[发明专利]一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置

说明书

本发明公开了一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置，其特征在于，包括飞秒激光光源、波片以及拓扑绝缘体，所述飞秒激光光源用于发射飞秒激光，飞秒激光依次透射所述波片和所述拓扑绝缘体，产生太赫兹波，所述波片的角度α和所述拓扑绝缘体的方位角能够改变，实现太赫兹波的线偏振态、椭圆偏振态或圆偏振态可调。本发明构成简单、可以依据需求任意调节、性能牢固可靠、可以小型化、能够实用的满足各方面对于偏振调节的需求。

技术领域

本发明属于太赫兹与超快光学领域，特别涉及一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置。

背景技术

太赫兹波段处于低能量的电子学和高能量的光子学之间的过渡频带，这是最后一段被人类了解和认识的电磁波波段，也是目前公认的具备优良特性的电磁波段。太赫兹辐射的产生、传输、调控和探测构成了太赫兹这门新兴科学的关键技术，人们对于太赫兹波偏振态的研究在高速宽带通信、国防安全、医疗诊断、新型材料研发等多个领域具有重要的应用价值。然而现在典型的强太赫兹源像光导天线的太赫兹辐射源、有机晶体和大孔径光导天线产生的太赫兹辐射大多是线偏振的脉冲信号，同时由于大多数强太赫兹源多为脉冲源，脉冲信号偏振得特殊性致使太赫兹偏振操控器件的研究和发展仍然相对滞后，高效、小型、可控偏振态的太赫兹器件仍然十分匮乏。已报道的太赫兹波偏振调控器件性能远未达到太赫兹系统应用所需要的指标。

因此有必要结合现有的研究成果，发掘和研究太赫兹波偏振态调控结构和体系，实现对太赫兹波偏振态的快速、高效的调控。目前实现太赫兹偏振控制的方案主要有以下几种：

1)利用空间光调制器实现任意偏振的太赫兹产生，本方法利用空间光调制器实现任意偏振的太赫兹产生，空间光调制器是一种可以实现任意调控输出激光脉冲的瞬时偏振态和强度的设备。通过调控泵浦激光的偏振态和瞬时强度，由非线性晶体的对称性，可以实现以规定的方式操纵太赫兹波的电场矢量的幅度和方向。这种方法产生的太赫兹波拥有最高的灵活性，能够产生各种研究所需的太赫兹波样式，但是空间光调制器造价高昂，实现起来极为复杂，目前仍处于实验室阶段，离商业化应用仍存在较大距离；而且空间光调制器的泵浦激光功率受到很大的限制，泵浦功率的限制致使产生太赫兹波的功率也难以有效提高。

2)双泵浦激发非线性晶体产生偏振可调谐的太赫兹辐射源，本方法是利用对两个时间分离的光泵浦脉冲在非线性晶体中进行光学整流，以实现对两个光脉冲的相对时间延迟和极化的控制，从而可以进一步实现对THz波椭圆率的调控。但是这种圆偏振的产生方法需要使用偏振片，而偏振片的使用会使产生的太赫兹波在物理基底原理上造成大幅削弱，这让本来难以提高的太赫兹辐射功率更加难以满足要求。

3)双色场实现的偏振可调谐等离子体源，本方法首先利用800nm和400nm激光的共同作用在空气中产生空气等离子体，而后通过分别调控800nm和400nm激光的相关相位差和等离子体丝的长度，来实现所需方位角和椭圆率的偏振太赫兹脉冲的产生。但是该方法有三个很大的问题，首先是等离子体的效率很低，在使用非常高的泵浦激光后其产生太赫兹波的强度依旧不高，当瞬时功率增加到10¹⁵W之后，会出现饱和现象；其次，等离子体丝的长度是由泵浦激光的输入功率决定，而等离子体丝的长度直接决定了产生太赫兹波的椭圆率，这直接限制了泵浦激光的输入功率大小。最重要的是，由高能激光激发出的等离子体极不稳定，这使得该种方案离商用化成熟的器件还有太远的路要走。

4)基于磁性材料双泵浦的偏振可调谐太赫兹辐射源，本方法基于磁性材料双泵浦的偏振可调谐太赫兹辐射源，在反铁磁材料例如像NiO晶体中，特定偏振态的单束飞秒激光脉冲会在反铁磁材料晶体中激发拉曼型非线性光学效应，进而可以实现通过操控泵浦飞秒激光来对反铁磁材料单晶中纵磁化矢量运动的操控。本方法虽然灵活性很高，产生的太赫兹辐射源可以满足凝聚态物理，生物手性分子的研究，但是很难继续加大功率，对于应用到信息与通信工程行业的帮助不大。

发明内容