[发明专利]一种测试太赫兹横波和纵波相位动态变化的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及相位检测技术，特别涉及一种测试太赫兹（THz）横波和纵波相位动态变化的方法和装置。

背景技术

随着一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，并在国内外掀起一股THz研究热潮。太赫兹波是频率在0.1到10 THz范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，在生物检测、安全检测、通信技术等科学领域有着巨大的应用价值。

波动按照质点的振动方向与波的传播方向的关系分为横波和纵波两类。横波，也称“凹凸波”，其特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。横波在传播过程中，凡是波传到的地方，每个质点都在自己的平衡位置附近振动。实质上，横波的传播是由于媒质内部发生剪切变形（即是媒质各层之间发生平行于这些层的相对移动）并产生使体元恢复原状的剪切弹性力而实现的。

纵波，亦称“疏密波”，其特点是质点的振动方向与传播方向同轴的波。纵波的传播过程是沿着波前进的方向出现疏密不同的部分。纵波在传播过程中，凡是波传到的地方，每个质点都在各自的平衡位置附近重复地振动，波沿着水平方向传播。实质上，纵波的传播是由于介质中各体元发生压缩和拉伸的变形，并产生使体元回复原状的纵向弹性力而实现的。

1890年，法国物理学家 Louis Georges Gouy发现通过焦点的电磁波将获得一个额外的轴向正负180°相移。这一相位变化的发现，对整个电磁波谱有着重要的影响。古依相移假定菲涅耳惠更斯小波来自一个主前波解释了二次相位超前；在曲面镜激光腔的古依相移解释了不同横向模式的共振频率差异；在非线性光学中，古依相移可以大大减少聚焦光束谐波畸变的概率。除此以外，它还是导致在真空中相速度超过一个平面光波的重要原因。

但是，若想直接观察太赫兹波的相位变化，不仅需要精确的计算，实验装置的调节也非常繁琐。基于这些实验上的种种不便捷性，目前还没有简洁的实验装置用于直接测试太赫兹横波和纵波的相位动态变化。本发明专利提出了一种利用不同晶向的碲化锌晶体在不同位置探测太赫兹信号，通过这一系列的太赫兹时域信号可直接观测太赫兹横波和纵波相位动态变化的方法，装置简单，容易操作。

发明内容

本发明是针对目前无法直观地观察横波和纵波相位动态变化问题，提出了一种测试太赫兹横波和纵波相位动态变化的方法和装置，以一束超快激光脉冲通过太赫兹波产生系统，产生太赫兹波，太赫兹波信号和另一束超快激光脉冲聚焦一起到碲化锌晶体上，利用碲化锌晶体在不同位置探测太赫兹信号，通过这一系列的太赫兹时域信号来观测太赫兹波的相位变化。其中，选择<110>晶向的碲化锌晶体探测太赫兹横波成分，选择<100>晶向的碲化锌晶体探测太赫兹纵波成分，即通过更换不同晶向的碲化锌晶体即可实现分别测试太赫兹横波和纵波相位动态变化的功能。

本发明的技术方案为：一种测试太赫兹横波和纵波相位动态变化的方法，激光光源发出的激光脉冲通过分束片后，反射光作为泵浦光束进入太赫兹波产生系统用于辐射太赫兹波，另一部分透射光作为探测光束实现对太赫兹波的探测；反射激光即泵浦光经第五反射镜反射后进入太赫兹波产生系统，辐射出的发散状太赫兹波经离轴抛物面镜收集后变成平行的太赫兹波，然后经过离轴抛物面镜反射并聚焦到碲化锌晶体上；透射激光即探测光依次经过第一反射镜、光学延迟、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜，然后通过聚焦系统，与经离轴抛物面镜聚焦的太赫兹波焦点重合，并同时打到碲化锌晶体上；探测光束通过碲化锌晶体后依次经过第二聚焦透镜、1/4波片和渥拉斯通棱镜后分为偏振相互垂直的两束光，两束光分别打到光电二极管探头上，光电二极管探头的强度之差正比于太赫兹波的电场强度；再通过扫描泵浦光束和探测光束的时间延时即可实现太赫兹波时域信号的差分探测；分别使用通过<110>和<100>晶向面的二块碲化锌晶体，来分别探测横波和纵波的电场强度；在太赫兹波焦点前后范围内通过调节一维电机前后移动碲化锌晶体的位置，每间隔相同距离测太赫兹信号，根据测得的一系列太赫兹时域信号观察出太赫兹横波或纵波的相位动态变化。

所述离轴抛物面镜为打孔离轴抛物面镜，聚焦系统为第一聚焦透镜，与打孔离轴抛物面镜共焦，且碲化锌晶体放置于它们的共同焦点处。

所述聚焦系统依次包括第一聚焦透镜、第六反射镜、硅片，探测光经过聚焦系统聚焦到碲化锌晶体上，与经离轴抛物面镜聚焦的太赫兹波焦点重合，并同时打到碲化锌晶体上。