等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法技术方案

一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法，该系统包括双晶体光参量振荡器、基于DAST晶体的差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中，一束激光入射到双晶体光参量振荡器，经过光学参量振荡，输出两个频率相近且可调的闲频光作为差频时需要的双波长，在差频单元的DAST晶体中差频并输出超宽带的太赫兹波，该太赫兹波穿透等离子体产生单元产生的等离子体而进入探测器中。本发明专利技术采用基于有机晶体的非线性频率变换差频方法大大拓展了目前太赫兹研究的可测量频率范围(0‑20THz)，能够在超宽的调谐范围内研究等离子体对太赫兹波的影响。

Ultra wide band terahertz spectrum measurement system and method for plasma covered target

【技术实现步骤摘要】
等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法
本专利技术涉及太赫兹光谱探测
，尤其涉及一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法。
技术介绍
太赫兹(THz)波具有广泛性、瞬态性、低能性、宽带性等特点，能够广泛应用于光谱学、生物探测、质量控制、卫星通讯等领域。而在某些太赫兹探测环境中会存在等离子体层，由此对探测过程产生影响，因此太赫兹波的传输过程中针对等离子体影响的研究有重大意义。然而针对太赫兹探测中有关等离子体的研究还很少有报道，并且目前产生太赫兹波的方法仍无法满足应用所需的宽频谱要求，成为制约太赫兹发展的主要因素。此外，在研究过程中还发现激光产生等离子体的尺寸相比于太赫兹光斑的尺寸过小，难以起到对太赫兹波探测目标物的遮挡的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：作为本专利技术的一个方面，提供了一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；差频单元，包含DAST晶体，以所述双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在所述DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被所述差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；探测单元，对穿透等离子体后的所述太赫兹波进行测量。其中，所述双晶体光参量振荡器包括选通反射镜、全反射镜和位于所述选通反射镜和全反射镜之间的相同的两块非线性晶体；所述激光通过选通反射镜入射至所述选通反射镜和全反射镜之间形成的振荡腔内，通过所述两块非线性晶体分别泵浦产生的两束闲频光在所述振荡腔内形成激光振荡，并通过所述选通反射镜输出；其中至少一块所述非线性晶体能够旋转而使泵浦光转化为频率可调的闲频光。其中，所述差频单元还包括谐波镜和聚焦透镜，经所述谐波镜滤波后的两束闲频光，通过所述聚焦透镜聚焦在所述DAST晶体上；所述差频是基于DAST晶体的0类相位匹配。其中，所述等离子产生单元包括石英管以及双环电极，所述石英管内通入气体，所述双环电极包裹于石英管外壁，所述等离子体自所述石英管喷流输出。其中，所述等离子产生单元的石英管采用鸭嘴型喷口结构。其中，所述探测单元采用高莱探测器。其中，所述超宽带太赫兹光谱测量系统还包括倍频单元，用于倍频输出所述激光至双晶体光参量振荡器。其中，所述倍频单元包括激光器、非线性晶体以及分束镜，由所述激光器发射的激光入射到所述非线性晶体上，在所述非线性晶体中进行相位匹配而完成倍频，倍频后的激光通过所述分束镜输出。其中，所述非线性晶体为KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体或KTA晶体。作为本专利技术的另一方面，提供了一种使用如上所述的超宽带太赫兹光谱测量系统进行测量的方法，包括以下步骤：将一束激光入射到双晶体光参量振荡器内，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；将双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光入射到差频单元，在所述差频单元的DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；使所述太赫兹波穿透等离子体产生单元基于介质阻挡放电原理产生的等离子体后，入射到探测单元进行测量；其中，入射至所述双晶体光参量振荡器内的激光优选为通过倍频单元倍频产生。基于上述技术方案，本专利技术的等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)本专利技术利用双晶体光参量振荡器泵浦有机晶体DAST辐射超宽带太赫兹波，穿透等离子体后通过探测单元对太赫兹波进行探测，由此得以在超宽的调谐范围内研究等离子体对太赫兹波的影响。(2)本专利技术是在一般扫频太赫兹光谱系统的基础上，采用基于有机晶体的非线性频率变换差频方法大大拓展了目前太赫兹研究的可测量频率范围(0-20THz)，提供更宽的频率选择窗口。整体光谱测量系统的太赫兹波脉冲输出能量达到1μJ，测量信噪比达到32dB，光谱获取时间小于1分钟。(3)本专利技术的等离子体产生单元在非均匀等离子体产生方法上采用基于介质阻挡放电原理的，在石英管中通入惰性气体并在管壁外包裹铜质环电极形成双环结构的大气压等离子体射流装置，克服了激光产生等离子体的尺寸远小于太赫兹光斑尺寸以及目标物几何尺寸的问题。(4)本专利技术的等离子体产生单元产生的等离子体状态为喷流形式，不同于传统的介质阻挡放电将等离子体限制在放电间隙中，能够使等离子体与高压电极分开，增加了安全性；并且，在喷口位置采用鸭嘴型喷口设计，以获得等离子体射流长度在20mm以上，最大宽度达到5-6mm左右，等离子体的电子密度1013cm-3左右且喷口外的电子密度沿着径向也可看作高斯分布，完全实现对太赫兹光斑以及目标物的全覆盖。附图说明图1为本专利技术中超宽带太赫兹光谱测量系统结构示意图；图2为本专利技术中非均匀等离子体产生装置示意图。上述附图中，附图标记含义如下：1-激光器；2-KTP晶体；3-分束镜；4-选通反射镜；5-KTP晶体；6-KTP晶体；7-全反射镜；8-谐波镜；9-聚焦透镜；10-DAST晶体；11-THz聚焦透镜；12-高莱探测器；13-惰性气体；14-石英管；15-铜质环电极；16-鸭嘴型喷口；17-等离子体射流区域；18-电压源。其中，1、2、3组成倍频单元，4、5、6、7组成双晶体光参量振荡器，8、9、10组成基于DAST晶体的差频单元，13、14、15、16、17、18组成等离子体产生单元。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术涉及到实验室环境下非均匀等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，用于非均匀等离子体及覆盖目标的超宽带太赫兹光谱探测。特别是超宽带太赫兹辐射源的设计，利用非线性频率变换差频的方法基于有机晶体产生太赫兹波辐射具有室温下工作、窄线宽、无阈值限制、调谐范围宽等优势，具有超宽带调谐频率范围达到0-20THz，利用介质阻挡放电技术获得气体喷流非均匀等离子体，能够有效、稳定的覆盖所需目标物，从而实现室温环境下的非均匀等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量。具体地，本专利技术提供了一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；差频单元，包含DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐)晶体，以双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：/n双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；/n差频单元，包含DAST晶体，以所述双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在所述DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；/n等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被所述差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；/n探测单元，对穿透等离子体后的所述太赫兹波进行测量。/n

【技术特征摘要】
20181129 CN 20181145197271.一种等离子体覆盖目标的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，包括双晶体光参量振荡器、差频单元、等离子体产生单元和探测单元，其中：
双晶体光参量振荡器，以一束激光为泵浦光，分别产生两束不同波长的闲频光，且至少一束闲频光的频率可调谐；
差频单元，包含DAST晶体，以所述双晶体光参量振荡器输出的两束闲频光作为泵浦光，在所述DAST晶体内差频产生可调谐的太赫兹波；
等离子体产生单元，基于介质阻挡放电原理产生等离子体，产生的等离子体位于能被所述差频单元输出的太赫兹波穿透的位置；
探测单元，对穿透等离子体后的所述太赫兹波进行测量。


2.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述双晶体光参量振荡器包括选通反射镜、全反射镜和位于所述选通反射镜和全反射镜之间的相同的两块非线性晶体；
所述激光通过选通反射镜入射至所述选通反射镜和全反射镜之间形成的振荡腔内，通过所述两块非线性晶体分别泵浦产生的两束闲频光在所述振荡腔内形成激光振荡，并通过所述选通反射镜输出；
其中至少一块所述非线性晶体能够旋转而使泵浦光转化为频率可调的闲频光。


3.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述差频单元还包括谐波镜和聚焦透镜，经所述谐波镜滤波后的两束闲频光，通过所述聚焦透镜聚焦在所述DAST晶体上；
所述差频是基于DAST晶体的0类相位匹配。


4.根据权利要求1所述的超宽带太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述等离子产生单元包括石英管...

【专利技术属性】
技术研发人员：李吉宁，耿兴宁，徐德刚，范小礼，刘畅，钟凯，王与烨，姚建铨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12