阅读说明：本技术 太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法 (Single measurement device and method for terahertz polarization information and time domain waveform ) 是由 林庆钢 徐世祥 宋其迎 王弘耿 王宏宇 陆小微 蔡懿 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法,包括：脉冲展宽单元对光源发出的探测超短脉冲进行展宽,生成啁啾探测脉冲,啁啾探测脉冲射入偏振调节单元；偏振调节单元调节啁啾脉冲的偏振方向,获得圆偏振啁啾探测脉冲。合束单元将所要探测的太赫兹脉冲及圆偏振啁啾探测脉冲合束,太赫兹调制单元调制圆偏振啁啾探测脉冲,使太赫兹脉冲波形加载到圆偏振啁啾探测脉冲,获得椭偏啁啾探测脉冲。相位延迟单元将椭偏啁啾探测脉冲相位延迟,接收单元获得入射的椭偏啁啾探测脉冲在某一线偏振方向的干涉光谱,通过对干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理,在单次测量中得到太赫兹脉冲的偏振及时域波形信息,结构简单,不受激光抖动的影响。(The invention discloses a single measurement device and a single measurement method for terahertz polarization information and time domain waveforms, wherein the single measurement device comprises the following steps: the pulse stretching unit stretches the detected ultrashort pulse emitted by the light source to generate a chirp detection pulse, and the chirp detection pulse is transmitted into the polarization adjusting unit; the polarization adjusting unit adjusts the polarization direction of the chirp pulse to obtain a circularly polarized chirp detection pulse. The beam combination unit combines the terahertz pulse to be detected and the circular polarization chirp detection pulse, and the terahertz modulation unit modulates the circular polarization chirp detection pulse to load the terahertz pulse waveform to the circular polarization chirp detection pulse to obtain the elliptic chirp detection pulse. The phase delay unit delays the phase of the ellipsometric chirp detection pulse, the receiving unit obtains an interference spectrum of the incident ellipsometric chirp detection pulse in a certain linear polarization direction, the interference spectrum is subjected to Fourier transform and filtering processing, polarization and time domain waveform information of the terahertz pulse are obtained in single measurement, the structure is simple, and the ellipsometric chirp detection pulse is not influenced by laser jitter.)

太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法

技术领域

本发明涉及涉及太赫兹光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法。

背景技术

太赫兹波是一种频率波段在0.1～10THz的电磁波，位于微波和红外光之间。由于其特殊的波段范围，在1980年以前，太赫兹波的光源和探测技术严重缺乏，因此该波段在当时被称为“太赫兹空白”。但随着超短脉冲技术的发展，太赫兹波的相关产生和探测手段得到了快速发展，太赫兹波的优异特性也越来越受到人们的重视，其优点包括：低光子能量(单光子能量仅meV量级)、高穿透性(对于一些非极性材料)、强吸收性(对于的绝大多数极性材料)等，能够广泛应用于医学成像、安检、光学通讯等领域。

目前，太赫兹脉冲的探测方法包括基于光电导天线的光电导方法、基于电光晶体的线性电光效应的电光采样方法、基于空气等离子体的ABCD方法。但这些方法大多数是局限于对太赫兹脉冲单一偏振信息进行探测，这不仅会丢失部分太赫兹信息，而且也无法对物体偏振相关特性进行探测。例如，手性分子的手性鉴别，电子特性的非接触测量等，因而就出现一些太赫兹偏振探测方法，例如，基于附加正交配置电压的ABCD偏振探测方法，基于转动电光晶体或半波片的电光采样偏振探测方法等。这些方法虽然可以实现对太赫兹脉冲偏振信息进行测量，但是依旧需要利用平移台扫描测量或者转动器件来多次探测，无法实现太赫兹偏振信息单次探测，因而无法对快速变化样品的偏振相关特性进行分析。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法，旨在解决现有技术中单次测量太赫兹偏振信息及时域波形的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置，包括：脉冲展宽单元、偏振调节单元、合束单元、太赫兹调制单元、相位延迟单元与接收单元；

所述脉冲展宽单元，用于将入射的来自光源的探测超短脉冲展宽为啁啾探测脉冲，所述啁啾探测脉冲入射至所述偏振调节单元；

所述偏振调节单元，用于将入射的啁啾探测脉冲的偏振方向调节为圆偏振，得到圆偏振啁啾探测脉冲，所述圆偏振啁啾探测脉冲入射至所述合束单元；

所述合束单元，用于将所要探测的太赫兹脉冲及所述圆偏振啁啾探测脉冲合束，并入射至所述太赫兹调制单元；

所述太赫兹调制单元，用于将入射的所述太赫兹脉冲的信息加载到所述圆偏振啁啾探测脉冲，得到调制后的椭偏啁啾探测脉冲并入射至所述相位延迟单元；

所述相位延迟单元，用于对所述调制后的椭偏啁啾探测脉冲引入双折射相位延迟，将所述调制后的椭偏啁啾探测脉冲分解为三束或四束线偏振啁啾探测脉冲，所述线偏振啁啾探测脉冲入射至所述接收单元；

所述接收单元，用于获得入射的所述线偏振啁啾探测脉冲的干涉光谱，以通过对所述干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理，同时获得太赫兹脉冲的偏振信息及时域波形。

本发明第二方面提供一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量方法，包括：

控制脉冲扩展单元将来自光源的探测超短脉冲展宽为啁啾探测脉冲，所述啁啾探测脉冲入射至所述偏振调节单元；

控制偏振调节单元将入射的啁啾探测脉冲的偏振方向调节为圆偏振，得到圆偏振啁啾探测脉冲，所述得到圆偏振啁啾探测脉冲入射至所述合束单元；

控制合束单元将所要探测的太赫兹脉冲及所述圆偏振啁啾探测脉冲合束，并入射至所述太赫兹调制单元；

控制太赫兹调制单元将入射的所述太赫兹脉冲的信息加载到所述圆偏振啁啾探测脉冲，得到调制后的椭偏啁啾探测脉冲并入射至所述相位延迟单元；

控制相位延迟单元对所述调制后的椭偏啁啾探测脉冲引入双折射相位延迟，将所述调制后的椭偏啁啾探测脉冲分解为三束或四束线偏振啁啾探测脉冲，所述线偏振啁啾探测脉冲入射至所述接收单元；

控制接收单元获得入射的所述线偏振啁啾探测脉冲的干涉光谱，以通过对所述干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理，同时获得太赫兹脉冲的偏振信息及时域波形。

从上述描述可知，利用太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置，并配合太赫兹偏振信息及时域波形单次测量方法，可以在简化系统结构的同时进行测量，在测量过程中不受激光抖动的影响，并且只需单次探测就能够同时得到太赫兹脉冲的偏振及时域波形信息。

附图说明

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。

图1为本发明的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置的结构示意图；

图2为本发明的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置的连接示意图；

图3为本发明提供的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置的实现流程示意图；

图4为本发明的第一实施例的单次测量方法的流程示意图；

100-光源；110-脉冲展宽单元；111-棱镜；120-偏振调节单元；121-第一偏振器；122-四分之一波片；130-合束单元；131-抛物面镜；140-太赫兹调制单元；141-电光晶体；150-相位延迟单元；151-第一双折射晶体；152-第二双折射晶体；153-第二偏振器；160-接收单元；161-光谱仪。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

请参阅图1，为本发明的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置的结构示意图。本实施例中，提供了一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置，包括：脉冲展宽单元110、偏振调节单元120、合束单元130、太赫兹调制单元140、相位延迟单元150与接收单元160；

光源100，可选用掺钛蓝宝石飞秒激光器，输出的超短脉冲为中心波长800nm的飞秒激光，脉宽35fs。

脉冲展宽单元110对光源100发出的探测超短脉冲进行展宽，生成啁啾探测脉冲，啁啾探测脉冲射入偏振调节单元120；偏振调节单元120调节啁啾脉冲的偏振方向，获得圆偏振啁啾探测脉冲。合束单元130将所要探测的太赫兹脉冲及圆偏振啁啾探测脉冲合束，太赫兹调制单元140调制圆偏振啁啾探测脉冲，使整个太赫兹脉冲波形加载到圆偏振啁啾探测脉冲，获得椭偏啁啾探测脉冲。相位延迟单元150将椭偏啁啾探测脉冲进行相位延迟处理，再使用接收单元160获得入射的线偏振啁啾探测脉冲的干涉光谱，通过对干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理，即可在单次测量中同时得到太赫兹脉冲的偏振及时域波形信息。

请参阅图2及图3，图2为本发明的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置的连接示意图；图3为本发明提供的第一实施例的太赫兹偏振信息及时域波形单次测量方法的实现流程示意图。

具体的，脉冲展宽单元110包括两块相对设置的棱镜111，用于将光源100发射的探测超短脉冲展宽为啁啾探测脉冲，并入射到偏振调节单元120。

脉冲展宽单元110，与偏振调节单元120相对设置，可选用两块石英玻璃制备的等腰直角棱镜111，等腰直角棱镜111的直角边长60mm，材质为ZF52。等腰直角棱镜111用来引入材料色散，从而将光源100输出的探测超短脉冲展宽为12ps脉宽的啁啾脉冲，并发射给偏振调节单元120。啁啾脉冲是指频率随时间变化的脉冲，通过利用棱镜对的材料色散，入射的探测脉冲不同频率将携带不同的相位延迟，从而使探测脉冲各个频率成分在时间上错开，变为探测啁啾脉冲。将探测脉冲展宽为啁啾脉冲的目的是为了利用时间-频率映射关系来实现对太赫兹脉冲的单次测量。

具体的，偏振调节单元120包括第一偏振器121与四分之一波片122；

第一偏振器121，用于将入射的啁啾探测脉冲的偏振方向调节为线偏振，得到线偏振探测脉冲，线偏振探测脉冲入射到四分之一波片122；

四分之一波片122，用于将线偏振脉冲的偏振方向调节为圆偏振，得到圆偏振啁啾探测脉冲，圆偏振啁啾探测脉冲入射至太赫兹调制单元140。

第一偏振器121，与四分之一波片122相对设置，可选用格兰激光棱镜111，光轴方向为水平方向，用来将入射啁啾探测脉冲的偏振方向调节为水平线偏振，并发射给四分之一波片122；掺钛蓝宝石飞秒激光器输出的超短脉冲偏振方向已经是水平偏振，第一偏振器121可以避免棱镜对引起的偏振变化。

四分之一波片122，与合束单元130相对设置，可选用800nm的宽带零级四分之一波片122，其快轴或慢轴方向与水平方向呈45o夹角，从而将线偏振的啁啾探测脉冲的偏振方向调节为圆偏振，并发射给合束单元130。

具体的，合束单元130，可选用带小孔的离轴抛物面镜131，探测脉冲通过小孔后发射给太赫兹调整单元，所要探测的太赫兹脉冲通过离轴抛物面镜131反射聚焦后发射给太赫兹调整单元，通过调节离轴抛物面镜131使得探测脉冲与所要探测的超快太赫兹脉冲合束。

可选地，太赫兹调制单元140，应用发电光晶体141为(111)晶面的1mm厚的碲化锌晶体(ZnTe)，其晶向(0-11)设置在竖直方向，利用线性电光效应，将所测超快的太赫兹脉冲调制到探测脉冲上，由于探测脉冲是啁啾脉冲，通过合理的设置啁啾脉冲的啁啾量，将探测脉冲的脉冲范围大于太赫兹脉冲的脉冲范围，使整个太赫兹脉冲波形加载到探测脉冲上，从而实现太赫兹脉冲的单次测量。

线性电光效应是一种二阶非线性效应，没有反演中心的晶体在光电场和低频电场或直流电场的作用下，将引起晶体的双折射相位差，而双折射相位差的大小与低频电场或直流电场大小成正比，在这里太赫兹脉冲充当低频电场或直流电场的作用。由于探测脉冲为啁啾脉冲，根据时间-频率映射关系，不同时刻的太赫兹脉冲将被加载到探测脉冲的不同频率成分上。

具体的，相位延迟单元150包括第一双折射晶体151与第二双折射晶体152；

第一双折射晶体151光轴方向与水平方向呈0度或90度夹角，用于对调制后的圆偏振啁啾探测脉冲在水平和垂直方向提供双折射相位延迟，将调制后的圆偏振啁啾探测脉冲调制为两束相互之间有相位延迟的水平和竖直偏振的线偏振啁啾探测脉冲，并入射至第二双折射晶体152；

第一双折射晶体151，可选用6mm厚的α-BBO晶体，其光轴方向为水平方向，用来对入射的圆偏振的啁啾探测脉冲的水平和竖直分量引入双折射相位差，并发射给第二双折射晶体152；

第二双折射晶体152光轴方向与水平方向呈45度或-45度夹角，用于对两束线偏振啁啾探测脉冲在45度或-45度方向提供双折射相位延迟，将两束线偏振啁啾探测脉冲分解成三束或四束相互之间具有相位延迟的45o偏振或-45o偏振的线偏振啁啾探测脉冲。

第二双折射晶体152，可选用6mm厚的α-BBO晶体，其光轴方向与水平方向呈45o夹角，用来对入射的啁啾探测脉冲的45o和-45o分量引入双折射相位差，并发射给第二偏振器153；

进一步地，相位延迟单元150还包括第二偏振器153，第二偏振器153的偏振方向为水平方向或竖直方向，用于限制线偏振探测脉冲的偏振方向。

第二偏振器153与接收单元160相对设置，可选用格兰激光棱镜111，其光轴方向为水平方向，从而只允许水平方向的探测脉冲通过，并发射给接收单元160。

具体的，接收单元160包括光谱仪161，光谱仪161用于获得入射的线偏振啁啾探测脉冲的干涉光谱，以通过对干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理，同时获得太赫兹脉冲的偏振信息及时域波形。光谱仪161可选光纤光谱仪161，其型号为HR4000。

请参阅图4，图4为本发明的第一实施例的单次测量方法的流程示意图；本实施例中，提供了一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量方法，具体包括：

步骤S110、控制脉冲扩展单元110将来自光源100的探测超短脉冲展宽为啁啾探测脉冲，啁啾探测脉冲入射至偏振调节单元120；

步骤S120、控制偏振调节单元120将入射的啁啾探测脉冲的偏振方向调节为圆偏振，得到圆偏振啁啾探测脉冲，得到圆偏振啁啾探测脉冲入射至合束单元130；

步骤S130、控制合束单元130将所要探测的太赫兹脉冲及圆偏振啁啾探测脉冲合束，并入射至太赫兹调制单元140；

步骤S140、控制太赫兹调制单元140将入射的太赫兹脉冲的信息加载到圆偏振啁啾探测脉冲，得到调制后的椭偏啁啾探测脉冲并入射至相位延迟单元150；

步骤S150、控制相位延迟单元150对调制后的椭偏啁啾探测脉冲引入双折射相位延迟，将调制后的椭偏啁啾探测脉冲分解为三束或四束线偏振啁啾探测脉冲，线偏振啁啾探测脉冲入射至接收单元160；

步骤S160、控制接收单元160获得入射的线偏振啁啾探测脉冲的干涉光谱，以通过对干涉光谱进行傅里叶变换和滤波处理，同时获得太赫兹脉冲的偏振信息及时域波形。

上述的太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量方法中，相位延迟单元150包括光轴方向与水平方向呈0度或90度夹角的第一双折射晶体151、光轴方向与水平方向呈45度或-45度夹角的第二双折射晶体152及第二偏振器153；

则控制相位延迟单元150对调制后的椭偏啁啾探测脉冲引入双折射相位延迟，将调制后的椭偏啁啾探测脉冲分解为三束或四束线偏振啁啾探测脉冲，线偏振啁啾探测脉冲入射至接收单元160，包括：

控制第一折射双晶体对调制后的椭偏啁啾探测脉冲在水平和垂直方向提供双折射相位延迟，将调制后的椭偏啁啾探测脉冲调制为两束相互之间有相位延迟的水平和竖直偏振的线偏振啁啾探测脉冲，并入射至光轴方向与水平方向呈45度或-45度夹角的第二双折射晶体152；

控制第二双折射晶体152对两束线偏振啁啾探测脉冲在45度或-45度方向提供双折射相位延迟，将两束线偏振啁啾探测脉冲分解成三束或四束相互之间具有相位延迟的45o偏振或-45o偏振的线偏振啁啾探测脉冲；

控制第二偏振器153限制线偏振探测脉冲的偏振方向。

为了更清楚的说明太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置的工作原理，下面将从理论方向进行进一步的介绍。

令探测脉冲为(Ex,Ey)，探测脉冲通过脉冲展宽单元110、偏振调节单元120、合束单元130、太赫兹调制单元140后的斯托克斯参量能够表示为：

式中，α为所要探测的太赫兹脉冲偏振方向与(111)晶面碲化锌晶体的(0-11)晶向的夹角，

为所要探测的太赫兹脉冲引起的双折射相位差。由该式可知，探测的太赫兹脉冲的水平分量与S2成正比，竖直分量与S1成正比。而太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置就是用来实现对Eout斯托克斯参量S1与S2进行同时探测。

光谱仪161中得到的探测脉冲的光谱可以表示为：

式中，S₂₃(λ)＝S₂(λ)-iS₃(λ)，arg[S₂₃(λ)]为S₂₃(λ)的幅角，-2πLλ+Φ(λ)为α-BBO晶体引入的双折射相位差，

Φ(λ)＝(φ₀(λ)+2πL)+o(λ)，其中d为晶体厚度，λ₀为探测脉冲中心波长，即800nm，o(λ)为泰勒展开的高阶项。

对(2)式进行逆傅里叶变换可得：

其中，

利用傅里叶变换和滤波处理可以从(3)式中得到S1(λ)和S2(λ)：

式中φ(λ)和S0(λ)可以在无太赫兹脉冲的情况下事先标定。通过获得S1(λ)和S2(λ)，就能够得到太赫兹脉冲水平和竖直分量的时域波形，从而实现对太赫兹脉冲偏振和时域信息的单次测量。

进一步地，太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置的晶体厚度要根据所需探测太赫兹脉冲进行合理选择。晶体厚度选择会影响所能探测的太赫兹脉冲的中心频率和带宽范围，同时也会对所使用的光谱仪161的分辨率的有一定的要求，对应关系分别为(该公式计算当中将光谱的-80dB内的光谱宽度作为光谱范围)：

式中，b为棱镜111对引入的啁啾系数，c为光速，ω0为所要探测的太赫兹脉冲的中心频率，τp为所要探测的太赫兹脉冲的脉宽。

而对于6mm的α-BBO晶体，在探测脉冲条件下，所能探测到的太赫兹脉冲的中心波长和谱宽以及使用的光谱仪161分辨率的要求为：

Δλ≤0.1nm

从上述实施例可知，利用太赫兹偏振信息及时域波形单次测量装置，可以简化系统结构，测量过程不受激光抖动的影响，并且只需单次探测就能够同时得到太赫兹脉冲的偏振及时域波形信息。

本实施例未尽之细节，请参阅前述图1至图4所示实施例的描述，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

需要说明的是，对于前述的各装置及方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种太赫兹偏振信息及时域波形的单次测量装置及方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。