一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统及方法

本申请涉及太赫兹科学的，更具体地说，涉及一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统及方法。

背景技术：

1、多周期窄带太赫兹脉冲是指一种在时域上包含多个完整振荡周期、在频域上对应极窄谱宽的太赫兹电磁波脉冲。多周期窄带太赫兹脉冲在高次谐波产生、超快电子加速、下一代高速无线通信以及高分辨率太赫兹光谱学等前沿领域中发挥着关键作用。

2、目前，现有的多周期太赫兹脉冲系统获取多周期窄带太赫兹脉冲的主要手段包括：啁啾脉冲拍频技术、基于周期极化非线性晶体（如周期极化铌酸锂（periodicallypoled lithium niobate，ppln））的光学整流技术、太赫兹自由电子激光器，以及在宽带太赫兹源后级联带通滤波器件等。

3、但是在啁啾脉冲拍频技术中，由于光路复杂且对空间对准精度要求极高，其产生的太赫兹脉冲周期数量受限于入射光谱的调制深度，从而导致可调谐性较差；而基于周期极化非线性晶体和物理滤波器件受限于固定的制备工艺，器件一旦成型其中心频率便难以改变，缺乏系统灵活性。

4、因此，如何提高多周期太赫兹脉冲产生与探测系统的可调谐性和灵活性，是本申请亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请公开了一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统及方法，旨在实现灵活调控太赫兹脉冲的时域形态，提高多周期太赫兹脉冲产生与探测系统的可调谐性和灵活性。

2、为了实现上述目的，其公开的技术方案如下：

3、本申请第一方面公开了一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统，所述系统依次设置飞秒激光源1、非偏振平板分束镜2、多周期太赫兹脉冲产生光路、太赫兹收集模块和电光探测光路；所述多周期太赫兹脉冲产生光路设置有自旋太赫兹发射器18；

4、所述非偏振平板分束镜2用于将所述飞秒激光源输出的激光脉冲分为产生光和探测光；

5、所述多周期太赫兹脉冲产生光路用于将所述产生光进行级联脉冲复制，得到包含多个子脉冲的脉冲串，并激发所述自旋太赫兹发射器18将所述脉冲串进行处理得到多周期太赫兹脉冲；

6、所述太赫兹收集模块用于将所述多周期太赫兹脉冲引导至所述电光探测光路；

7、所述电光探测光路用于调节所述探测光路的时间延迟，并根据调节后的探测光重构多周期太赫兹脉冲的波形。

8、可选的，所述飞秒激光源的单脉冲能量为9毫焦，波长为800纳米。

9、可选的，所述多周期太赫兹脉冲产生光路包括依次连接的多个脉冲复制单元、斩波器15和扩束系统；

10、所述多个脉冲复制单元用于将所述产生光进行脉冲复制，得到包含多个子脉冲的脉冲串；

11、所述斩波器15用于将所述脉冲串进行调制；

12、所述扩束系统用于将调制后的脉冲串进行扩束。

13、可选的，所述多个脉冲复制单元包括宽带半波片7、宽带偏振分束立方8、延迟线11和偏振分束器12；

14、所述宽带半波片7用于调节激光脉冲的比值；其中，所述比值为p偏振分量和s偏振分量的比值；

15、所述宽带偏振分束立方8用于将调节后的激光脉冲分离为p偏振分量和s偏振分量；

16、所述延迟线11用于调节s偏振分量的光程；其中，所述延迟线11设置在s偏振分量的光路上；

17、所述偏振分束器12用于将调节后的s偏振分量和所述p偏振分量合束，形成包含多个子脉冲的脉冲串。

18、可选的，所述扩束系统包括凹透镜16和凸透镜17；

19、当所述凸透镜17与所述凹透镜16之间的焦距差值等于凹透镜16和凸透镜17之间的实际距离时，所述凹透镜16和所述凸透镜17用于将调制后的脉冲串的发散状态转化为准直状态，以将扩束后的脉冲串直入射于所述自旋太赫兹发射器18。

20、可选的，所述自旋太赫兹发射器18为铁磁体/重金属/衬底结构，所述自旋太赫兹发射器18置于面内磁场中，具体用于产生多周期太赫兹脉冲。

21、可选的，所述宽带半波片7具体用于使所述p偏振分量和所述s偏振分量的比值相等，以使p偏振分量和s偏振分量各自对应的子脉冲能量相等。

22、可选的，所述延迟线11具体用于通过调节线性位移台位置来改变s偏振分量的光程，从而连续调节p偏振分量和s偏振分量各自对应的子脉冲之间的时间延迟。

23、可选的，所述电光探测光路包括延迟线22、电光晶体24、宽带四分之一波片25、渥拉斯顿棱镜26和平衡光电探测器29；

24、所述延迟线22用于将所述探测光路进行时间延迟，并将所述多周期太赫兹脉冲和时间延迟后的探测光路进行共线并进入所述电光晶体24；

25、所述电光晶体24用于将共线后的多周期太赫兹脉冲和时间延迟后的探测光路进行双折射，使探测光路产生椭偏；

26、所述宽带四分之一波片25用于将椭偏的探测光路转换为第一正交线偏光；

27、所述渥拉斯顿棱镜26用于将椭偏的探测光路转换为第二正交线偏光；

28、所述平衡光电探测器29用于通过锁相放大器将所述第一正交线偏光与所述第二正交线偏光进行信号检测。

29、本申请第二方面公开了一种多周期太赫兹脉冲产生与探测方法，所述方法应用于上述第一方面任意一项所述的多周期太赫兹脉冲产生与探测系统，所述方法包括：

30、通过所述非偏振平板分束镜2将所述飞秒激光源1输出的激光脉冲分为产生光和探测光；

31、通过所述多周期太赫兹脉冲产生光路将所述产生光进行级联脉冲复制，得到包含多个子脉冲的脉冲串，并激发所述自旋太赫兹发射器（18）将所述脉冲串进行处理得到多周期太赫兹脉冲；

32、通过所述太赫兹收集模块将所述多周期太赫兹脉冲引导至所述电光探测光路；

33、通过所述电光探测光路调节所述探测光的时间延迟，并根据调节后的探测光重构多周期太赫兹脉冲的波形。

34、经由上述技术方案可知，本申请公开了一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统及方法，通过多周期太赫兹脉冲产生光路对激光脉冲的产生光进行脉冲复制，激发自旋太赫兹发射器，利用其快速线性响应产生具有可调时域间隔的包含多个子脉冲的脉冲串，只要调节多周期太赫兹脉冲产生光路的复制单元内部的相对延时，即可改变子脉冲间隔，从而灵活调制最终太赫兹波形的周期数，得到多周期太赫兹脉冲，多周期窄带太赫兹脉冲在时域上包含多个完整振荡周期、在频域上对应极窄谱宽的太赫兹电磁波脉冲。从根本上突破了“器件定型，即频率固定”的物理限制，实现灵活调控太赫兹脉冲的时域形态，提高多周期太赫兹脉冲产生与探测系统的可调谐性和灵活性。

1.一种多周期太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述系统依次设置飞秒激光源（1）、非偏振平板分束镜（2）、多周期太赫兹脉冲产生光路、太赫兹收集模块和电光探测光路；所述多周期太赫兹脉冲产生光路设置有自旋太赫兹发射器（18）；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞秒激光源的单脉冲能量为9毫焦，波长为800纳米。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多周期太赫兹脉冲产生光路包括依次连接的多个脉冲复制单元、斩波器（15）和扩束系统；

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述多个脉冲复制单元包括宽带半波片（7）、宽带偏振分束立方（8）、延迟线（11）和偏振分束器（12）；

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述扩束系统包括凹透镜（16）和凸透镜（17）；

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述自旋太赫兹发射器（18）为铁磁体/重金属/衬底结构，所述自旋太赫兹发射器（18）置于面内磁场中，具体用于产生多周期太赫兹脉冲。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述宽带半波片（7）具体用于使所述p偏振分量和所述s偏振分量的比值相等，以使p偏振分量和s偏振分量各自对应的子脉冲能量相等。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述延迟线（11）具体用于通过调节线性位移台位置来改变s偏振分量的光程，从而连续调节p偏振分量和s偏振分量各自对应的子脉冲之间的时间延迟。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电光探测光路包括延迟线（22）、电光晶体（24）、宽带四分之一波片（25）、渥拉斯顿棱镜（26）和平衡光电探测器（29）；

10.一种多周期太赫兹脉冲产生与探测方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1至9任意一项所述的多周期太赫兹脉冲产生与探测系统，所述方法包括：