[发明专利]一种自由空间太赫兹波源的结构设计方法

说明书

技术领域

一种自由空间太赫兹波源光路结构的设计方法属于光学技术领域，涉及光路设计和微波产生技术。

背景技术

近三十年来，随着半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，与太赫兹辐射相关的THz波技术逐渐成为国际研究的热点。THz辐射通常指的是波长1mm-30μm(300GHz-10THz)区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的THz辐射空隙。随着超快激光技术的发展，稳定、可靠的激发光源以及多种THz辐射脉冲的产生方法的出现，使得THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展。

在上世纪90年代之前，因为缺乏高功率太赫兹源和有效的探测装置，并且水蒸气对太赫兹波有较强的吸收，太赫兹领域的研究受到很大的限制。从二十世纪九十年代中期开始，世界各地政府、企业投入大量经费开展这一领域的研究。美国国家基金会(NSF)、国家航天局州ASA)、国防部(DARPA)和国家卫生学会(NIH)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从20世纪90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入，其重要国家实验室都在开展THz辐射源、材料、检测、传输器件等研究工作。美国IBM等实验室以THz波在电子学、天文学、航空科学和空间科学应用为背景进行研究工作，特别涉及THz波在星际通信、无线通信、雷达成像等方面的应用；数十所著名高校也在从事THz研究工作；已有超过10家企业在THz波相关产品的开发方面取得了进展。2000年以后，欧洲围绕THz波段医疗、通信技术应用的研究非常活跃。英国在2000-2003年开发了1-10THz的广域半导体器件和检波器，接下来又开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用THZ脉冲成像装置，并通过风险企业TeraView取得了产业化进展；英国的Univ.of Cambridge、Univ.of Leeds等十多所大学和研究机构，德国的核物理研究中心(KFZ)、柏林同步辐射源中心(BESSY)等都积极开展THz研究工作；英国的研究人员正在研究THz扫描器的原型机，能够显示出高分辨率皮肤癌症图像，确切反映癌细胞活动和扩散的情况。这项新技术对其他传统的扫描器检测不出的癌症的正确检测率能达到85％。在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、中国的台湾大学和台湾清华大学等都积极开展THz的研究工作。日本于2005年1月8日公布了其10年科技战略规划，提出10项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学等都大力开展THz的研究与开发工作。在2006年召开的国际红外与毫米波-太赫兹会议上，日本报道了THz通信方面的研究工作，在1.5km的距离实现了高速数据传输。与太赫兹相关的研究，如高功率的太赫兹源、太赫兹探测、利用太赫兹进行安全检查、生物检验、化学特征识别、工业检查等迅速开展起来。到目前为止，世界上约有130多个研究机构，陆续开展了本领域的科学研究工作或把研究重心转到THz领域。可见，目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。

发明内容

自由空间太赫兹波源光路结构可以将辐射出的太赫兹波收集利用，再收集和探测，能真正实现太赫兹波的应用如太赫兹波成像和太赫兹波通信等。结构设计方法中产生太赫兹波的光路复杂，需要仔细的调节，且信号非常微弱，加上在空气中易被水汽吸收，因此一般要求将光路置放在真空罩中或者充入氮气的密封罩中。

本方法设计的自由空间太赫兹波源光路结构见附图，1为渥拉斯顿棱镜，2为四分之一波片，3为斩波器，4为锁相放大器，5为延迟线系统，6为抛物面镜，采用Spectra Physics公司的钛：蓝宝石飞秒振荡级飞秒激光器产生的中心波长为780nm，脉冲宽度150fs.重复频率82WHz的飞秒脉冲。采用Newport公司的50338型90°离轴抛物面镜(所谓离轴90°，就是抛物面镜的光轴(中心轴线)与连接抛物面镜中点和焦点的直线之间夹角为90°，相应也有其他角度的离轴抛物面镜)，抛物面投影圆面直径为38mm，镀金，有效焦距为50.8mm，两块(1l0)ZnTe晶体分别作为发射晶体和探测晶体。

光学延迟线、数据采集及控制系统，以及为了非线性效应对光路结构部分的设计如下：