删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测

本站小编 Free考研考试/2021-12-29
摘要:利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate, DAST)晶体, 通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测. 高效生成了近红外上转换光, 采集到其脉冲包络和光谱, 获得了ns量级的时间分辨率, 并换算太赫兹波的频率, 实现了对太赫兹信息的全面表征. 与商用高莱探测器相比, 上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级; 在可探测频率3.15—29.82 THz范围内, 响应度普遍高2—3个数量级. 结果表明: 室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器, 极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围, 使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.
关键词: 太赫兹探测/
非线性光学/
有机非线性晶体/
频率上转换

English Abstract


全文HTML

--> --> -->
1.引　言
太赫兹波段因独特的电磁波谱位置, 具有广阔的应用前景, 受到各国政府和科研机构的广泛关注[1]. 低成本、高性能的相干波源和探测器是太赫兹应用领域发展的基础. 当前的太赫兹探测方法主要有: 电子学方法(如场效应管探测器[2])、热方法(测辐射热计Bolometer、气动高莱探测器和热释电探测器等)、量子方法(如量子点半导体探测器[3])和光学方法. 光学探测方法包括: 用于时域光谱系统的光电导/电光采样[4], 以及针对准单色波的非线性光学频率上转换方法[5]. 频率上转换探测方法, 可以看作差频产生[6]的逆过程, 通过太赫兹波与激光在非线性晶体中相互作用, 将信息加载到新生成的近红外光(上转换光), 利用成熟的光学探测器, 从频域高度重叠的热背景中, 实现对相干太赫兹信号的高效提取.
该方法最早由美国里海大学课题组[7-9]于2006年实现, 他们利用GaSe, GaP和ZnGeP2晶体实现了对差频产生的太赫兹脉冲的探测, 捕获了脉冲宽度ns量级的上转换光信号, 最小可探测太赫兹脉冲能量为亚nJ量级. 2011年, 美国麻省理工大学课题组[10]利用周期反转GaAs晶体实现了对返波管BWO输出的连续太赫兹波的上转换探测, 并利用高性能的盖革计数器代替普通p-i-n二极管, 获得噪声等效功率78 fW/Hz0.5. 日本理化研究所RIKEN课题组[11,12]自2008年和2010年先后报道基于LiNbO3和有机DAST晶体的太赫兹脉冲探测, 且其长期系统性工作引领了世界范围内太赫兹上转换探测领域的发展水平. LiNbO3晶体主要用于3 THz以下频段[13-16], DAST晶体主要用于3—30 THz频段. 2014年他们利用DAST晶体在普通p-i-n二极管室温下实现了与液氦冷却Bolometer相当的探测灵敏度[17], 利用雪崩光电二极管APD并通过噪声抑制, 将灵敏度再提高2个数量级[18], 利用同步双光栅克服了商用滤波片无法兼顾高光密度和大范围调谐的局限, 实现了1.85—30.00 THz的宽频段探测[19]. 2015年他们以该有源系统为基础, 实现了太赫兹实时成像[20]. 国内方面, 华中科技大学于2010年报道了LiNbO3非共线相位匹配探测的稳态和瞬态模型[21,22], 并于2013年在实验中获得了上转换光信号[23].
本文报道了基于激光泵浦国产DAST晶体的室温、高灵敏、宽频段太赫兹上转换探测, 实现了对太赫兹波脉宽、频率和能量信息的全面表征, 比较了上转换方法与商用热探测的灵敏度和频率响应特性. 结果表明: 室温下的光泵频率上转换探测方法极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围, 将促进差频源在太赫兹波谱分析等领域的应用.
2.实验装置
激光泵浦DAST晶体太赫兹频率上转换探测系统如图1所示. 倍频Nd:YAG激光器输出532 nm绿光脉冲(10 ns, 10 Hz), 经过隔离器ISO, 由偏振分束立方体PBS分为两束, 分别泵浦两路反射式光学参量振荡器(OPO). 其中一路为双KTiOPO4(KTP)晶体组成的OPO, 图中KTP 1与KTP 2的尺寸为10 mm × 7 mm × 20 mm, 切角θ分别为65°和60°, φ = 0°, 产生1.3—1.6 μm的双波长闲频光, 用于太赫兹差频产生(称为“差频光”); 另一路为单KTP晶体(图中KTP3, 10 mm × 7 mm × 20 mm, θ = 65°, φ = 0°)组成的OPO, 产生1.3 μm附近的单波长闲频光, 用于频率上转换探测(称为“探测光”). 差频光经透镜聚焦至发射晶体DAST 1, 产生频率可调的单色太赫兹波, 由Ge基红外长通滤光片LP滤除差频光, 经过一对抛物面镜准直并聚焦, 与探测光合束进入探测晶体DAST 2, 产生波长更长的近红外上转换光, 经带通滤光片组BP滤除探测光, 利用InGaAs光电二极管PD(或光谱仪)间接实现相干太赫兹探测. 用于太赫兹波发射与探测的有机晶体由中国电科46所生长[24], 通光孔径不小于3 mm, DAST 1与DAST 2的厚度分别为1.10 mm和0.36 mm.
图 1 基于DAST晶体太赫兹上转换探测系统示意图
Figure1. Schematic diagram of THz-wave up-conversion detection based on DAST crystals.

3.测量结果
利用光电二极管PD获得上转换光的典型(非饱和)信号如图2实线, 脉冲宽度约2 ns(差频光与探测光脉宽分别为3.6 ns和4.6 ns). 当遮住太赫兹波, 只有探测光照射晶体DAST 2时, PD的响应如图2虚线, 本底幅值低于1 mV, 说明图2实线的脉冲响应全部为探测过程新生成的上转换光(差频光已被LP滤除).
图 2 太赫兹上转换探测光电二极管响应信号
Figure2. The up-converted signal acquired by a photo-diode.

在PD响应达到饱和的情况下, 利用光谱仪测量上转换光的波长如图3所示. 此时, OPO产生的探测光与差频光波长分别为1276.5, 1354.5 和 1481.9 nm (图3中从左至右3个幅值较高的波长). 幅值较低的波长为新生成的上转换光 (1390.1 nm). 当有、无太赫兹波照射探测晶体DAST 2时, 输出光谱的比较如图3插图. 根据一对差频光波长计算太赫兹波频率为19.04 THz, 根据探测光与上转换光波长计算其频率为19.21 THz, 误差为0.17 THz, 相对误差小于1%.
图 3 上转换探测过程中探测光、差频光及上转换光光谱
Figure3. Spectra of the detection light, dual-wavelength lights and up-converted light.

对上转换方法探测灵敏度的测量结果如图4, 测量频点为19.04 THz, 探测光波长1356.42 nm(KTP 3正入射), 脉冲能量0.68 mJ, 利用衰减片组改变待测太赫兹能量. 其中衰减倍率30%(右数第二个“+”)对应能量下, 商用高莱探测器(室温下最灵敏的热探测器)的响应幅值与噪声基线宽度相当(如图4插图). 进一步衰减, 肉眼将无法分辨, 须使用锁相放大器等提取信号. 此时, 由上转换方法获得的PD响应幅值为700 mV, 继续衰减4个数量级仍可以观察到响应. 同样为室温运转, 上转换方法的最小能量分辨能力较高莱探测器优4个数量级.
图 4 不同太赫兹能量下的上转换探测响应幅值, 插图为在相应的太赫兹能量下商用高莱探测器的响应幅值
Figure4. Relationship between THz input energy and photo-diode output. Inset: the output of a Golay Cell at the corresponding THz energy.

上转换探测的频率响应特性如图5所示. 保持产生路与探测路OPO的泵浦绿光能量不变(5.15和4.86 mJ), 旋转晶体KTP2, 改变太赫兹波频率(差频光能量0.52 mJ@19 THz, 0.57 mJ@4.3 THz); 固定晶体KTP 3, 根据需要更换带通滤光片组. 四组通带宽度50 nm的滤光片共同覆盖探测频段3.15—29.82 THz. 同等条件下, 高莱探测器获得的DAST 1晶体差频发射曲线如图5所示.
图 5 上转换与热探测获得的差频调谐曲线
Figure5. Tuning curves of THz-wave difference frequency generation obtained with up-conversion (squares) and thermal detection (circles).

针对图5说明如下: 第一, 受滤光片通带边沿陡度的限制, 更低的探测频率下(3 THz以内)光噪声增大导致上转换探测分辨能力下降; 第二, 在部分强发射频点处PD的输出达到饱和(约9 V), 此时对上转换光能量衰减再换算得到其响应值; 第三, 上转换方法在8.00—9.13 THz频率处存在探测“漏洞”, 原因在于DAST晶体(a轴)在8.4 THz处存在强吸收峰, 吸收强度与1.1 THz处的强峰相当[25]; 第四, 同等条件下, 上转换探测的响应度普遍较高莱探测器高2—3个数量级(DAST晶体的吸收峰除外).
4.分析和讨论
与此前关于DAST晶体太赫兹频率上转换探测的结果[12,17-19]相比, 本文报道了探测过程生成上转换光谱的测量. 在低重复频率脉冲运转方式下, 利用单模光纤耦合采集到上转换光的谱线, 说明上转换过程的效率很高. 该光谱信息的获得能够间接表征待测太赫兹波长, 换算结果在误差允许范围内.
从频率响应的测量情况来看, 图5与文献[19]中图7曲线在整体趋势上是接近的, 频率覆盖率和动态范围有所提高. 本文的具体实验方法和条件略有不同: 一方面, 施加的激光脉冲能量更高; 另一方面, 带通滤光片组较文献[19]中双光栅的滤光损耗更低. 图5中上转换探测的最大动态范围达到了5个数量级, 高于此前的3.3个数量级. 频率覆盖率方面, 文献[19]中的调谐曲线存在多处间断, 包括9 THz和2—23 THz处的较大间断; 本文实现了3.15—29.82 THz频段(除8.4 THz强吸收峰外)全覆盖, 对其余吸收峰频点(如5.0, 12.5, 15.0和17.0 THz)都获得了响应, 特别对20—22 THz频段的响应相对高. 在此前关于DAST晶体调谐谱的报道中(包括直接探测[26-28]和上转换探测[19]), 20—22 THz一直是DAST晶体的“发射空白”, 原因在于该频段为晶体的吸收带[29]. 根据我们推导的理论模型[5]分析, 随晶体对太赫兹波的吸收增大, 上转换效率和探测响应度降低. 该频段的吸收系数整体较大, 但与吸收峰位置相比系数值较小, 因此本实验对20—22 THz频段的响应获得了明显的提升. 针对3 THz以下低频段, 可借鉴文献[19]的方法, 配合使用衍射光栅和滤光片等分光元件, 进一步扩展上转换探测的频率下限.
此外, 本系统较室温高莱探测器的分辨能力高4个数量级(图4), 与文献[17,18]普通p-i-n二极管探测水平相当. 利用光电倍增管和雪崩光电二极管等放大探测器, 将进一步提高弱光信号的分辨能力. 因此, 频率上转换方法的探测性能还有很大的提升空间.
5.结　论
本文利用激光泵浦国产有机DAST晶体通过非线性频率上转换方法, 实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测. 获得了ns量级的时间分辨, 并能够换算太赫兹波的频率信息, 探测灵敏度较室温最灵敏的商用热探测器高4个数量级, 可探测频率覆盖3.15—29.82 THz. 对于同一套DAST晶体差频太赫兹源, 光泵频率上转换方法将传统热探测器获得的动态范围普遍提高了2—3个数量级, 使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.
相关话题/信号 光学 测量 光谱 激光
  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效，10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材，产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频，无论您是考研复习、考证刷题，还是考前冲刺等，不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    考试优惠券 本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 基于标准样品回归算法和腔增强光谱的NO<sub>2</sub>检测方法
    摘要:腔增强吸收光谱技术作为一种高灵敏的痕量气体测量技术,其吸收光谱的浓度反演是极其关键的环节.为消除因吸收截面和仪器响应函数的不确定性引入的测量误差,本文提出了一种基于标准样品吸收光谱的浓度回归算法,该方法在浓度反演过程上进行优化,采用标准气体样品吸收光谱直接拟合未知浓度气体吸收光谱.采用中心波长 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 特丁基对苯二酚的光谱及密度泛函研究
    摘要:特丁基对苯二酚是重要的食品抗氧化剂.理论上,基于密度泛函理论,采用B3LYP泛函及6-311G(d,p)基组在气相环境下优化分子的结构并进行频率计算.在此基础上,基于含时密度泛函理论,选用SMD(solvationmodelbasedondensity)溶剂模型,利用B3LYP泛函并结合def ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于各向异性晶体的光学微分运算
    摘要:光学微分运算是边缘图像的光学检测核心原理,与传统的数字图像处理方法相比,具有效率高、结构简单且无需考虑算法和功耗等优点.本文提出一种基于各向异性晶体的光学微分运算装置,用定制的晶体片实现光的空间分化,从而实现多角谱分量下的全方位边缘成像.本文中的方案需要将光束的左右旋圆偏振分量横向分离,再对中 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 一种基于多重散射的光学Hash函数
    摘要:本文提出了一种基于光与多重散射介质相互作用的光学Hash函数构造方法.该方法创新性地利用多重散射介质对相干调制光的天然随机散射作用,实现了对调制光的“混淆”和“扩散”,从而满足了Hash函数的核心功能要求:高安全强度的单向编码/加密.所设计的光电混合系统能有效地模拟Hash函数中的“压缩函数” ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响
    摘要:石墨烯作为一种新型非线性光学材料,在光子学领域具有重要的应用前景,引起研究人员的极大兴趣.本文运用量子化学计算方法研究了边界引入碳碳双键(C=C)和掺杂环硼氮烷(B3N3)环对石墨烯量子点非线性光学性质和紫外-可见吸收光谱的影响.研究发现,扶手椅边界上引入C=C双键后,六角形石墨烯量子点分子结 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 激光诱导击穿光谱技术结合神经网络和支持向量机算法的人参产地快速识别研究
    摘要:利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法,对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别,建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型.实验采集了5个产地人参共657组在200—975nm的激光诱导击穿光谱,经光谱数据预处理后,对 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量
    摘要:重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究
    摘要:为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 脉冲激光沉积无氢钨掺杂类金刚石膜的摩擦与机械性能
    摘要:采用脉冲激光沉积技术制备出无氢钨掺杂非晶态类金刚石膜.膜中的钨含量与靶材中的钨含量保持稳定的线性关系,显示了脉冲激光沉积在难熔金属掺杂技术方面的亮点.由于碳-钨结构的形成和表面粗糙度影响,膜层的干摩擦系数随着钨含量的增加显现出先减后增的趋势,钨含量为9.67at.%时达到最低值0.091.钨含 ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 高激光损伤阈值Ge-As-S硫系玻璃光纤及中红外超连续谱产生
    摘要:测量了Ge-As-S系列硫系玻璃在中红外波段的飞秒激光损伤阈值,研究了它与玻璃化学组成的关系.基于优化的玻璃组成,采用棒管法制备了芯径为15μm的阶跃折射率非线性光纤.采用飞秒脉冲抽运光纤,研究了光纤中超连续谱(supercontinuum,SC)的产生特性.在研究的Ge-As-S硫系玻璃中, ...
    中科院物理研究所 本站小编 Free考研考试 2021-12-29

Free考研考试FreeKaoYan.Com
欢迎来到Free考研考试，"为实现人生的Free而奋斗"

© 2020 FreeKaoYan! . All rights reserved.