专利摘要
本实用新型公开了一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态测量系统，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。本实用新型提供的涡旋波测量系统用于太赫兹时域谱技术，相比于传统的小孔限制和CCD观测，具有速度快、精度高、操作简便的效果。
权利要求
1.一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，其特征在于，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，用于将所述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，置于所述泵浦光脉冲光路上，用于产生涡旋太赫兹脉冲；
调制模块，包括空间光调制器，用于周期性调制所述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，所述扫描延时线置于所述探测光脉冲光路，用于扫描和延长所述探测光脉冲的飞行时间，所述传感器置于所述调制后的涡旋太赫兹脉冲和所述探测光脉冲的光路聚合处，用于探测所述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，所述控制器与所述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，所述锁相放大器的信号输入端与所述传感器的信号输出端电性连接，用于接收所述电信号，所述锁相放大器的参考输入端与所述控制器电性连接，以设置锁相放大器的参考频率；
所述锁相放大器的参考频率设置为所述控制器调制频率的L倍时，所述锁相放大器输出拓扑荷为L的涡旋太赫兹脉冲时域信号。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，其特征在于，所述空间光调制器为薄片，所述薄片由太赫兹光的不透明材料制成，所述薄片沿中心处设有缺口，所述涡旋太赫兹脉冲正入射至所述薄片，所述薄片中心与所述涡旋太赫兹脉冲的光束中心重合。
3.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，其特征在于，所述产生模块包括第一光束控制元件、太赫兹源器件、滤波片和S波片，所述泵浦光脉冲经所述第一光束控制元件会聚于所述太赫兹源器件，所述太赫兹源器件受所述泵浦光脉冲激发产生太赫兹脉冲，所述滤波片用于滤除剩余的泵浦光，所述S波片用于调制太赫兹脉冲使其成为涡旋太赫兹脉冲。
4.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，其特征在于，所述调制模块还包括第二光束控制元件，用于控制所述涡旋太赫兹脉冲聚焦或准直。
5.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，其特征在于，所述传感器包括电光晶体、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光二极管探测器和电路组件，所述探测光脉冲经过由涡旋太赫兹脉冲调制的电光晶体，再经过1/4波片，沃拉斯顿棱镜，得到偏振方向相互垂直的两束光，由光二极管探测器探测并经电路组件差分输出。
说明书
技术领域
本实用新型涉及太赫兹领域，尤其是一种基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统。
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＝10
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。
实用新型内容
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。
本实用新型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；
锁相放大器的参考频率设置为所述控制器调制频率的L倍时，锁相放大器的输出即为拓扑荷为L的涡旋太赫兹脉冲时域信号。
优选地，空间光调制器为薄片，薄片由太赫兹光的不透明材料制成，薄片沿中心处设有缺口，太赫兹脉冲正入射至所述薄片，薄片中心与太赫兹脉冲的光束中心重合，薄片可绕中心轴旋转，其旋转频率由所述控制器控制。
优选地，产生模块包括光束控制元件、太赫兹源器件、滤波片和S波片，泵浦光脉冲经光束控制元件会聚于太赫兹源器件，太赫兹源器件受泵浦光脉冲激发产生太赫兹脉冲，滤波片用于滤除剩余的泵浦光，S波片用于调制太赫兹脉冲使其成为涡旋太赫兹脉冲。
优选地，调制模块还包括太赫兹缩束元件，用于将所述涡旋太赫兹脉冲缩束，以使整个涡旋太赫兹脉冲波面落入所述空间光调制器内。
优选地，传感器包括电光晶体、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光二极管探测器和电路组件，探测光脉冲经过由涡旋太赫兹脉冲调制的电光晶体，再经过1/4波片，沃拉斯顿棱镜，得到偏振方向相互垂直的两束光，由光二极管探测器探测并经电路组件差分输出。
本实用新型的有益效果是：
根据上述的太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统，通过使用具极坐标图形的空间光调制器，对涡旋太赫兹脉冲的波面进行调制，配合锁相放大器的锁相分离与放大原理，从调制后的涡旋太赫兹脉冲分离出相关信号，即是以参考频率与空间光调制频率谐波次数相关联的涡旋拓扑荷态的时域信号。这样的系统可以测量任何形态的涡旋拓扑荷成分，包括其振幅和相位信息，且其精度不受探测器影响，而是由空间光调制器的设计形状决定，其测量速度远远大于传统的小孔限制法的测量速度，且更加精确。
附图说明
图1是本实用新型实施例的一种系统模块示意图；
图2是本实用新型实施例的一种光路结构示意图；
图3是本实用新型实施例的一种空间光调制器的平面结构示意图。
图中标号表示：
1.激光器；2.第一分束镜；3.探测光脉冲；4.泵浦光脉冲；5.涡旋太赫兹脉冲；6.调制后的涡旋太赫兹脉冲；7.远红外飞秒激光脉冲；13.缺口；20.产生模块；30.调制模块；40.探测模块；50.控制模块；31.第一抛物面镜；32.第二抛物面镜；33.空间光调制器；34.样品；41.扫描延时线；42.传感器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例的系统模块示意图。本发明第一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1，用于提供远红外飞秒激光脉冲7；第一分束镜2，用于将远红外飞秒激光脉冲分束为泵浦光脉冲4和探测光脉冲3；产生模块20，用于产生涡旋太赫兹脉冲5；调制模块30，用于用于周期性调制涡旋太赫兹脉冲5的波面；探测模块40，用于扫描和延长探测光脉冲3的飞行时间；控制模块 50，用于控制空间光调制器的调制频率，进而对光脉冲进行调制。
其中，红外飞秒激光脉冲7的激光脉冲时间宽度在飞秒(10
第一分束镜2将远红外飞秒激光脉冲分束为泵浦光脉冲4和探测光脉冲3，泵浦光脉冲 4用于产生太赫兹光，探测光脉冲3用于探测。且当泵浦光脉冲4和探测光脉冲3经过聚合于探测模块40时，泵浦光脉冲4和探测光脉冲3的光路长度，即系统要求两个脉冲的飞行时间严格相等。产生模块20，置于泵浦光脉冲4的光路上，以对泵浦光脉冲4进行响应并产生涡旋太赫兹脉冲5。
在其他实施例中，产生模块20可包括光束控制元件、太赫兹源器件、滤波片和S波片，泵浦光脉冲4经光束控制元件汇聚于太赫兹源器件，太赫兹源器件受泵浦光脉冲4激发产生太赫兹脉冲，滤波片用于滤除剩余的泵浦光脉冲4，S波片用于调制太赫兹脉冲使其成为涡旋太赫兹脉冲5。其中，太赫兹源器件可以选光电导天线或电光晶体等。
请一并参阅图2，图2是本发明第二实施例的光路结构示意图。调制模块30，用于进行周期性调制涡旋太赫兹脉冲5的波面。如图2所示，调制模块30包括空间光调制器33、第一抛物面镜31、第二抛物面镜32，以及样品34。第一抛物面镜31和第二抛物面镜32用于对太赫兹光的波面进行控制，比如对涡旋太赫兹脉冲进行聚焦或准直，使得太赫兹脉冲的波面落在空间光调制器33的调制范围内，或者聚焦使太赫兹脉冲与样品34充分作用。
由于太赫兹波的波长远远小于实验室光学器件的尺寸，比如，1THz的太赫兹波的波长是 0.3mm，一般光学器件的尺寸在3～5cm之间，因此可以把太赫兹波当成普通光波控制，比如可以选择表面涂有金属薄层的抛物面镜作为光束控制元件，如图2所示，第一抛物面镜31 和第二抛物面镜32，其中第一抛物面镜31对太赫兹脉冲进行聚焦，使太赫兹脉冲5穿透空间光调制器33，于样品34处汇聚。太赫兹脉冲5与样品34相互作用后，被第二抛物面镜 32再次聚焦，会聚在传感器42处。
在其他实施例中，调制模块30可包括太赫兹透镜或是其他光束控制元件，以调制太赫兹波面，改变光束形状。如图2中所示，涡旋太赫兹脉冲5与样品34作用后，光束内各涡旋拓扑荷成分会发生变化，通过本发明实施例所提供的测量系统，可以检测这些变化，包括各涡旋拓扑荷成分的时域波形的变化和相位的变化，通过Kramer-Kronig关系式，可以获得样品34的各太赫兹光学参数。
如图2所示，探测模块40包括扫描延时线41和传感器42，其中扫描延时线41设置于探测光脉冲3的光路上，用于扫描和延长探测光脉冲3的飞行时间。由于泵浦光脉冲4要经过调制模块以及与样品34相互作用，其到达传感器42的飞行时间较长，为了使探测光脉冲 3能够与泵浦光脉冲4同时到达传感器42，需要对探测光脉冲的光路进行延长，增加该路脉冲光的飞行时间。另外，基于太赫兹谱技术的相干原理，为了测量所产生的太赫兹脉冲的整个时域电场，探测光脉冲3要在原来的基础上，通过步进电机或者其他方式控制，使其飞行时间扫描式的增加或较少，以使能够完整探测太赫兹脉冲时域波形。传感器42置于调制后的涡旋太赫兹脉冲6和探测光脉冲3的光路聚合处，用于探测调制后的涡旋太赫兹脉冲6的时域信号，并转换为电信号输出给控制模块50。
在其他实施例中，优选地，传感器42可以包括电光晶体、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光二极管探测器和电路组件。探测光脉冲3电光晶体，再经过1/4波片，沃拉斯顿棱镜，得到偏振方向相互垂直的两束光，由光二极管探测器探测并经电路组件差分输出。在另外一些实施例中，传感器42可以包括光电导天线、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光二极管探测器和电路组件。
在本实施例中，控制模块50，包括控制器和锁相放大器，控制器与空间光调制器33电性连接，用于控制空间光调制器33的调制频率，锁相放大器的信号输入端与传感器42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；
当控制器控制空间光调制器33以频率f转动，含有各种涡旋成分的太赫兹脉冲的波面被调制，探测到的信号是太赫兹脉冲透过空间调制器圆盘缺口的部分波面信号，且因为空间光调制器旋转导致缺口位置发生周期性移动，探测到的波面信号也会相应发生周期性变化。当锁相放大器的参考频率设置为控制器调制频率f时，锁相放大器对信号端波形进行锁相后，输出波形是在输入信号中以f频次出现的信号，是涡旋为零的平面波信号；当锁相放大器的参考频率设置为控制器调制频率f的L倍时，锁相放大器对信号端波形进行锁相后，输出波形是在输入信号中以f·L频次出现的信号，由于涡旋光束拓扑荷相位按照极坐标周期分布，这部分信号即为拓扑荷数为L的太赫兹脉冲涡旋信号，配合延时扫描线41的扫描探测，只要改变L的数值大小，则涡旋太赫兹脉冲中所有拓扑荷成分的时域波形都可以得到，并且还能得到相位信息。拓扑荷数L的涡旋波的相位曲线斜率与拓扑荷符号有关，斜率为正表示拓扑荷为正，反之为负。
请参阅图3，图3是本发明第二实施例的的空间光调制器的平面结构示意图。如图3所示，空间光调制器33为圆形薄片。
这种调制器薄片由太赫兹光的不透明材料制成，比如金属，本实施例采用金属铝。由于涡旋光束的等相位面呈立体螺旋结构，在光束横截面中，其相位按极坐标变化，因此，为了提取同一个拓扑荷的光束信号，在薄片沿中心处设有缺口13，缺口13关于极坐标对称。在该实施例中，使用两块薄片，每块薄片都有一个半圆镂空，两片薄片在中心处绞合连接，转动其中一个薄片，空间光调制器的开口角度发生变化，如此，可进行缺口角度调节，以适应不同的光强和测量精度要求。本实施例中，缺口角度可设置为30度，用于探测低阶拓扑荷数的涡旋光时域波形，当探测高阶拓扑荷的涡旋光时，需要将缺口角度设置为较小的数值，具体视探测的拓扑荷数而定。由于图2所示的涡旋太赫兹脉冲5正入射至空间光调制器薄片，为了测量准确，要求薄片中心与太赫兹脉冲的光束中心重合。测量时，选定一个缺口角度大小，把空间光调制器固定在一个支架上，由控制器控制空间光调制器绕圆盘中心轴均速旋转，转动频率由控制器设置。在其他一些实施例中，空间光调制器可以为其他形状。
本发明实施例的测试对太赫兹脉冲光中的平面波或球面波成分不响应，当空间光调制器薄片的中心与涡旋光奇点不重合时，或太赫兹脉冲光强对奇点分布不对称，测量结果会存在一个本底信号。
一般地，在柱坐标系下，一束单频拓扑荷数为L的涡旋光可表示为：
E(r,θ,z,t)＝E0(r,θ,z)exp(-iLθ)exp(-ikz)exp(iωt)
当存在多种频率成分，每种频率成分存在不同拓扑荷数的成分时，涡旋光束可表示为：
E(r,θ,z,t)＝∫∫E0(r,θ,z)exp(-iLθ)exp(-ikz)exp(iωt)dLdω
由于θ取值范围为0～2π，可视为以2π为周期的周期函数，因此L具有离散的整数取值，即L＝0、1、2、3、4、…(L＝0表示该光束中的非涡旋光成分)
基于太赫兹时域谱技术的探测原理，本发明提出的涡旋波探测方法，可实现对特定拓扑荷数L的涡旋光分量进行探测，且有效滤除其他涡旋光成分或非涡旋光成分，通过一次简单的延时扫描，上述的涡旋光束表达式为：
E(r,θ,z,t)＝∫E0(r,θ,z)exp(-iLθ+θ0(ω))exp(-ikz)exp(iωt)dω
这里θ0(ω)是频率为ω、拓扑荷数为L的涡旋成分所对应的相位差。对此波形进行傅立叶变换，即可得到具有拓扑荷数L的光束中，不同的频率成分。
和现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益效果是：
可实现对涡旋太赫兹脉冲中各种拓扑荷数的涡旋光成分进行检测，特别针对于存在平面波、球面波成分或者包含多拓扑荷数涡旋光成分的复杂光束，能够准确定量的给出各种成分的相对强度和相对相位，对于太赫兹光谱分析和相关基础研究的开展具有重要的应用价值。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
基于太赫兹时域谱技术的涡旋拓扑荷态的测量系统专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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