成线性单调关系。
3.如权利要求2所述的利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，其特征在于，步骤(2)中所述相位延迟的计算公式为
其中f为太赫兹波的频率，Δn＝ne-no，ne和no为对应不同频率f时非寻常光和寻常光的折射率，δ为相位延迟，a为双折射晶体的厚度，c为光速。
4.如权利要求2所述的利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，其特征在于，BBO晶体移动13mm，对应太赫兹波的偏振方向转过90°。
5.如权利要求2所述的利用偏振可控的太赫兹波测量双折射晶体光轴方向的方法，其特征在于，采用精密平移台控制移动所述BBO晶体。
全文摘要
本发明的方法包括如下步骤(1)移动BBO晶体以改变BBO晶体到等离子体的距离，得到太赫兹波的偏振方向相对于水平方向的角度θ和BBO晶体到等离子体的距离d之间的关系；(2)将不同频率下太赫兹波的折射率带入相位延迟的计算公式，得出双折射晶体的两个轴之间的相位延迟随频率变化的关系；(3)分别选取相位延迟为π的奇数倍时对应的一个太赫兹波频率f1和π的偶数倍时对应的一个太赫兹波频率f2，移动BBO晶体，测量频率f1和f2的太赫兹波在最近邻的振幅最小值处对应BBO晶体移动距离Δd；(4)双折射晶体光轴与水平方向的夹角由此，本发明无须转动双折射晶体，即可对双折射晶体的光轴方向进行测量，使得双折射晶体光轴方向的测量更为简便和准确。
文档编号G01N21/21GK101813619SQ20101015072
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者张亮亮, 钟华, 邓朝, 张存林 申请人:首都师范大学