[实用新型]一种激光上转化太赫兹差频源探测系统

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。