一种基于金属线栅的法布里-珀罗THz波长测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪，其包括位于THz波输入端的第一金属线栅、位于THz波输出端的第二金属线栅、用于接收透过第二金属线栅的THz波的THz功率计；第一金属线栅与第二金属线栅通过框架连接在一起，第二金属线栅与框架之间为滑动配合或可拆分连接；第一金属线栅的立杆设置有够调整立杆偏转角度并自身带有角度刻度的金属半圆仪，第一金属线栅的底部横杆安放在光学平台上；第二金属线栅的底部横杆固定在水平电动位移平台上，水平电动位移平台安放在光学平台上。本实用新型在测量不同波长的THz波时，不需要更换不同参数的金属线栅，就能测量100～1000微米内任意波长的THz波。
【专利说明】—种基于金属线栅的法布里-珀罗THz波长测量仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于太赫兹【技术领域】，涉及一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪。
【背景技术】
[0002]结合图1、图2，金属线栅是由具有有限电导率、均匀、平行、等间距的金属细线排列组成。金属细线可以固定在无吸收的介质基底上或者金属圆环上形成无基底金属线栅。金属线的电导率为σ，g为线栅常数、a为线栅的金属线半宽度。
[0003]金属线栅和金属网栅在微波领域中被广泛的采用，同样，在亚毫米波段金属线栅和金属网栅在一些装置中扮演着核心器件的角色。例如，金属线栅和金属网栅作为光抽运产生亚毫米波F-P腔的端镜。在输入端经参数设置后对泵浦的红外激光高透，同时对腔内产生的THz高反；在输出端经参数设置后，对其产生的THz波高透，而对泵浦光高反。这样既提高了泵浦光的利用率，又有效地从THz波中滤除了红外泵浦光。金属线栅和金属网栅只对某一特定波长有较大的透过率而对其他的波长透过率都很低的特性，能够提高THz激光单模输出的能力，还可用来屏蔽来自外界的电磁波的干扰。金属网栅和金属线栅有一个非常精确、方便、且实用的功能，构成F-P腔来测定THz的波长。
[0004]实验中，可以使用两金属线栅组成F-P腔，准确的测出用连续二氧化碳激光器抽运甲醇气体产生的波长为385微米的THz波的波长。一套参数的金属线栅和金属网栅用来测定某一特定的波长时非常实用和方便。然而，当用其测量其他波长的THz波时，其反射率和透射率往往是不符合要求的(测波长时一般选取线栅的透过率为0.8?0.9)，如图3所
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[0005]金属网栅的周期常数为g，金属线半宽为a。图3所示为当a = 80微米时，以测量波长为参数，金属网栅透过率随网栅常数g的变化关系。当测量波长为385微米左右时，网栅常数g = 900微米时最为适合。而用此参数构成F-P腔测量波长为100微米附近的THz波时，透射率达到0.99以上甚至接近于I，因此不能用测量385微米波长的金属网栅F-P腔来测量波长100微米左右的THz波；同样，当所测波长位于1000微米附近时，该网栅对THz波透射率仅为0.55左右，对入射波的损耗太大，输出端功率很难用功率计准确的探测到。因此不宜采用测量385微米的金属网栅F-P腔来测量波长为1000微米左右的THz波的波长。同样的问题出现在电感性金属网栅、电感性金属条形栅和金属线栅中。
实用新型内容
[0006]本实用新型的任务在于提供一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪；在不更换线栅的情况下，能够实现精确、快速、便捷测量THz波的波长。
[0007]其技术解决方案是:
[0008]一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪，包括:
[0009]位于THz波输入端的第一金属线栅,包括由左侧立杆、右侧立杆、底部横杆与顶部横杆构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆，上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，上述各立杆与横杆均为片状金属杆，在中部横杆与顶部横杆上均刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽数量相同且一一对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线，所有金属线相互平行且等间距排布，在左侧立杆或右侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度并自身带有角度刻度的金属半圆仪，上述底部横杆安放在光学平台上；
[0010]位于THz波输出端的第二金属线栅，包括由左侧立杆、右侧立杆、底部横杆与顶部横杆构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆，上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，上述各立杆与横杆均为片状金属杆，在中部横杆与顶部横杆上均刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽数量相同且一一对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线，所有金属线相互平行且等间距排布，在左侧立杆或右侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度并自身带有角度刻度的金属半圆仪，上述底部横杆固定在水平电动位移平台上，水平电动位移平台安放在光学平台上；
[0011]用于接收透过第二金属线栅的THz波的THz功率计；
[0012]上述第一金属线栅与第二金属线栅通过框架连接在一起；第二金属线栅与框架之间为滑动配合或可拆分连接。
[0013]本实用新型具有以下有益技术效果:
[0014]本实用新型在测量不同波长的THz波时，不再需要更换不同参数的金属线栅，就可以得到合适的透射和反射比例，满足谐振腔振荡条件的要求。不仅继承了金属线栅测波长准确、简单的特点，而且能测量100?1000微米内任意波长的THz波，不用更换金属线栅。本实用新型不仅节省了对不同波长测量时对线栅或网栅的拆卸、安装、调试的过程，缩短了测量时间；而且节省了不同参数的线栅或网栅的加工过程和费用，提高了资源的利用率，减少经费开支。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作更进一步的说明:
[0016]图1为金属线栅的结构原理示意图。
[0017]图2为光波在金属线栅中的透射示意图。
[0018]图3为一种曲线图，示出了光波波长、透过率、网栅常数g之间的关系。
[0019]图4为本实用新型基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪的结构原理示意图。
[0020]图5为图4方式中第一金属线栅结构原理不意图。
[0021]图6为图4方式中第二金属线栅结构原理示意图。
[0022]图7为本实用新型中的金属线栅局部放大示意图。
[0023]图8示出的是所测THz波长与最佳周期常数g之间的对应关系。
[0024]图9示出的是所测THz波长与金属线栅的立杆偏转角度，即金属线固定架偏转角度，之间的对应关系。
【具体实施方式】
[0025]结合图4、图5与图6，一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪，包括第一金属线栅1、第二金属线栅2与THz功率计3。
[0026]上述第一金属线栅I位于THz波输入端,包括由左侧立杆101、右侧立杆102、底部横杆103与顶部横杆104构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆105。上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，如:左侧立杆与顶部横杆、中部横杆、底部横杆相接部位分别通过铰链连接，右侧立杆与顶部横杆、中部横杆、底部横杆相接部位分别通过铰链连接。上述左侧立杆、右侧立杆、顶部横杆、中部横杆、底部横杆均为片状金属杆，在中部横杆上刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，顶部横杆上也刻有数量相同的周期性的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽--对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线106,所有金属线相互平行且等间距排布；上述金属线固定凹槽的周期为山金属线的长度为L，半径为a。在左侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度金属半圆仪107，金属半圆仪107自身带有角度刻度，通过金属半圆仪107来调整左、右侧立杆在垂直于光波传播路线的平面内同步偏转，进而使金属线固定架相应偏转，并可根据其角度刻度来调整金属线固定架的偏转角度。上述底部横杆安放在光学平台4上。
[0027]上述第二金属线栅2位于THz波输出端，包括由左侧立杆201、右侧立杆202、底部横杆203与顶部横杆204构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆205。上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，如:左侧立杆与顶部横杆、中部横杆、底部横杆相接部位分别通过铰链连接，右侧立杆与顶部横杆、中部横杆、底部横杆相接部位分别通过铰链连接。上述左侧立杆、右侧立杆、顶部横杆、中部横杆、底部横杆均为片状金属杆，在中部横杆上刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，顶部横杆上也刻有数量相同的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽--对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线206,所有金属线相互平行且等间距排布；上述金属线固定凹槽的周期为d，金属线的长度为L，半径为a。在左侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度金属半圆仪207，金属半圆仪207自身带有角度刻度，通过金属半圆仪207来调整左、右侧立杆在垂直于光波传播路线的平面内同步偏转，进而使金属线固定架相应偏转，并可根据其角度刻度来调整金属线固定架的偏转角度。上述底部横杆固定在水平电动位移平台5上，水平电动位移平台安放在光学平台4上。
[0028]上述THz功率计3用于接收透过第二金属线栅的THz波。
[0029]上述第一金属线栅与第二金属线栅通过框架连接在一起，该框架可由四根连接杆6构成；第二金属线栅与框架之间为滑动配合或可拆分连接。
[0030]下面再结合图7、图8与图9，来说明一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪的测量方法。
[0031]THz透过率的计算公式为
^ 4/7,/7,, A"2
[0032]T = , 1- '2
I + (--γ + ) Λ
[0033]其中，Ii1和η2为线栅两侧介质的折射率，
[0034].尤
Λ 2πα
[0035]g = 2a+ (d-2a) sin α。
[0036]选取线栅的金属线的半径为a = 80微米，金属线固定凹槽周期常数d = 1163微米，透射率为0.8，经过数值模拟，得出在波长范围100?1000微米之间要实现准确的测出某一波的波长，其波长和金属线栅的周期常数g的关系如图8所示。周期常数g和金属线栅的立杆最佳偏转角的关系如图9所示，所对应的曲线方程为:
, 2a + {d - 2α)?η a.2a + {d - 2α)?η a ^
4/7,--(,In
[0037]T =-z——λ.0..-00、■-
,,..zcz + ia-zczisina , 2a+ (a -2i/)sm a ,
! + (?, +n,Y(InY
λ2πα
[0038]为了更好地理解本实用新型，下面介绍一种上述基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪的测量方法，包括以下步骤:
[0039]a由第一金属线栅与第二金属线栅组成F-P腔，并用He-Ne激光准直；
[0040]b通过所测THz波波长与对应金属线栅的立杆最佳偏转角度对应关系图9，确定偏转角度，然后根据所确定的偏转角度，通过各金属线栅的金属半圆仪对金属线栅的立杆进行相应偏转调整；
[0041]c驱动第二金属线栅的水平电动位移平台，当THz功率计出现相邻的m个功率峰值时，记下第二金属线栅的移动距离Xm，m为功率峰值的个数，为大于等于2的正整数，X =
Xm/ (m-Ι)；
[0042]d计算波长,波长=2ηχ, η为空气折射率。
[0043]为了更好地理解本实用新型，下面以TEA 二氧化碳激光抽运重水气体产生385微米的太赫兹激光作为实验例。
[0044]首先，将两个金属线栅组成F-P腔，用He-Ne激光准直。根据图9的计算结果可知，调整支架的偏转角度为42.4度时，金属线栅的透过率满足透过率为0.8的要求，谐振腔能很好的满足振荡条件。调整支架使偏转角度为42.4度，驱动水平电动位移平台，出现相邻的两个功率峰值时记下移动距离X，或者出现多个功率峰值后求出两相邻峰值之间的平均间距。即可计算得出所测THz波的波长。
[0045]上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
[0046]需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于金属线栅的宽波长范围法布里-珀罗THz波长测量仪，其特征在于包括:位于THz波输入端的第一金属线栅,包括由左侧立杆、右侧立杆、底部横杆与顶部横杆构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆，上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，上述各立杆与横杆均为片状金属杆，在中部横杆与顶部横杆上均刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽数量相同且一一对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线，所有金属线相互平行且等间距排布，在左侧立杆或右侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度并自身带有角度刻度的金属半圆仪，上述底部横杆安放在光学平台上；位于THz波输出端的第二金属线栅,包括由左侧立杆、右侧立杆、底部横杆与顶部横杆构成并呈平行四边形的金属线固定架，金属线固定架设置有中部横杆，上述各立杆与各横杆相接部位采用铰接方式连接在一起，上述各立杆与横杆均为片状金属杆，在中部横杆与顶部横杆上均刻有若干个周期性的金属线固定凹槽，中部横杆上的金属线固定凹槽与顶部横杆上的金属线固定凹槽数量相同且一一对应，在任意一对相对应的金属线固定凹槽之间固定一根金属线，所有金属线相互平行且等间距排布，在左侧立杆或右侧立杆设置有能够调整立杆偏转角度并自身带有角度刻度的金属半圆仪，上述底部横杆固定在水平电动位移平台上，水平电动位移平台安放在光学平台上； 用于接收透过第二金属线栅的THz波的THz功率计； 上述第一金属线栅与第二金属线栅通过框架连接在一起，第二金属线栅与框架之间为滑动配合或可拆分连接。
【文档编号】G01J9/04GK203981282SQ201420337109
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】张会云, 刘蒙, 张晓 , 孟丽华, 张玉萍 申请人:山东科技大学