专利名称：基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹波光斩波器及使用方法
技术领域：
本发明涉及一种基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹光斩波器及使用方法，属于太赫兹 斩波技术领域。
背景技术：
斩波器是锁相放大技术中的必备部分，斩波器通过控制光信号的通断，实现对信 号的调制，与锁相放大器结合可以实现对微弱信号的检测。光学斩波器在光纤放大器特性 测量、光纤光栅传感、及太赫兹时域光谱分析等微弱信号测量领域有着重要的应用。在太赫兹时域光谱系统中，应用最广泛的是机械斩波器。机械斩波器由机械斩光 片、机械架、光耦频率反馈和速度控制电子学系统四部分组成。机械斩光片为金属圆片，上 面开有等间距圆周排列的缝隙，机械斩光片由马达带动旋转，从而周期性的控制光信号的 有无。这种机械斩波器有两个问题很难解决(1)因为斩光片和马达等机械装置无法集成， 所以机械斩波器的体积很难压缩到很小；(2)机械转动的速度有限，一般几千赫兹，在需要 高速斩波的情况下很难工作。另外还有基于电光调制晶体的电光斩波器，对太赫兹波吸收过大，不能用于直接 太赫兹波的直接斩波，而且造价较高。非机械式的太赫兹斩波器对于太赫兹时域系统的小型紧凑化是非常重要的。
发明内容
本发明旨在提出一种基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹光谱系统的光控斩波器，该斩 波器结构简单，便于与其他电子器件集成，体积小，斩波速度快。本发明是通过下述技术手段实现的。一种基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹波光斩波 器，其特征在于该斩波器由设置在太赫兹光路中的硅基氧化钒薄膜2，照射硅基氧化钒薄 膜的激光二极管4，二极管与硅基氧化钒薄膜之间设置一个聚焦透镜3，激光二极管的驱动 电源5，提供驱动电源开关信号的方波信号发生器6构成，信号发生器6还设有参考信号输 出端子7，该端子与锁相放大器相连。以上述结构的斩波器对太赫兹波进行斩波的方法，其特征在于包含以下过程硅 基氧化钒薄膜2的膜面垂直于太赫兹波束放置，激光二极管4发出的光与太赫兹波在硅基 氧化钒薄膜2同侧对其照射，激光二极管4的入射方向与膜面法向夹角为30° -60°，照射 区的光斑面积由聚焦透镜3控制。激光二极管4通过激光二极管的驱动电源5在方波信号 发生器6控制下，输出频率为100Hz-3KHz的激光脉冲方波，当激光二极管4处于发光状态 时，硅基氧化钒薄膜2在激光的照射下，发生半导体_金属相变过程，其电导率会剧增，从而 对穿透的太赫兹波的损耗大大增强，太赫兹波透过率降低，太赫兹波的传输相当于被阻断 状态；当激光二极管处4于不发光状态时，硅基氧化钒薄膜2处于半导体状态，此时太赫兹 波的透过率较高，太赫兹波的传输相当于开通状态，从而周期性的实现对太赫兹波通断的 控制，达到对太赫兹波斩波的目的。
本发明的优点，与普通机械斩波器相比是(1)光斩波方式更加稳定，没有机械斩 波带来的振动影响；(2)斩波器的控制光源为波长808nm的商用激光二极管，对模式要求不 高，输出有百毫瓦量级即可，成本低廉；(3)硅基氧化钒薄膜以及激光二极管都可以方便地 与其他电子器件集成，便于太赫兹系统的小型化；(4)调制速度快，可达30KHz，能够用于需 要高速斩波的场合。
图1为本发明的基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹波光斩波器的结构框图。图中1_遮光板，2-硅基氧化钒薄膜，3-透镜，4-激光二极管，5-激光驱动电源， 6-方波信号发生装置，7-参考信号输出端子。图2为采用本发明的光斩波器对太赫兹波进行2KHz斩波时，测得的太赫兹脉冲波 形图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明详细叙述基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹光斩波器的具体实施方式
如下首先制备硅基氧化钒薄膜。选择单面抛光，晶向为<110>方向的高阻硅片，电阻率 ρ > 1000 Ω/cm2，厚度600微米。氧化钒薄膜的形成是在氩氧比Ar O2 = 48 0. 8 (sccm)、 压强2Pa、室温环境下磁控溅射2个小时而成，薄膜厚度为620nm。将制备好的硅基氧化钒薄膜2放置在太赫兹时域光谱系统的太赫兹焦点前5mm 处。激光二极管4发出的激光通过焦距为50cm的透镜3照射到硅基氧化钒薄膜2表面，激 光二极管输出光的方向与硅基氧化钒薄膜2法线夹角为45°，在激光反射光路上用黑色遮 光板1对反射的激光进行遮挡，避免对人眼造成伤害。通过调节焦距为50mm的聚焦透镜3， 使照射到硅基氧化钒薄膜2表面的激光光斑直径6mm，完全覆盖太赫兹光斑。激光二极管4与激光驱动电源5相连，本发明采用的激光二极管为波长808nm的 商用产品，输出功率最高200mW，模式较差，价格低廉。激光驱动电源的控制端口与方波信号 发生器6相连。方波频率在100Hz-30KHz之间调节，占空比选择1 1，幅值为5V，上升沿 时间不能大于10微秒。方波信号发生器6(型号为AFG3101)输出的0V-5V方波信号，通过 同轴电缆线传给激光驱动电源5的控制端，从而控制激光二极管的驱动电源5输出同频率 的驱动电压给激光二极管4。最后激光二极管4把电方波信号转换成激光方波信号。当激 光二极管4处于发光状态时，硅基氧化钒薄膜2在激光的照射下，发生半导体_金属相变过 程，其电导率会剧增，从而对穿透的太赫兹波的损耗大大增强，太赫兹波透过率降低，太赫 兹波的传输相当于被阻断状态；当激光二极管4处于不发光状态时，硅基氧化钒薄膜2处于 半导体状态，此时太赫兹波的透过率较高，太赫兹波的传输相当于开通状态，从而周期性的 实现对太赫兹波通断的控制，达到对太赫兹波斩波的目的。方波信号发生器6发出的方波信号，通过参考信号输出端子7输入到锁相放大器 中作为参考信号，太赫兹探测系统输出的信号就可以被锁相放大器检测出来。图2是实验 测得的太赫兹脉冲信号波形图。
权利要求
1.一种基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹波光斩波器，其特征在于该斩波器由设置在太 赫兹光路中的硅基氧化钒薄膜(2)，照射硅基氧化钒薄膜的激光二极管(4)，二极管与硅基 氧化钒薄膜之间设置一个聚焦透镜(3)，激光二极管的驱动电源(5)，提供驱动电源开关信 号的方波信号发生器(6)构成，信号发生器(6)还设有参考信号输出端子(7)，该端子与锁 相放大器相连。
2.一种以权利要求1所述的斩波器对太赫兹波进行斩波的方法，其特征在于包含以下 过程硅基氧化钒薄膜(2)的膜面垂直于太赫兹波束放置，激光二极管(4)发出的光与太 赫兹波在硅基氧化钒薄膜(2)同侧对其照射，激光二极管(4)的入射方向与膜面法向夹角 为30° -60°，照射区的光斑面积由聚焦透镜(3)控制，激光二极管(4)通过激光二极管的 驱动电源(5)在方波信号发生器(6)控制下，输出频率为100Hz-3KHz的激光脉冲方波，当 激光二极管(4)处于发光状态时，硅基氧化钒薄膜(2)在激光的照射下，发生半导体-金 属相变过程，其电导率会剧增，从而对穿透的太赫兹波的损耗大大增强，太赫兹波透过率降 低，太赫兹波的传输相当于被阻断状态；当激光二极管(4)处于不发光状态时，硅基氧化钒 薄膜(2)处于半导体状态，此时太赫兹波的透过率较高，太赫兹波的传输相当于开通状态， 从而周期性的实现对太赫兹波通断的控制，达到对太赫兹波斩波的目的。
全文摘要
本发明涉及一种基于硅基氧化钒薄膜的太赫兹光斩波器及使用方法，属于太赫兹斩波技术领域。该斩波器包括硅基氧化钒薄膜，激光二极管，聚焦透镜，激光二极管的驱动电源，方波信号发生器，参考信号输出端子。该斩波器的斩波过程为将硅基氧化钒薄膜置于太赫兹波束中，以激光二极管对其照射，照射区的光斑面积由聚焦透镜控制，激光二极管输出的激光方波脉冲由方波信号发生器控制，输出频率在100Hz-3KHz间可调，硅基氧化钒薄膜的透过率在激光方波信号的作用下，发生周期性改变，从而实现周期性的控制太赫兹波的通断，达到对太赫兹波斩波的目的。本发明的优点是斩波稳定、成本低廉、体积小、便于集成、调制速度快。
文档编号G02F1/01GK102109686SQ201010529018
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者柴路, 栗岩锋, 王昌雷, 田震, 胡明, 邢岐荣, 陈涛 申请人:天津大学