[发明专利]基于太赫兹时域谱技术的涡旋波测量系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋波测量系统，包括：飞秒激光器、第一分束镜、产生模块、调制模块、探测模块和控制模块，所述调制模块包括空间光调制器，用于周期性调制涡旋太赫兹脉冲，所述控制模块包括锁相放大器，所述锁相放大器的参考输入端输入所述空间光调制器的调制频率信号，用于锁相放大不同涡旋拓扑荷成分的信号，通过探测模块的扫描延时线完成对各涡旋拓扑荷成分的时域波形扫描。本发明还公开了一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋波测量方法。本发明提供的涡旋波测量系统和方法适用于太赫兹时域谱技术，相比于传统的小孔限制和CCD观测法，具有速度快、精度高、操作简便的效果。

技术领域

本发明涉及太赫兹技术，尤其涉及一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋波的测量系统和方法。

背景技术

太赫兹波是对一个特定频段的电磁波的统称，其谱位在微波和红外线之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。通常指频率范围为0.3～3THz的电磁波，但有时候0.1～10THz范围附近的电磁波也被称为太赫兹波(1THz＝10¹²Hz)。

太赫兹时域谱技术是基于超快光电子学的太赫兹产生和探测方法的新技术，与传统的傅立叶红外变换谱仪相比，太赫兹时域谱技术不但能提供光谱的幅度信息，还能提供相应的相位信息，为太赫兹技术领域的研究和开发提供了很好的基础。

涡旋光束是一类等相位面呈螺旋状的光束。由于螺旋波前位相信息不确定性引起的强度相干相消，涡旋光束中心处的相位无法确定，因此中心处存在一个相位奇点，其界面光强呈环状分布。涡旋光束的重要特征就是光子具有轨道角动量。沿Z轴传播的涡旋光束在柱坐标下可表示为：

E(r,θ,z,t)＝E0(r,θ,z)exp(-iLθ)exp(-ikz)exp(iωt)

其中exp(ilθ)即为相位项，θ为空间方位角,L为角量子数，也称为拓扑电荷数或拓扑荷数，理论上可以取任意整数。拓扑荷数为L的涡旋光束的光子，携带的轨道角动量是(是约化普朗克常量)。因此，涡旋拓扑荷数与光子轨道角动量有关。

通常，涡旋光束检测采用干涉法，将待测光束与平面波或者球面波进行干涉，根据干涉图案判断待测光的涡旋拓扑荷数。这种方法多用于对连续光进行检测，灵敏度不高，且当光束中存在平面波成分或者多拓扑荷成分时，干涉法难以对各成分定量区分。在太赫兹技术中，针对太赫兹时域谱系统，目前测量拓扑荷数的办法是利用小孔限制对波面逐点扫描，但这种方式非常耗时。另外也可使用CCD直接观测波面，但是信噪比很低。且这两种方式都不适合多拓扑荷光束，也不能对各拓扑荷的光束成分进行分析。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够对涡旋太赫兹脉冲多个不同拓扑荷成分的涡旋波进行分析，且测量速度快、精度高的系统和方法。

本发明实施例提供一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，包括：

飞秒激光器，用于提供远红外飞秒激光脉冲；

第一分束镜，用于将远红外飞秒激光脉冲分束为泵浦光脉冲和探测光脉冲；

产生模块，置于泵浦光脉冲光路上，用于产生涡旋太赫兹脉冲；

调制模块，包括空间光调制器，用于周期性调制涡旋太赫兹脉冲的波面；

探测模块，包括扫描延时线和传感器，扫描延时线置于探测光脉冲光路，用于扫描和延长探测光脉冲的飞行时间，传感器置于调制后的涡旋太赫兹脉冲和探测光脉冲的光路聚合处，用于探测涡旋太赫兹脉冲的调制波面的时域信号，并转换为电信号输出；

控制模块，包括控制器和锁相放大器，控制器与空间光调制器电性连接，用于控制空间光调制器的调制频率，锁相放大器的信号输入端与传感器的信号输出端电性连接，用于接收电信号，锁相放大器的参考输入端与控制器电性连接，用于设置锁相放大器的参考频率；