一种激光上转化太赫兹差频源探测系统的制作方法

本专利涉及一种太赫兹差频源探测系统，具体是指利用近红外激光上转化的方法实现太赫兹差频源脉冲信号的室温高灵敏度探测。

背景技术：

太赫兹技术(0.1THz-10THz)，被誉为“改变未来世界的十大关键科学技术之一”，在国防安全，空间通信，生物医疗，环境监测，食品安全，科学研究等领域有广泛的应用背景。

高性能太赫兹辐射源的研究，一直都是太赫兹研究领域内的重点研究方向，该项技术的突破将极大推动太赫兹技术的实际应用发展。目前，在众多的太赫兹辐射源中，基于非线性差频技术产生的太赫兹辐射源，具有体积紧凑、窄线宽、宽调谐范围、波长连续可调、高辐射功率、室温工作等优点，被认为是一种理想的太赫兹辐射源。

目前，对于太赫兹辐射源信号的探测，一般主要使用基于室温热基太赫兹探测器(如高莱管、热释电探测器等)，其具有全波段响应，室温工作等优点。然而，对于太赫兹差频源光束，一般是由两束波长相近的近红外纳秒脉冲激光信号在非线性太赫兹晶体中经差频作用产生的，其泵浦光束工作频率低(一般数10Hz)，持续时间断(纳秒量级)，导致太赫兹脉冲信号具有极低的脉冲占空比(1：10⁷)。因此，理论上需要高速实时响应的室温太赫兹探测器，或者灵敏度更高的太赫兹探测器。但关于全波段响应的高速实时室温太赫兹探测器研究工作，目前尚没有文献报道。同时，由于室温热基太赫兹探测器(高莱管、热释电探测器)，其响应时间较长(毫秒量级)，响应率还不够高，满足不了太赫兹差频源信号的探测需求，因此实际上往往使用更高灵敏度的液氦深低温制冷测辐射热计(响应时间依然为毫秒量级)。此时，对于探测太赫兹差频源纳秒脉冲信号探测而言，引入额外噪声，只能得到太赫兹脉冲的平均功率，无法对其太赫兹脉冲信号进行实时探测；需要深低温制冷工作条件，引入额外的变温配套设备，无法小型化，不便于实际应用推广。

技术实现要素：

针对目前太赫兹脉冲差频源探测中出现的上述局限，本专利基于激光上转化的原理，对高速脉冲太赫兹信号进行室温实时探测，提高探测信噪比，摆脱低温探测局限，同时缩小设备体积，促进太赫兹脉冲差频源的实际应用。

下面详细介绍激光上转化产生原理以及具体产生过程：

激光上转化产生原理是属于非线性光学和频领域，具体是指利用一束较强的近红外泵浦光(如1064nm)，去探测一束微弱信号的太赫兹光束，这两束光束同时作用在非线性晶体中，在同时满足三束光光子能量守恒以及晶体相位匹配条件时，将会在晶体中辐射另一束相比泵浦光束波长更长的近红外信号光束，最终被成熟高灵敏度的近红外探测器所探测。该激光上转化产生原理和太赫兹激光差频产生原理相似，均属于二阶非线性光学相互作用领域范畴。

具体如下：

在激光上转化产生过程中，高功率泵浦激光束ω₁以及太赫兹束ω₂同时入射到非线性晶体1中，在满足特定条件下(即光子能量守恒以及晶体相位匹配条件)，将产生激光上转化现象，可以观察到另一低光子频率的信号光产生。

具体光子能量守恒以及晶体相位匹配条件，可用以下公式表示：

ω₁-ω₂＝ω₃ (一)

(一)式为三光光子能量守恒，式中ω₁、ω₂、ω₃分别为泵浦光束、太赫兹光束以及信号光束光子能量；(二)式为三光光子动量守恒条件，也称晶体相位匹配条件，该式为矢量守恒条件。

考虑到泵浦光束、太赫兹光束、信号光束共线条件，(二)式可以变为K₁-K₂＝K₃。

在本专利中，所使用非线性晶体材料不仅包括硒化镓、磷化镓、磷锗锌、碲化镉无机晶体，还包括OH1、DAST、DSTMS有机非线性晶体材料。

本专利具有结构简单，室温实时快速探测，探测信噪比高，摆脱低温探测局限，同时缩小设备体积，易于小型化，促进太赫兹脉冲差频源在国防安全、空间通讯、生物医疗、环境监测、食品安全、机场安检以及科学研究等领域的实际应用发展。

附图说明

图1为太赫兹激光上转化原理示意图。图中1为非线性光学晶体；

分别为泵浦光、太赫兹光以及信号光光子动量。

图2为太赫兹激光上转化探测实验装置图。图中1为高功率1064nm近红外纳秒激光器；2为半波片；3为光学参量振荡器；4为光束延迟线；5为偏振分光棱镜；6为第一透镜；7为第一非线性光学晶体；8为近红外滤光镜；9为第一离轴抛物面镜；10为激光反射镜；11为第二透镜；12为第二非线性光学晶体；13为第二离轴抛物面镜；14为近红外窄带滤光镜；15为近红外光谱仪；16为近红外探测器；17为真空腔室。

具体实施方式

下面对太赫兹激光上转化探测实验系统的具体操作说明如下：

高功率1064nm近红外纳秒激光器1辐射输出1064nm激光经半波片2后，与光学参量振荡器3输出波长相近(如1070nm)的激光光束经光束延迟线4后，垂直入射到偏振分光棱镜5中，这两束光将在空间、时间上达到“共线”状态，再经第一透镜6聚焦后入射到第一非线性晶体7中，在特定相位匹配条件下，将产生高功率的太赫兹光辐射，经近红外滤光镜8作用下，只有太赫兹光束通过第一离轴抛物面镜9，第二离轴抛物面镜13后，最终聚焦到第二非线性光学晶体12中，参与太赫兹激光上转化探测实验。半波片2的作用是改变1064nm偏振状态，使1064nm泵浦光束分成两束泵浦光束，一束经偏振分光棱镜反射至第一非线性晶体7中，另外一束则从另一方向透射输出，经激光反射镜10、第二透镜11后入射至第二非线性晶体12中，在激光上转化作用下，将产生一束波长与1064nm激光光束相近的信号光束，并经第二离轴抛物面镜13中的小孔出射至近红外窄带滤光镜14中，完全吸收光路中1064nm激光光束，最后被近红外光谱仪15探测其信号光波长，近红外探测器16探测其辐射功率。本系统在太赫兹产生、传输、探测部分引入真空腔室17，将避免空气中水汽对太赫兹吸收产生的干扰。

下面对系统中光学元件功能说明如下：

1为高功率1064nm近红外纳秒激光器，采用美国Continuum Sunlite 1064nm激光器，提供太赫兹差频源所需的高功率泵浦光；

2为半波片，调节1064nm激光偏振方向，使之在入射平面上与水平偏振方向呈现45°角；

3为光学参量振荡器，提供太赫兹差频源所需的另一束高功率波长相近的近红外泵浦激光；

4为光束延迟线，由4个反射镜组成的反射光路组成，将1064nm光束与光学参量振荡器输出光束在时间上同步，延迟时间约为4ns；

5为偏振分光棱镜,将1064nm激光光束分成两束能量，一束反射参与太赫兹差频产生光路，另外一束透射，作为太赫兹上转化探测的泵浦光束；

6为第一透镜，聚焦两束近红外泵浦光束至第一非线性光学晶体中；

7为第一非线性光学晶体，将在差频作用下产生太赫兹光辐射；

8为近红外滤光镜，将1064nm泵浦光束以及信号光束吸收过滤，只让太赫兹光穿透；

9为第一离轴抛物面镜，将产生的太赫兹光变成平行光入射至第二离轴抛物面镜中；

10为激光反射镜，将部分1064nm激光入射至第二非线性光学晶体中进行太赫兹光上转化探测；

11为第二透镜，聚焦部分1064nm激光至第二非线性光学晶体中；

12为第二非线性光学晶体，进行太赫兹光上转化探测，将会辐射出另一波长的近红外信号光；

13第二离轴抛物面镜，将太赫兹光聚焦至第二非线性光学晶体中，同时在其中央开一小孔，便于太赫兹上转化光路所产生的信号光束穿过小孔外部空间进行探测；

14近红外窄带滤光镜，完全过滤1064nm泵浦光束，只让信号光束透过；

15为近红外光谱仪，用来探测信号光波长；

16为近红外探测器，用来探测信号光能量；

17为真空腔室，覆盖整个太赫兹光束传播路径，避免空气中水汽对太赫兹吸收产生的干扰。