利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统和方法

1.本发明涉及太赫兹波探测领域及流体力学领域，具体而言，涉及一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统和方法。


背景技术：

2.近几年，随着太赫兹探测技术的发展，大量的研究成果已经证明电光晶体、光电导天线和气体均是良好的太赫兹探测技术。随着利用空气的三阶非线性效应性质探测太赫兹技术的愈发成熟，人们开始将目光转向液态水探测太赫兹。液态水具有比空气更高的损伤阈值和更低的电离激发阈值，并且具有更高的响应灵敏度。然而现阶段阻碍液体作为太赫兹探测技术的因素主要是由于液体不具备电光晶体固体探测材料的二阶非线性效应，且液体是各向同性的。此外，液体的不稳定性和对太赫兹波的强吸收性也极大地影响了液体对太赫兹波的响应，利用液体探测太赫兹波的系统会引入很大的噪声，从而大大降低信噪比。因此保持液体的稳定性是当前太赫兹探测亟需解决的问题。
3.液态水探测太赫兹技术在近期被提出并被实验证实，此外，相较于纯水，离子溶液在太赫兹辐射下会电离出更多的电子，从而增强太赫兹电场强度，因此测得的太赫兹强度会比纯水测得的大得多。而纳米颗粒具有重要的科学研究价值，它搭起了大块物质和原子、分子之间的桥梁。大块物质的物理性质通常与大小无关，但是在纳米尺寸上却通常并非如此。目前观测到了一些特殊的物理性质，例如：半导体纳米颗粒的量子束缚，一些金属纳米颗粒的表面等离子体共振(surface plasmon resonance)，磁性材料的超顺磁性。相对于宏观颗粒材料，纳米颗粒的高表面积与体积比可导致其特性的显著改变。而且，相比于颗粒较大的溶质，纳米颗粒可以更好地与溶剂分子相结合，能够使得探测到的太赫兹强度更大。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明提供一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统和方法，用以探测高强度宽带太赫兹波。
5.由于液态水或者溶液在三阶非线性过程中表现出了很强的响应，水、各种离子溶液、酒精等均具有很强的三阶非线性效应，为液体应用于太赫兹探测提供了理论基础。本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液探测太赫兹波的系统就是利用金属纳米颗粒溶液对太赫兹波的强度进行探测，尤其适用于太赫兹波场强介于0.3～14.9mv/cm之间的太赫兹波的探测。
6.本发明利用金属纳米颗粒溶液相干探测强太赫兹所具有的损伤阈值高、电离阈值低且持续性强的特点，提供的利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统和方法，在相干探测和非相干探测领域中都具有极高的灵敏度和空间分辨能力，更适宜于等离子体通道的常规测量。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫
兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器、分光镜、光参量放大器、斩波器、dast有机晶体、太赫兹滤波片、第一离轴打孔抛物面反射镜、平面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、bbo倍频晶体、介质探测装置、凸透镜、400nm滤波片和光电倍增管，其中：
8.所述激光器用于发射800nm水平偏振激光光束，800nm水平偏振激光光束经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光：所述泵浦光通过所述光参量放大器后输出波长为1550nm的激光，波长为1550nm的激光再经过所述斩波器调制后通过所述dast有机晶体产生强太赫兹波，所述强太赫兹波依次经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，之后再经由所述第一离轴打孔抛物面反射镜聚焦至所述介质探测装置；所述探测光依次经所述平面反射镜及所述第二离轴抛物面反射镜反射聚焦后，再经过所述bbo倍频晶体与所述强太赫兹波共线聚焦在所述介质探测装置上；
9.其中，所述第一离轴打孔抛物面反射镜的焦距为2英寸，所述第二离轴抛物面反射镜的焦距为4英寸；所述介质探测装置利用金属纳米颗粒溶液产生液体膜或液体柱，所述强太赫兹波与所述探测光共同聚焦在所述介质探测装置上产生四波混频效应，之后再经过所述凸透镜汇聚成一束平行光束，所述平行光束通过所述400nm滤波片滤除800nm的光束后，进入所述光电倍增管探测宽带强太赫兹波信号。
10.在本发明一实施例中，其中，所述介质探测装置为一液体膜产生装置，用于产生所述液体膜，其包括：恒压泵、第一出水连接管、第一液体池、第二出水连接管、节流阀、第三出水连接管、液体膜形成装置、第二液体池、进水连接管，其中，所述第一出水连接管连接在所述恒压泵与所述第一液体池之间，所述第二出水连接管连接在所述第一液体池与所述节流阀之间，所述第三出水连接管连接在所述节流阀与所述液体膜形成装置之间，所述进水连接管连接在所述第二液体池与所述恒压泵之间；
11.其中，所述恒压泵用于抽取所述第二液体池中的金属纳米颗粒溶液并对其增压，所述第一液体池用于贮存金属纳米颗粒溶液，所述流量调节阀用于调节金属纳米颗粒溶液的流速，所述液体膜形成装置由两根竖直向下且相距5mm的细金属丝构成，由所述第三出水连接管流出的金属纳米颗粒溶液导入两根细金属丝之间，在重力和液体的张力的作用下，两根细金属丝之间形成流动的液体膜，从所述液体膜形成装置流出的金属纳米颗粒溶液回流至所述第二液体池。
12.在本发明一实施例中，其中，所述液体膜的厚度大于等于90微米且小于等于110微米。
13.在本发明一实施例中，其中，所述介质探测装置为一液体柱产生装置，用于产生所述液体柱，其包括：液体池、第一连接管、恒压泵、第二连接管和针管喷头，其中，所述第一连接管连接在所述液体池与所述恒压泵之间，所述第二连接管连接在所述恒压泵与所述针管喷头之间，所述恒压泵用于抽取所述液体池中的金属纳米颗粒溶液并对其增压，所述针管喷头的出口处为直径大于等于0.1mm且小于等于0.2mm的圆孔。
14.在本发明一实施例中，其中，所述液体膜为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体膜，所述液体柱为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体柱。
15.在本发明一实施例中，其中，所述金属纳米颗粒溶液是由金属纳米颗粒与蒸馏水混合而成，金属纳米颗粒的浓度大于等于10％且小于等于90％。
16.在本发明一实施例中，其中，所述金属纳米颗粒中的金属为金、铂、银、铜、铁、钴、
镍、钛或钨。
17.在本发明一实施例中，其中，所述激光器为飞秒激光器，所述斩波器的频率大于等于100hz且小于等于300hz；经由所述dast有机晶体所产生的强太赫兹波电场强度大于等于0.3mv/cm且小于等于14.9mv/cm；由所述第一离轴打孔抛物面反射镜反射的所述强太赫兹波与所述介质探测装置所在平面的夹角大于等于80
°
且小于等于100
°
。
18.在本发明一实施例中，其中，所述恒压泵为额定功率为5w的微型自吸蠕动泵。
19.为达到上述目的，本发明还提供了一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的方法，其包括以下步骤：
20.步骤s1：由所述激光器发射800nm水平偏振激光光束；
21.步骤s2：800nm水平偏振激光光束经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光；
22.步骤s3：所述泵浦光通过所述光参量放大器后输出波长为1550nm的激光，通过所述dast有机晶体，基于光整流法产生强太赫兹波，所述强太赫兹波依次经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，之后再经由所述第一离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述介质探测装置产生的液体膜或液体柱；
23.步骤s4：所述探测光依次经过所述平面反射镜及所述第二离轴抛物面反射镜后，再经过所述bbo倍频晶体产生400nm的光束，最后与所述强太赫兹波共同聚焦于所述液体膜或液体柱上，在所述液体膜或液体柱处由于四波混频效应产生由强太赫兹波诱导的二次谐波；
24.步骤s5：所述二次谐波经由所述凸透镜汇聚成一束平行光束，所述平行光束通过所述400nm滤波片滤除800nm的光束后，以所述光电倍增管作为太赫兹波探测器对高强度宽带太赫兹波进行相干探测。
25.本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液探测宽带强太赫兹波的系统和方法。与现有技术相比，创新地应用金属纳米颗粒溶液产生液体膜或液体柱，继而相干探测太赫兹波，其产生效率高、系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，弥补了现阶段宽带强太赫兹波液态水介质探测技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)；
28.图2为本发明中的液体膜产生装置的结构示意图；
29.图3为本发明中的液体柱产生装置的结构示意图。
30.附图标记说明：1-激光器；2-分光镜；3-光参量放大器；4-斩波器；5-dast有机晶体；6-太赫兹滤波片；7-第一离轴打孔抛物面反射镜；8-平面反射镜；9-第二离轴抛物面反射镜；10-bbo倍频晶体；11-介质探测装置；12-凸透镜；13-400nm滤波片；14-光电倍增管；101-恒压泵；102-第一出水连接管；103-第一液体池；104-第二出水连接管；105-节流阀；
106-第三出水连接管；107-液体膜形成装置；108-第二液体池；109-进水连接管；201-液体池；202-第一连接管；203-恒压泵；204-第二连接管；205-针管喷头。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.图1为本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)，如图1所示，本实施例提供了一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统，其包括依次设置在光路上的激光器(1)、分光镜(2)、光参量放大器(3)、斩波器(4)、dast有机晶体(5)、太赫兹滤波片(6)、第一离轴打孔抛物面反射镜(7)、平面反射镜(8)、第二离轴抛物面反射镜(9)、bbo倍频晶体(10)、介质探测装置(11)、凸透镜(12)、400nm滤波片(13)和光电倍增管(14)，其中：
33.激光器(1)用于发射800nm水平偏振激光光束，800nm水平偏振激光光束经过分光镜(2)分出一束泵浦光和一束探测光：所述泵浦光通过光参量放大器(3)后输出波长为1550nm的激光，波长为1550nm的激光再经过斩波器(4)调制后通过dast有机晶体(5)产生强太赫兹波，所述强太赫兹波依次经过太赫兹滤波片(6)滤除杂散光，之后再经由第一离轴打孔抛物面反射镜(7)聚焦至介质探测装置(11)；所述探测光依次经平面反射镜(8)及第二离轴抛物面反射镜(9)反射聚焦后，再经过bbo倍频晶体(10)与所述强太赫兹波共线聚焦在介质探测装置(11)上；其中，第一离轴打孔抛物面反射镜(7)的焦距为2英寸，第二离轴抛物面反射镜(9)的焦距为4英寸；
34.介质探测装置(11)利用金属纳米颗粒溶液产生液体膜或液体柱，所述强太赫兹波与所述探测光共同聚焦在所述介质探测装置上产生四波混频效应；其中，金属纳米颗粒溶液是由金属纳米颗粒与蒸馏水混合而成，金属纳米颗粒的浓度介于10％～90％之间(大于等于10％且小于等于90％)，金属纳米颗粒中的金属例如可以为金、铂、银、铜、铁、钴、镍、钛或钨。介质探测装置(11)产生的液体膜为竖直向下，并且液体膜为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体膜。介质探测装置(11)产生的液体柱同样为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体柱。
35.所述强太赫兹波与所述探测光通过所述液体膜或液体柱聚焦产生四波混频效应之后，再经过凸透镜(12)汇聚成一束平行光束，所述平行光束通过400nm滤波片(13)滤除800nm的光束后，只有400nm的光束通过，最后进入光电倍增管(14)对太赫兹强度进行探测，以光电倍增管(14)作为太赫兹波探测器对高强度宽带太赫兹波进行相干探测。
36.图2为本发明中的液体膜产生装置的结构示意图，当介质探测装置(11)用于产生液体膜时，介质探测装置(11)为一液体膜产生装置，其结构如图2所示，其包括：恒压泵(101)、第一出水连接管(102)、第一液体池(103)、第二出水连接管(104)、节流阀(105)、第三出水连接管(106)、液体膜形成装置(107)、第二液体池(108)、进水连接管(109)，其中，第一出水连接管(102)连接在恒压泵(101)与第一液体池(103)之间，第二出水连接管(104)连接在第一液体池(103)与节流阀(105)之间，第三出水连接管(106)连接在节流阀(105)与液
体膜形成装置(107)之间，进水连接管(109)连接在第二液体池(108)与恒压泵(101)之间；
37.其中，恒压泵(101)用于抽取第二液体池(108)中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，第一液体池(103)用于贮存金属纳米颗粒溶液，流量调节阀(105)用于调节金属纳米颗粒溶液的流速，液体膜形成装置(107)由两根竖直向下且相距5mm的细金属丝构成，由第三出水连接管(106)流出的金属纳米颗粒溶液导入两根细金属丝之间，在重力和液体的张力的作用下，两根细金属丝之间形成流动的液体膜，从液体膜形成装置(107)流出的金属纳米颗粒溶液回流至第二液体池(108)。
38.在本实施例中，其中，所述液体膜的厚度介于90微米～110微米之间(大于等于90微米且小于等于110微米)，液体膜应为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体膜，以保证系统的稳定性。
39.图3为本发明中的液体柱产生装置的结构示意图，当介质探测装置(11)用于产生液体柱时，介质探测装置(11)为一液体柱产生装置，其结构如图3所示，其包括：液体池(201)、第一连接管(202)、恒压泵(203)、第二连接管(204)和针管喷头(205)，其中，第一连接管(202)连接在液体池(201)与恒压泵(203)之间，第二连接管(204)连接在恒压泵(203)与针管喷头(205)之间，恒压泵(203)用于抽取液体池(201)中的金属纳米颗粒溶液并对其进行增压，针管喷头(205)的出口处为直径介于0.1mm～0.2mm之间(大于等于0.1mm且小于等于0.2mm)的圆孔。
40.在本实施例中，第二出水连接管(104)为孔径6mm～8mm的乳胶软管，第一出水连接管(102)、第三出水连接管(106)、进水连接管(109)、第一连接管(202)及第二连接管(204)均为孔径2.5～4.5mm的pvc乳胶软管。在其他实施例中，上述连接管的尺寸均可以做进一步调整，以适应实际需要，本发明不对其进行限定。
41.在本实施例中，第一液体池(103)、第二液体池(108)及液体池(201)中的液体均为金属纳米颗粒溶液。
42.本实施例中，其中，激光器(1)可以为飞秒激光器，斩波器(3)的频率可以介于100～300hz之间(大于等于100hz且小于等于300hz)，恒压泵(101和203)可以为额定功率为5w的微型自吸蠕动泵。
43.在本实施例中，其中，经由dast有机晶体(5)所产生的强太赫兹波电场强度(亦为场强)介于0.3～14.9mv/cm之间(大于等于0.3mv/cm且小于等于14.9mv/cm)，属于较强的太赫兹源。
44.在本实施例中，其中，由第一离轴打孔抛物面反射镜(7)反射的太赫兹波与介质探测装置(11)所在平面的夹角介于80
°
～100
°
之间(大于等于80
°
且小于等于100
°
)。
45.本发明还提供了一种利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的方法，其可通过例如图1所示的系统实现，其包括以下步骤：
46.步骤s1：由所述激光器发射800nm水平偏振激光光束；
47.步骤s2：800nm水平偏振激光光束经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光；
48.步骤s3：所述泵浦光通过所述光参量放大器后输出波长为1550nm的激光，通过所述dast有机晶体，基于光整流法产生强太赫兹波，所述强太赫兹波依次经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，之后再经由所述第一离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述介质探测装置产生的液体膜或液体柱；
49.步骤s4：所述探测光依次经过所述平面反射镜及所述第二离轴抛物面反射镜后，再经过所述bbo倍频晶体产生400nm的光束，最后与所述强太赫兹波共同聚焦于所述液体膜或液体柱上，在所述液体膜或液体柱处由于四波混频效应产生由强太赫兹波诱导的二次谐波，可用于相干探测高强度宽带太赫兹波；
50.步骤s5：所述二次谐波经由所述凸透镜汇聚成一束平行光束，所述平行光束通过所述400nm滤波片滤除800nm的光束后，只保留400nm的光束通过，由所述光电倍增管对太赫兹强度进行探测，以所述光电倍增管作为太赫兹波探测器对高强度宽带太赫兹波进行相干探测。
51.需要说明的是，本发明中所提及的“光”、“光束”等信号光均在同一水平面内传播，也即图1中的任意两个元件之间的信号光均在同一水平面内，产生的太赫兹波也于同一水平面内接收。
52.本发明提供的利用金属纳米颗粒溶液相干探测宽带强太赫兹波的系统和方法，创新地应用金属纳米颗粒溶液产生液体膜和液体柱，继而相干探测太赫兹波，其探测效率高、系统构成简单、建置成本低、容易维护、稳定性高，弥补了目前利用金属纳米颗粒相干探测高强度宽带太赫兹波技术领域的空白，具有较强的科研及实际应用价值。
53.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
54.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。