[发明专利]基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法，其中将频率上转换技术应用于太赫兹波段，将太赫兹波转换到例如可见光、近红外等波段进行探测，并通过异步频率变换和脉冲自扫描方式实现太赫兹波的实时探测，可以将单脉冲扫描时间缩短到ms量级，并且在频率转换过程中太赫兹波的频率和相位信息可以通过不同的方式解读出来，且可以将对太赫兹波的探测能力提升到单光子水平。

技术领域

本发明涉及太赫兹光学领域，特别涉及基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法。

背景技术

近年来，太赫兹技术在基础研究方面和应用研究领域，取得了一定的进步和发展，相关的太赫兹成像、波谱技术正在快速发展，太赫兹技术展现的应用前景是广阔而极具吸引力的。太赫兹波具有高穿透性、低光子能量、高带宽等特点。可广泛用于超高速的无线通信系统；表层生物医学成像以及无损检测成像；物质特征光谱识别；人体安全检查成像。目前，对太赫兹波的探测多采用相干探测和非相干探测两种方法，其中相干探测主要为机械延迟取样法；非相干探测主要是利用热释电探测器、高莱盒探测器或者晶体管探测器对太赫兹波的强度进行探测。现有半导体材料探测器探测效率低、噪声大。超导探测器性能优越，但造价昂贵、对工作环境要求严苛。因此，发展新型的太赫兹波段探测方法迫在眉睫。

机械延迟取样可以探测到太赫兹波的频谱相位信息，但需要比较长的取样扫描时间，特别是在需要获取很宽频谱范围太赫兹光谱的情况下，单次光谱测量需覆盖很大的光学延时取样范围，其频谱分辨率的提升依赖于增加扫描时间，而且脉冲太赫兹光源本身的频谱控制精度也非常有限，通常的脉冲式太赫兹光谱技术难以获得高精度太赫兹光谱。使用热释电探测器、高莱盒探测器或者晶体管探测器对太赫兹波进行非相干探测只能探测到太赫兹波的强度，无法描述出太赫兹波的频谱相位信息，限制了太赫兹波的应用场景，且现有常规半导体材料探测器探测灵敏度低、效率低、噪声大。具有高灵敏度的探测器，通常造价昂贵且需要超低温的工作环境，这无疑增加了工作难度。

发明内容

针对现有技术在太赫兹波探测方面存在灵敏度低、无法实时高精度探测的问题，本发明公开了一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置及方法，提出将频率上转换技术应用于太赫兹波段，将太赫兹波转换到例如可见光、近红外等现有技术易于进行探测的波段进行探测，其中通过异步频率变换和脉冲自扫描方式实现太赫兹波的实时探测。本发明基于非线性频率转换技术，结合无需借助机械延迟线即可实现的异步光学采样，实现对太赫兹波的实时探测，其中可以将单脉冲扫描时间缩短到ms量级。并且，在频率转换过程中太赫兹波的频率和相位信息可以通过不同的方式解读出来，且理论上可以将对太赫兹波的探测能力提升到单光子水平。

具体而言，本发明的第一方面涉及一种基于异步频率变换的太赫兹波实时探测装置，其用于探测频率为ω₁且具有第一重复频率f₁的太赫兹波脉冲；

所述太赫兹波实时探测装置包括泵浦光源、第二非线性晶体及探测器，其中：

所述泵浦光源被设置用于输出频率为ω₂且具有第二重复频率f₂的泵浦光脉冲，其中，f₁＝f₂+△f，△f为预设的频率差；

所述第二非线性晶体被设置用于使所述太赫兹波脉冲与所述泵浦光脉冲发生频率上转换，以产生频率为ω₃的和频光；

所述探测器被设置用于对所述和频光进行探测。

进一步地，本发明的太赫兹波实时探测装置还可以包括太赫兹波产生单元，所述太赫兹波产生单元包括第一超短脉冲激光器和太赫兹辐射源，其中：所述第一超短脉冲激光器被设置用于输出具有所述第一重复频率f₁的第一超短激光脉冲；所述太赫兹辐射源被设置用于基于所述第一超短激光脉冲产生所述太赫兹波脉冲。