一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器的制作方法

1.本技术涉及太赫兹频段测量技术领域，尤其涉及一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器。


背景技术：

2.当前基于电子学方法的太赫兹源包括耿氏振荡器、量子级联激光器、自由电子激光器等，都能够产生中心频率在太赫兹频段的连续波信号。为了能够较好地与探测器件相匹配，通常希望太赫兹连续波信号具有小发散角和高斯型的能量分布，但实际太赫兹源自身难以产生完美的信号。通过在太赫兹传播路径中加入透镜或反射镜能够实现小发散角，类似于喇叭天线的器件能够通过设计实现高斯型信号输出，但是能够工作在太赫兹频段的该类器件的加工非常困难。而且喇叭天线通常只能输出某一个较窄频率范围的信号，难以满足太赫兹宽带信号的要求。所以，亟待设计一种宽频带的高斯型空间滤波器，以大幅提高太赫兹信号的质量。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器，以解决现有相关技术滤波器输出某一个较窄频率范围的信号，难以满足太赫兹宽带信号的要求的问题。
4.本技术实施例采用下述技术方案，本技术实施例提供一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器，包括：用于将入射的太赫兹信号汇聚在信号聚集点的入射透镜、用于对太赫兹信号进行空间滤波的滤波光阑、用于将汇聚在所述信号聚集点的太赫兹信号辐射出去的出射透镜和夹具，所述入射透镜、滤波光阑、出射透镜均安装在夹具上；所述入射透镜入射光表面为球面，所述入射透镜出射光表面为平面；所述出射透镜入射光表面为平面，所述出射透镜出射光表面为球面；所述滤波光阑安装在入射透镜出射光表面和出射透镜入射光表面之间。
5.进一步地，所述入射透镜、出射透镜表面抛光。
6.进一步地，所述入射透镜、出射透镜与所述夹具接触的两侧设置用于安装固定的外延结构。
7.进一步地，所述滤波光阑的中心位置与所述信号聚集点重合。
8.进一步地，所述滤波光阑的中心位置为圆形镂空结构，且所述圆形镂空结构镂空尺寸不同。
9.进一步地，所述滤波光阑的入射光表面镀制纯金作为金层，且所述滤波光阑首先镀制钛金属层作为所述金层和滤波光阑之间的过渡层。
10.进一步地，所述金层的厚度大于太赫兹信号的趋肤深度。
11.进一步地，所述入射透镜、滤波光阑、出射透镜均采用高阻硅材料。
12.进一步地，所述入射透镜、出射透镜尺寸相同。
13.进一步地，所述夹具选用金属铝制成，所述入射透镜、滤波光阑、出射透镜放置在
夹具后通过螺丝对夹具进行固紧，所述入射透镜、出射透镜和所述滤波光阑接触的部分加入橡胶软垫。
14.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
15.本技术能够实现太赫兹辐射的空间滤波，滤波能够匹配宽带信号，比传统的窄带滤波器更具优势，并能输出高斯型的太赫兹信号。通过简单调节滤波光阑的尺寸和透镜的结构，就能够对输出信号特性进行调整，且滤波光阑可根据需要进行替换，装配和使用方便。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1示出本发明实施例中一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器的结构侧视图；
18.图2示出本发明实施例中入射透镜的光线聚焦原理示意图；
19.图3示出本发明实施例中所述滤波光阑的正视图。
具体实施方式
20.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
22.如图1所示，本技术实施例提供一种高斯型太赫兹宽带空间滤波器，包括：用于将入射的太赫兹信号汇聚在信号聚集点的入射透镜1、用于对太赫兹信号进行空间滤波的滤波光阑2、用于将汇聚在信号聚集点的太赫兹信号辐射出去的出射透镜3和夹具4，入射透镜1、滤波光阑2、出射透镜3均安装在夹具上4；入射透镜1入射光表面为球面，入射透镜1出射光表面为平面；出射透镜3入射光表面为平面，出射透镜3出射光表面为球面；滤波光阑2安装在入射透镜1出射光表面和出射透镜3入射光表面之间。其中：
23.入射透镜，用于将入射的太赫兹信号进行汇聚，并落在信号聚集点a处。其中入射光表面为球面，出射光表面为平面，透镜表面需要进行光学抛光。由于高阻硅在太赫兹频段具有相对固定的折射率，且加工简单，机械强度较好，因此本发明实施例中入射透镜使用高阻硅材料。
24.考虑太赫兹源满足远场条件的情况，则太赫兹波将以平面波形式到达入射透镜。因此，根据入射太赫兹信号的波束特性，选择合适的入射透镜厚度，通过对入射透镜的厚度进行计算，使其焦点与信号聚集点a重合。
25.厚度计算采用准光近似形式，如图2所示，其中实线部分是光线路径，虚线是界面法线。在界面处，根据菲涅耳公式，结合透镜材料的折射率，能够计算出对应的入射角和折射角。采用几何光学的方法，就可以计算获得入射透镜的厚度。同时为了确定滤波光阑的厚度，需要计算信号聚集点a与入射透镜出射光表面的距离，即滤波光阑的半厚度。
26.若太赫兹源与入射透镜满足远场条件：
[0027][0028]
式中：d表示太赫兹源与入射透镜之间的距离；d表示入射透镜直径；λ表示太赫兹波波长。
[0029]
则认为太赫兹波以平面波形式入射至入射透镜，此时太赫兹信号将汇聚至入射透镜的焦点处，即入射透镜的焦点与信号聚集点a重合，同时是滤波光阑中心位置。
[0030]
若太赫兹源与入射透镜不满足远场条件，则需要根据太赫兹信号的发散角进行准光条件的光路分析，使信号聚集点a落在滤波光阑中心位置。
[0031]
滤波光阑，用于对太赫兹信号进行空间滤波，信号聚集点a需要与光阑中心位置重合。滤波光阑的入射光表面镀制金属，实现信号的滤波。滤波光阑中的镂空尺寸直接决定了滤波的频率和效率。使用传统辐射型太赫兹源时，滤波光阑选择圆形结构，以匹配高斯型信号输出。
[0032]
本实施例中，滤波光阑的入射光表面镀制纯金，并首先镀制钛金属层作为金层和滤波光阑之间的过渡层，提高金层的固定程度。金层的厚度需要大于太赫兹信号的趋肤深度。
[0033]
本实施例中，滤波光阑选用与入射透镜相同的材料，即高阻硅材料，避免因材料介电常数不匹配造成信号反射。
[0034]
本实施例中，滤波光阑的厚度不宜过大，避免器件的设计复杂度增大。综合考虑加工工艺水平和机械强度，滤波光阑的厚度以百微米量级为宜。
[0035]
本实施例中，滤波光阑正中心制备圆形镂空，用于实现高斯滤波功能。另外，可制备多件中心镂空尺寸不同，但厚度相同的滤波光阑，实现空间滤波器中滤波光阑的可替换，满足对不同滤波要求。经过入射透镜后，理想情况下如果信号的束腰能够小于滤波光阑中的圆孔，则大部分能量能够通过光阑，否则会产生空间滤波效果，通过改变光阑和透镜尺寸，就可以改变信号传输特性。
[0036]
当光阑孔径下降后，能够使空间滤波效果增强，但同时会使输出信号强度降低。因此，选择使用何种光阑孔径大小，需要在信号输出强度和高斯型程度之间进行取舍。
[0037]
在结构上，信号聚集点a与滤波光阑的几何中心重合，信号聚集点a与入射透镜的出射光表面距离约为滤波光阑厚度的一半，滤波光阑厚度为百微米量级。滤波光阑的前出射光表面示意图如图3所示，在滤波光阑的入射光表面制备金层5，厚度约为百纳米，与滤波光阑厚度相比可以忽略。
[0038]
出射透镜，用于将汇聚在信号聚集点a的太赫兹信号辐射出去。其中入射光表面为平面，出射光表面为球面，透镜表面需要进行光学抛光。透镜厚度和曲率，直接决定了信号到达光阑处时的截面强度分布，需要与光阑孔径大小配合设计。
[0039]
若太赫兹波以平面波形式入射至入射透镜，则将出射透镜的焦点与信号聚集点a重合，同时是滤波光阑中心位置，会使太赫兹波再次以平面波的形式出射。此时，若出射透镜与入射透镜的材料相同，则出射透镜与入射透镜尺寸相同。若太赫兹波以非平面波形式入射至入射透镜，则根据所需出射太赫兹信号的波束特性，选择合适的出射透镜厚度。
[0040]
本技术实施例考虑需要太赫兹信号经过本空间滤波器后的输出仍为平面波形式，则此时的出射透镜可以选用与入射透镜的尺寸结构完全相同的形式。若非本情形，则需要
根据出射角度、焦点位置计算出射透镜的厚度，计算方法与入射透镜相同。
[0041]
本实施例中，夹具用于将入射透镜、滤波光阑和出射透镜安装在一起，并确保具有稳定的支撑，使入射透镜、滤波光阑和出射透镜的相对位置不发生变化，使空间滤波器的性能保持稳定。在入射透镜、出射透镜的两侧表面一侧留出若干毫米的外延层，以方便为夹具的安装固定提供支撑。在加工中，外延层可采用与入射透镜主体结构一体成型的方式制备。
[0042]
夹具材料选用金属铝，使用螺丝结构进行固紧，并在与透镜和光阑接触的部分加入橡胶软垫，防止对硅材料的划伤或压裂。夹具两部分使用螺钉固紧，若需更换滤波光阑，则只需要将夹具打开，更换所需的滤波光阑即可。
[0043]
综上，本技术本质上为高通滤波器，高于某频率的所有信号都能够通过，低于的被截止，这个频率可以达到太赫兹量级，能够实现太赫兹辐射的空间滤波，能够匹配宽带信号，比传统的窄带滤波器更具优势，能输出高斯型的太赫兹信号。而传统窄带滤波器是同时具有上下限的，能通过的频率范围较低，而且在太赫兹频段的窄带滤波器很难制备。
[0044]
其次，由于包括透镜天线在内的常用器件的远场近似都是基模高斯波束，如果所接收的太赫兹辐射与高斯型差距较大，会造成耦合效率降低，反射增大，本技术的圆形滤波器能够实现输出波束截面为圆形，强度实现高斯型分布，因此耦合效率较高，反射较小。
[0045]
再次，通过简单调节滤波光阑的尺寸和透镜的结构，就能够对输出信号特性进行调整，且滤波光阑可根据需要进行替换，装配和使用方便。
[0046]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。