专利名称：一种菲涅尔棱镜和一种转换太赫兹波的偏振态的方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹波的偏振态转换技术领域，特别是涉及一种菲涅尔棱镜和利用该菲涅尔棱镜来转换太赫兹波的偏振态的方法。
背景技术：
太赫兹波具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，在卫星通讯、无损检测、军用雷达等多个领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。而偏振态为圆偏振的太赫兹波的应用更为广泛，尤其是其为具有螺旋结构的生物大分子等物质内部结构的研究提供了特殊光源，还可将其用于对各向异性材料(如双折射晶体、具有纤维取向的生物组织等)进行偏振相关的太赫兹波超宽频带光谱研究及结构识别。可见，利用圆偏振太赫兹波有望在物理与生命科学交叉领域获得新的重大科研突破。但是，现有技术只能产生偏振态为线偏振的单周期脉冲太赫兹波，必须对其偏振态进行转换，才能获得圆偏振的单周期脉冲太赫兹波。现有技术是利用波片等光学元件来实现太赫兹波偏振态的转换的，根据入射线偏振太赫兹波的频率来设计波片的厚度，可使入射线偏振太赫兹波在从波片射出后变为圆偏振的太赫兹波。可见，现有技术只适用于单一频率的太赫兹波偏振态的转换，而对于包含多种频率成分的多色线偏振太赫兹波(如线偏振的单周期脉冲太赫兹波)，该方法是无法同时将所有频率的太赫兹波的偏振态都转换为圆偏振态的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种菲涅尔棱镜和一种转换太赫兹波的偏振态的方法，能同时将多色线偏振太赫兹波的偏振态转换为圆偏振。本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种菲涅尔棱镜，该菲涅尔棱镜为条形柱状，由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成；该菲涅尔棱镜包括四条棱和两个相对且平行的侧面；其中，两个所述侧面为边长相同的正方形；每条所述的棱垂直于每个所述侧面的一条边，且每条所述的棱与每个所述侧面的夹角α满足a=arcsin(i)，其中的η为该菲涅尔棱镜的制作材料对太赫兹波的折射率；
η每条所述棱的长度均满足使垂直于一个所述侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个所述侧面出射。本发明的有益效果是本发明中，菲涅尔棱镜的每条棱与每个侧面的夹角a满足 a=arcsin(-)，可使垂直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在该菲涅尔棱镜内发生全反射。每
η
条棱的长度均满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个侧面出射，这样，太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在该菲涅尔棱镜内的附加位相总和为(η/2)的奇数倍，因而出射太赫兹波的偏振态即转换为圆偏振。而且，由于该附加位相总和是与频率无关的量，因此入射的所有频率的线偏振太赫兹波均同时转换成了圆偏振态，从而实现了发明目的。另外，该菲涅尔棱镜由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成，其两侧面相对且平行，每条棱垂直于每个侧面的一条边，这保证了垂直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在菲涅尔棱镜内发生全反射的位置是在两个平行相对的界面上，而不会在两个相邻的界面上，因而太赫兹波的出射方向也就可以确定为垂直于另一个侧面，这有效防止了太赫兹波在出射时发生变向，使所有频率的太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在菲涅尔棱镜中发生全反射的附加位相总和完全一致。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进进一步，由高密聚乙烯或高阻硅制成。进一步，垂直于一个所述侧面入射的线偏振的所述太赫兹波为平行波束，其波束截面为圆形；则所述侧面的边长不小于该太赫兹波的波束直径。进一步，垂直于一个所述侧面入射的线偏振的所述太赫兹波为单周期脉冲太赫兹波。进一步，每条所述棱的长度均满足使垂直于一个所述侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生2次全反射后从另一个所述侧面出射。进一步，每个所述侧面的边长a与每条所述棱的最小长度L满足Z =。
nyjn -I另外，本发明还提供了一种转换太赫兹波的偏振态的方法，该方法的实现基于上述的菲涅尔棱镜；该方法包括步骤I :将所述菲涅尔棱镜的任一个所述侧面作为入射界面，将其另一个所述侧面作为出射界面；将线偏振的太赫兹波垂直于所述入射界面射入所述菲涅尔棱镜；步骤2 :所述太赫兹波在所述菲涅尔棱镜内发生偶数次全反射，每次所述全反射的反射界面为介质与空气的界面；步骤3 :从所述出射界面射出的太赫兹波即为圆偏振的太赫兹波。
图I为本发明提出的菲涅尔棱镜的结构图；图2为本发明提出的菲涅尔棱镜的侧视图；图3为本发明提出的菲涅尔棱镜的俯视图；图4为太赫兹波在本发明提出的菲涅尔棱镜内传播的一个实施例的示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。图I、图2和图3分别为本发明提出的菲涅尔棱镜的结构图、侧视图和俯视图。棱镜是一种由两两相交的平面围成的物体，菲涅尔棱镜是棱镜的一种。在菲涅尔棱镜中，供光线入射和出射的平面均称为该菲涅尔棱镜的侧面。如图1-3所示，该菲涅尔棱镜为条形柱状，其由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成，防止因太赫兹波在其内部发生色散而导致出射的太赫兹波变向，该菲涅尔棱镜的制作材料的较佳实施例为高密聚乙烯或高阻硅，这两种材料不仅对太赫兹波不产生色散作用，而且对太赫兹波造成的损耗也很小，从而保证了出射的太赫兹波的能量密度。图1-3所示的菲涅尔棱镜包括四条棱和两个相对且平行的侧面。每条棱的长度相等，均为L，两个侧面为边长相同的正方形，分别用M和N来标示。为了对侧面上的两条邻边进行区分，图1-3用a和b分别标示侧面的两邻边的长度，由于两侧面均为正方形，且边长相同，因而这里的a与b在数值上是相等的。本发明所提供的菲涅尔棱镜中，每条棱垂直于每个侧面的一条边，如图1-3所示， 任一棱均垂直于任一侧面上边长为b的边。另外，每条棱与每个侧面的夹角α满足a=arcsin(i)，其中的n为该菲涅尔棱镜的
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制作材料对太赫兹波的折射率，如图1-3所示，由于每条棱均与边长为b的边垂直，因而各棱与各侧面的夹角α即为相应棱与边长为a的边的夹角。棱与侧面的夹角α满足
a=arcsin(-)，可使垂直于任一侧面入射的太赫兹波在该菲涅尔棱镜内部发生全反射，从而使
η
该太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量产生附加位相。根据该数量关系，在该菲涅尔棱镜的制作材料选用高密聚乙烯的情况下，这里的η为I. 525，则α等于55. 7°。本发明所提供的菲涅尔棱镜中，每条棱的长度L均要满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后才从另一个侧面出射。L所满足的该条件意味着，太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在菲涅尔棱镜中获得的附加位相总和为(η/2)的奇数倍，这样，太赫兹波的偏振态就由入射时的线偏振转换为出射时的圆偏振。另外，由于在L确定后，该附加位相总和是一个常数，与太赫兹波的频率是无关的，因而即使入射的线偏振的太赫兹波是多色的(即频率不单一)，从该菲涅尔棱镜另一个侧面出射的太赫兹波也能全部转换为圆偏振态，因此，本发明实现了将入射的多色线偏振太赫兹波的偏振态同时转换为圆偏振的发明目的。为了尽量降低菲涅尔棱镜对太赫兹波的损耗，保证出射太赫兹波的能量密度，本发明中，每条棱的长度L的较佳实施例为L均满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生2次全反射后从另一个侧面出射，图4即为太赫兹波在该实施例中传播并发生全反射的示意图，该图的视角与图2相同，均为侧视视角。由此可见，本发明中，菲涅尔棱镜的每条棱与每个侧面的夹角α满足a=arCSin(i)，
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可使垂直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在该菲涅尔棱镜内发生全反射。每条棱的长度均满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个侧面出射，这样，太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在该菲涅尔棱镜内的附加位相总和为(π/2)的奇数倍，因而出射太赫兹波的偏振态即转换为圆偏振。而且，由于该附加位相总和是与频率无关的量，因此入射的所有频率的线偏振太赫兹波均同时转换成了圆偏振态，从而实现了发明目的。另外，该菲涅尔棱镜由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成，其两侧面相对且平行，每条棱垂直于每个侧面的一条边，这保证了垂直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在菲涅尔棱镜内发生全反射的位置是在两个平行相对的界面上，而不会在两个相邻的界面上，因而太赫兹波的出射方向也就可以确定为垂直于另一个侧面，这有效防止了太赫兹波在出射时发生变向，使所有频率的太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在菲涅尔棱镜中发生全反射的附加位相总和完全一致。现有的线偏振的太赫兹波的产生是基于光整流、光导天线或激光激发空气等离子体等机制而辐射出的平行波束，其波束截面为圆形，即上述的垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波为平行波束，其波束截面为圆形，则本发明所提供的菲涅尔棱镜中，各侧面的边长(图1-3中的a和b)不小于该太赫兹波的波束直径，这可以保证所有入射太赫兹波的偏振态均可被该菲涅尔棱镜同时转换，不会有能量损失，从而有效保证了出射的圆偏振太赫兹波的能量达到使用需求。侧面边长的极小值等于入射的太赫兹波的波束直径，因而侧面即为该圆形的太赫兹波束的外切正方形。本发明能将入射的多色太赫兹波的偏振态同时由线偏振转换为圆偏振，入射的这种多色线偏振太赫兹波的一个实施例为单周期脉冲太赫兹波，即上述的垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波为单周期脉冲太赫兹波。本发明所提供的菲涅尔棱镜中，棱的长度L只要满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次(较佳实施例为2次)全反射后再从另一个侧面出射，即可实现发明目的；而在太赫兹波为圆形波束截面的平行波束的情况下，侧面的边长(a和b)只要不小于波束直径，即能保证出射的太赫兹波的能量密度达到使用需求。为了使L与a(和b)相互协调，减少材料的使用，本发明中，还可以进一步设置每个侧面的边
长a(和b)与每条棱的最小长度L，使二者满足1 = 1^ 的关系，这样，既实现了上述的发
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明目的，使出射的圆偏振太赫兹波的能量密度满足了使用需求，又节省了菲涅尔棱镜制作材料的使用，达到了节约资源、降低成本的目的。本发明还提出了一种转换太赫兹波的偏振态的方法，该方法的实现基于上述的菲涅尔棱镜，该方法的目的在于，将射入菲涅尔棱镜的多色太赫兹波的偏振态由线偏振同时转换为圆偏振，即线偏振的多色太赫兹波在射入该菲涅尔棱镜后，出射的多色太赫兹波的偏振态全部转换为圆偏振。以图4为例进行说明，该方法包括步骤I :将菲涅尔棱镜的任一个侧面(如侧面M)作为入射界面,将其另一个侧面 (如侧面N)作为出射界面；将线偏振的太赫兹波垂直于入射界面M射入菲涅尔棱镜。太赫兹波作为一种电磁波，其传播规律遵从电磁波的传播规律，即垂直于两种物质的界面入射的太赫兹波，在从第一种物质(本发明中为空气)射入第二种物质(本发明中为菲涅尔棱镜)后，其传播规律保持不变。因此，线偏振的太赫兹波垂直于入射界面M射入菲涅尔棱镜后，传播方向保持不变，进而第一次到达菲涅尔棱镜与空气的界面。步骤2 :太赫兹波在菲涅尔棱镜内发生偶数次全反射，每次全反射的反射界面为介质与空气的界面。该步骤中的介质指的是菲涅尔棱镜的制作材料。太赫兹波在步骤I中到达菲涅尔棱镜与空气的界面之后，由于上述的每条棱与每个侧面的夹角α满足a=arcsin(i)，因而太赫兹波会在该界面发生全反射，这是由电磁波(本
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发明中为太赫兹波)的传播规律所决定的。由于本发明所提出的菲涅尔棱镜中，每条棱的长度均满足使垂直于一个侧面(如图4中的侧面Μ)入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次(图4实施例为
62次)全反射后才从另一个侧面(如图4中的侧面N)出射的条件，因而太赫兹波在该菲涅尔棱镜中会发生偶数次全反射，每次全反射均发生在菲涅尔棱镜与空气的界面上，且均在菲涅尔棱镜内部进行。太赫兹波包括相互垂直的两个电场分量，这两个电场分量在太赫兹波经过偶数次全反射后，所获得的附加位相总和为(η/2)的奇数倍，且该附加位相总和与频率无关，是一个常数，这意味着，线偏振的多色太赫兹波在经过偶数次全反射后，所有频率的太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量所获得的附加位相总和均为(η/2)的奇数倍，因而所有频率的太赫兹波的偏振态均变为圆偏振。步骤3 :从出射界面射出的太赫兹波即为圆偏振的太赫兹波。线偏振的入射太赫兹波在步骤2中经过偶数次全反射之后，从菲涅尔棱镜的出射界面(如图4中的侧面N)射出的太赫兹波即为圆偏振的太赫兹波，该出射太赫兹波的圆偏振态可由现有的电光取样探测方法以及现有的太赫兹偏振片与太赫兹能量接收器相结合的方法来验证。由此可见，本发明具有以下优点(I)本发明中，菲涅尔棱镜的每条棱与每个侧面的夹角α满足a=arcSin(i)，可使垂
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直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在该菲涅尔棱镜内发生全反射。每条棱的长度均满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个侧面出射，这样，太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在该菲涅尔棱镜内的附加位相总和为(η/2)的奇数倍，因而出射太赫兹波的偏振态即转换为圆偏振。而且，由于该附加位相总和是与频率无关的量，因此入射的所有频率的线偏振太赫兹波均同时转换成了圆偏振态，从而实现了发明目的。另外，该菲涅尔棱镜由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成，其两侧面相对且平行，每条棱垂直于每个侧面的一条边，这保证了垂直于一个侧面入射的线偏振太赫兹波在菲涅尔棱镜内发生全反射的位置是在两个平行相对的界面上，而不会在两个相邻的界面上，因而太赫兹波的出射方向也就可以确定为垂直于另一个侧面， 这有效防止了太赫兹波在出射时发生变向，使所有频率的太赫兹波所包含的两个相互垂直的电场分量在菲涅尔棱镜中发生全反射的附加位相总和完全一致。(2)本发明中的菲涅尔棱镜用高密聚乙烯或高阻硅制作，可防止太赫兹波发生色散，减小太赫兹波在偏振态转换过程中的损耗，提高出射太赫兹波的能量密度。(3)本发明所提供的菲涅尔棱镜中，各侧面的边长不小于入射太赫兹波的波束直径，这可以保证所有入射太赫兹波的偏振态均可被该菲涅尔棱镜同时转换，不会有能量损失，从而有效保证了出射的圆偏振太赫兹波的能量达到使用需求。(4)本发明设置每个侧面的边长a(和b)与每条棱的长度L，使二者满足 Z = 的关系，这样，既实现了上述的发明目的，使出射的圆偏振太赫兹波的能量密度
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满足了使用需求，又节省了菲涅尔棱镜制作材料的使用，达到了节约资源、降低成本的目的。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种菲涅尔棱镜，其特征在于，该菲涅尔棱镜为条形柱状，由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成；该菲涅尔棱镜包括四条棱和两个相对且平行的侧面；其中，两个所述侧面为边长相同的正方形；每条所述的棱垂直于每个所述侧面的一条边，且每条所述的棱与每个所述侧面的夹角 a满足a = arcsin(i)，其中的n为该菲涅尔棱镜的制作材料对太赫兹波的折射率；n每条所述棱的长度均满足使垂直于一个所述侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个所述侧面出射。
2.根据权利要求I所述的菲涅尔棱镜，其特征在于，由高密聚乙烯或高阻硅制成。
3.根据权利要求I所述的菲涅尔棱镜，其特征在于，垂直于一个所述侧面入射的线偏振的所述太赫兹波为平行波束，其波束截面为圆形；则所述侧面的边长不小于该太赫兹波的波束直径。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的菲涅尔棱镜，其特征在于，垂直于一个所述侧面入射的线偏振的所述太赫兹波为单周期脉冲太赫兹波。
5.根据权利要求I所述的菲涅尔棱镜，其特征在于，每条所述棱的长度均满足使垂直于一个所述侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生2次全反射后从另一个所述侧面出射。
6.根据权利要求I所述的菲涅尔棱镜，其特征在于，每个所述侧面的边长a与每条所述棱的最小长度L满足
7.一种转换太赫兹波的偏振态的方法，该方法的实现基于权利要求I所述的菲涅尔棱镜；其特征在于，该方法包括步骤I :将所述菲涅尔棱镜的任一个所述侧面作为入射界面，将其另一个所述侧面作为出射界面；将线偏振的太赫兹波垂直于所述入射界面射入所述菲涅尔棱镜；步骤2:所述太赫兹波在所述菲涅尔棱镜内发生偶数次全反射，每次所述全反射的反射界面为介质与空气的界面；步骤3 :从所述出射界面射出的太赫兹波即为圆偏振的太赫兹波。
全文摘要
本发明涉及一种菲涅尔棱镜和一种转换太赫兹波的偏振态的方法。该菲涅尔棱镜为条形柱状，由不对太赫兹波产生色散作用的材料制成；该菲涅尔棱镜包括四条棱和两个相对且平行的侧面；其中，两个侧面为边长相同的正方形；每条棱垂直于每个侧面的一条边，且每条棱与每个侧面的夹角α满足其中的n为该菲涅尔棱镜的制作材料对太赫兹波的折射率；每条棱的长度均满足使垂直于一个侧面入射的线偏振的太赫兹波在该菲涅尔棱镜中发生偶数次全反射后从另一个侧面出射。本发明能同时将多色线偏振太赫兹波的偏振态转换为圆偏振。
文档编号G02B5/30GK102590908SQ201210048020
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者张亮亮, 张存林, 祝德充, 邓朝 申请人:首都师范大学