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太赫兹立体相位光栅衍射特性分析

杨秋杰 何志平 糜忠良

杨秋杰, 何志平, 糜忠良. 太赫兹立体相位光栅衍射特性分析[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0147
引用本文: 杨秋杰, 何志平, 糜忠良. 太赫兹立体相位光栅衍射特性分析[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0147
YANG Qiu-jie, HE Zhi-ping, MI Zhong-liang. Diffraction Characteristics Analysis of Multi-depth Phase Modulation Grating in Terahertz Band[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0147
Citation: YANG Qiu-jie, HE Zhi-ping, MI Zhong-liang. Diffraction Characteristics Analysis of Multi-depth Phase Modulation Grating in Terahertz Band[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0147

太赫兹立体相位光栅衍射特性分析

doi: 10.3788/CO.2019-0147
基金项目: 国家自然科学基金(61905268);上海市自然科学基金(18ZR1445500);上海技术物理研究所创新专项基金(CX-158);上海市现场物证重点实验室开放课题基金(2018XCWZK14)
详细信息
    作者简介:

    杨秋杰(1988—),男,河南巩义人,博士,现为上海技术物理研究所助理研究员,主要从事THz光谱成像方面的研究。E-mail:yqj488112gxx@163.com

    何志平(1977—),男,江西新余人,博士,现为上海技术物理研究所研究员,博士生导师,主要研究领域为光电探测与成像,聚焦面向月球及深空探测应用的光谱成像探测技术,以及空间主被动复合光学技术的研究。E-mail:hzping@mail.sitp.ac.cn

    通讯作者: 何志平(1977-),男,江西新余人,博士,现为上海技术物理研究所研究员,博士生导师,主要研究领域为光电探测与成像,聚焦面向月球及深空探测应用的光谱成像探测技术,以及空间主被动复合光学技术的研究。E-mail:hzping@mail.sitp.ac.cn
  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Diffraction Characteristics Analysis of Multi-depth Phase Modulation Grating in Terahertz Band

Funds: Supported by the National Science Fund (61905268); the Science Foundation of Shanghai (18ZR1445500); the Innovation Project Fund of Shanghai Institute of Technical Physics (IPFSITP) (CX-158); the Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Crime Scene Evidence (2018XCWZK14)
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  • 摘要: 针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求,提出了一种太赫兹立体相位光栅(MPMG)分光器件。MPMG利用刻槽深度的变化引入光程差,实现对入射光的相位调制,使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息,因此其零级衍射光具备分光能力。在分析MPMG衍射场光强分布的基础上,讨论了光栅参数对衍射场分布的影响,并通过实验验证了MPMG的衍射特性。MPMG各光栅单元在0.34 T、0.5 THz的衍射效率理论值与实测值相吻合,证明了MPMG的零级衍射光具备分光能力。
  • 图  1  MPMG示意图(a)一维MPMG,(b)二维MPMG(c)光栅单元

    Figure  1.  (a) Schematic of 1D MPMG, (b) 2D MPMG, and (c) grating cell

    图  2  (a)MPMG等效为平面(b)MPMG衍射示意图

    Figure  2.  (a) Reflection grating simulated as a plane transmission grating. (b) Simulation diagram.

    图  3  不同相位调制下沿x轴方向的光强分布

    Figure  3.  Influence of different parameters on the intensity distribution of grating cell diffraction field.

    图  4  (a)高功率辐射源系统;(b)激光准直与发射系统;(c)实验方案;(d)一维MPMG;(e)光栅测试系统;(f)探测器照片

    Figure  4.  (a) High-power THz radiation source system. (b) Laser collimation and transmission system. (c) Schematic of experiment. (d) 1D MPMG. (e) Grating-testing system. (f) Photograph of the THz detector.

    图  5  光栅单元0级和1级衍射效率的模拟和测试结果(a)0.34 z(b)0.5 THz

    Figure  5.  (a) Zeroth- and first-order diffraction efficiency for each grating cell at 0.34 and (b) 0.5 THz

    表  1  一维MPMG参数

    参数名称参数名称
    N8n5
    w (mm)1l (mm)40
    $\psi $(°)0$\theta $(°)60
    h (cm)h{1}=0.1635,h{2}=0.3270,h{3}=0.4905,
    h{4}=0.6540,h{5}=0.8175,h{6}=0.9810,
    h{7}=1.1445, h{8}=1.3080
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-10
  • 修回日期:  2019-09-10
  • 网络出版日期:  2020-04-03

太赫兹立体相位光栅衍射特性分析

doi: 10.3788/CO.2019-0147
    基金项目:  国家自然科学基金(61905268);上海市自然科学基金(18ZR1445500);上海技术物理研究所创新专项基金(CX-158);上海市现场物证重点实验室开放课题基金(2018XCWZK14)
    作者简介:

    杨秋杰(1988—),男,河南巩义人,博士,现为上海技术物理研究所助理研究员,主要从事THz光谱成像方面的研究。E-mail:yqj488112gxx@163.com

    何志平(1977—),男,江西新余人,博士,现为上海技术物理研究所研究员,博士生导师,主要研究领域为光电探测与成像,聚焦面向月球及深空探测应用的光谱成像探测技术,以及空间主被动复合光学技术的研究。E-mail:hzping@mail.sitp.ac.cn

    通讯作者: 何志平(1977-),男,江西新余人,博士,现为上海技术物理研究所研究员,博士生导师,主要研究领域为光电探测与成像,聚焦面向月球及深空探测应用的光谱成像探测技术,以及空间主被动复合光学技术的研究。E-mail:hzping@mail.sitp.ac.cn
  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

摘要: 针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求,提出了一种太赫兹立体相位光栅(MPMG)分光器件。MPMG利用刻槽深度的变化引入光程差,实现对入射光的相位调制,使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息,因此其零级衍射光具备分光能力。在分析MPMG衍射场光强分布的基础上,讨论了光栅参数对衍射场分布的影响,并通过实验验证了MPMG的衍射特性。MPMG各光栅单元在0.34 T、0.5 THz的衍射效率理论值与实测值相吻合,证明了MPMG的零级衍射光具备分光能力。

English Abstract

杨秋杰, 何志平, 糜忠良. 太赫兹立体相位光栅衍射特性分析[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0147
引用本文: 杨秋杰, 何志平, 糜忠良. 太赫兹立体相位光栅衍射特性分析[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0147
YANG Qiu-jie, HE Zhi-ping, MI Zhong-liang. Diffraction Characteristics Analysis of Multi-depth Phase Modulation Grating in Terahertz Band[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0147
Citation: YANG Qiu-jie, HE Zhi-ping, MI Zhong-liang. Diffraction Characteristics Analysis of Multi-depth Phase Modulation Grating in Terahertz Band[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0147
    • 太赫兹波段的光谱成像仪器种类稀少,这是由于太赫兹宽谱主动辐射光源与太赫兹宽谱分光器件缺乏所共同导致的。其中分光器件作为光谱成像仪器的关键部件,直接影响仪器的性能、结构的复杂程度、重量和体积等[1-3]。目前可见、红外光谱仪器的分光器件有:棱镜、振幅光栅、声光调谐滤波器等。然而这些适用于可见、红外波段的分光器件并不能满足太赫兹波段物质的谱探测与成像对分光器件的需求。首先,棱镜作为经典的分光器件具有自由光谱范围宽、结构简单、通光量大,能量利用率高,杂散光易于抑制的优点,然而在太赫兹波段,随着波长的增加,电磁波的穿透性能增强,材料的色散现象变的极其微弱,这意味着通过材料色散获取精细光谱的方式在太赫兹谱探测中不在可行[4, 5]。其次,振幅光栅依靠衍射效应分光,然而受相邻衍射次级光谱重叠的限制,单块光栅的光谱范围有限,为了提高光能利用率而采用的闪耀光栅,其闪耀波长的有限带宽进一步缩小了光栅的自由光谱范围。太赫兹(30 μm−3 mm)的频段带宽是可见(0.38 μm−0.75 μm)频段带宽的近6 000倍,是红外(0.75 μm−30 μm)频段带宽的100倍[6-8]。这决定了太赫兹波段的分光器件必须具备宽自由光谱范围,因此闪耀光栅、振幅调制光栅不适合用作太赫兹波段的分光器件。最后,声光调谐滤波器依靠声光效应实现衍射分光,具有体积小,晶体衍射率高、大视场的优点,但目前尚未在公开报道的文献中查阅到适用于太赫兹波段的声光晶体[9-11]

      太赫兹探测的弱信号特点要求太赫兹分光器件必须具备高能量利用效率。针对太赫兹谱成像对宽光谱、高光能利用率、实时探测分光器件的需求,本文提出一种太赫兹立体相光栅(MPMG)分光器件[16],通过刻槽深度的变化引入光程差,实现对入射光的相位调制,使反射太赫兹波前的不同区域具有不同的相位信息。该MPMG的典型特征在于,槽深调制使MPMG的零级衍射光携带相位信息,因此MPMG零级衍射光具备分光能力。

    • MPMG由槽深呈等梯度变化的一系列光栅单元组成。一维MPMG、二维MPMG的结构示意图分别如图1(a)(b)所示,二者均由四个光栅单元组成,光栅单元的槽深${h_1}$${h_2}$${h_3}$${h_4}$等梯度变化,光栅单元有两对互相平行的顶、槽反射平面组成,如图1(c)所示。一维立体相位光栅和二维相位光栅在性能上没有差异,但二维相位光栅结构紧凑,利于光谱仪器的小型化。

      图  1  MPMG示意图(a)一维MPMG,(b)二维MPMG(c)光栅单元

      Figure 1.  (a) Schematic of 1D MPMG, (b) 2D MPMG, and (c) grating cell

      将光栅单元等效为一系列不同相位差交错排列的平面,如图2所示,当光束斜入射MPMG时,波矢$\vec k$$(x,z)$平面的投影与$\vec {\rm{k}}$方向的夹角为$\psi $,波矢$\vec k$$(x,z)$平面的投影与x轴的夹角为$\theta $,则顶、槽反射面由此引入的相位差为:

      图  2  (a)MPMG等效为平面(b)MPMG衍射示意图

      Figure 2.  (a) Reflection grating simulated as a plane transmission grating. (b) Simulation diagram.

      $$\varphi = \frac{{4{{\text π}}h}}{{\lambda \cos \psi \sin \theta }},$$ (1)

      当太赫兹波平行于纸面方向入射,即($\psi {\rm{ = }}0$)时,经MPMG衍射后归一化的光强分布表达式如(2)所示,计算时认为顶反射面和槽反射面的宽度相等。

      $$\begin{split} I({P_i}) =& {{\rm{sinc}} ^2}\left( {\frac{{{\rm{k}}l\sin \beta }}{2}} \right){{\rm{sinc}} ^2}\left( {\frac{{{\rm{k}}w\sin \alpha }}{2}} \right) \\ & \frac{{{{\sin }^2}\left[ {\frac{{n{\rm{k}}d\sin \alpha }}{2}} \right]}}{{{{\sin }^2}(\frac{{{\rm{k}}d\sin \alpha }}{2})}}{\cos ^2}\left( {\frac{{{\rm{k}}w\sin \alpha + \varphi }}{2}} \right) \end{split} $$ (2)

      $\alpha '$$\beta '$分别表示沿x方向的入射角和沿y方向的入射角,$\alpha $$\beta $分别表示沿x方向的衍射角和沿y方向的衍射角,$\vec k$表示波矢,$w$表示顶反射面和槽反射面的宽度,$l$表示光栅的长度,$n$表示顶反射面和槽反射面的对数。

      ${{\rm{sinc}} ^2}\left( {\dfrac{{{\rm{k}}l\sin \beta }}{2}} \right)$${{\rm{sinc}} ^2}\left( {\dfrac{{{\rm{k}}w\sin \alpha }}{2}} \right)$描述矩孔衍射因子,零级衍射有最大值;$\dfrac{{{{\sin }^2}\left[ {\dfrac{{n{\rm{k}}d\sin \alpha }}{2}} \right]}}{{{{\sin }^2}\left(\dfrac{{{\rm{k}}d\sin \alpha }}{2}\right)}}$描述多光束干涉因子,故MPMG的光栅方程为

      $$d\sin \alpha {\rm{ = m}}\lambda ,d = w + c,{\rm{m}} = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots $$ (3)

      即光栅的衍射级次分布仅取决于光栅常数$d$$d$越大相同级次衍射光的衍射角越大。

      ${\cos ^2}\left( {\dfrac{{{\rm{k}}w\sin \alpha + \varphi }}{2}} \right)$表示凹槽深度引入的附加相位对衍射场强度的调制。

    • 有(3)式可知,沿x轴的衍射场强度分布与光栅常数$d$$d = 2w$),顶反射面和槽反射面的对数$n$以及凹槽深度$h$有关。图3描述了不同设计参数条件下,夫琅禾费衍射场沿x轴分布图。从图(a)、(b)、(c)可以看出,当仅仅槽深是变量时,槽深引入的相位调制使衍射场的能量在0级和$ \pm 1$级之间转移;当相位差$\varphi {\rm{ = }}2{\text π} $时,夫琅禾费衍射场的能量全部集中在0级,当相位差$\varphi {\rm{ = }}{\text π} $时,夫琅禾费衍射场的能量全部集中在±1级,当$\varphi {\rm{ = }}{{\text π} / 2},{{3{\text π} } / 2}$时,夫琅禾费衍射场的能量平均分布在0级和±1级。对比图(a)、(b)、(c)可以看出,顶反射面和槽反射面的对数$n$越多,各衍射级次的张角越小顶反射面和槽反射面的对数$n$与各衍射级次的衍射角大小无关。在讨论光栅常数$d$$d = 2w$)对衍射场分布的影响时,为了避免引入波长的影响,选用了$w/\lambda $。有图(d)可以看出,$w/\lambda $越大,各衍射级次主极大的角宽度越小,衍射现象越不明显;$w/\lambda $越大,各级衍射级次的衍射角越小。

      图  3  不同相位调制下沿x轴方向的光强分布

      Figure 3.  Influence of different parameters on the intensity distribution of grating cell diffraction field.

    • 在实验室建立了一套评价MPMG衍射特性的实验装置。验证装置包括高功率THz辐射源系统、THz激光准直传输系统和光栅测试系统,如图4(c)所示。图4(c)中,Lens 1、lens 2构成一组扩束镜,用于表示系统的准直与传输光路;Lens 3、lens 4、MPMG与lens 5构成MPMG衍射特性的测试光路。实验中使用波长为1 066−1 078 nm的可调谐激光器(OPO)和1064 nm Nd:YAG激光器差频产生高功率THz辐射[12],如图4(a)所示。泵浦激光束的光斑尺寸约为4毫米。这种由非线性差频效应产生的THz激光束与可见、红外激光束不同。对于激光高斯光束,其可以作为平行光进行处理的两个条件是:束腰半径远大于激光波长,波前半径远大于激光波长。前者使激光传输过程中,光斑大小近似不变,后者使激光波前可近似为平面。THz激光的波长与束腰尺寸相当,其光斑大小与传输距离近似成正比[13],通过实验测量,得到自制差频THz源的发散角为12°。因此,实验中使用透镜组来准直THz光束,光路图如如图4(b)所示,该部分在原理图4(c)中等效为一组扩束镜[14, 15]。经过透镜组准直后,THz激光束的发散角为0.1°。光栅测试系统由三个高密度聚乙烯透镜、矩形挡板、MPMG和THz探测器组成,如图4(e)所示。实验中使用的1D MPMG由8个光栅单元组成,每个光栅单元包括五对顶面和槽面。MPMG的参数如表1所示,照片如图4(d)所示。实验中使用的THz探测器是从Advanced Compound Semiconductor Technologies (ACST, Hanau, Germany)(Acst,Hanau,Germany)购买的第二代准光学探测器(2dl 12c LS 2500 A1),探测器光敏面封装有直径为2 mm的会聚镜,以实现更高的光能收集效率,照片如图4(f)所示。

      表 1  一维MPMG参数

      参数名称参数名称
      N8n5
      w (mm)1l (mm)40
      $\psi $(°)0$\theta $(°)60
      h (cm)h{1}=0.1635,h{2}=0.3270,h{3}=0.4905,
      h{4}=0.6540,h{5}=0.8175,h{6}=0.9810,
      h{7}=1.1445, h{8}=1.3080

      图  4  (a)高功率辐射源系统;(b)激光准直与发射系统;(c)实验方案;(d)一维MPMG;(e)光栅测试系统;(f)探测器照片

      Figure 4.  (a) High-power THz radiation source system. (b) Laser collimation and transmission system. (c) Schematic of experiment. (d) 1D MPMG. (e) Grating-testing system. (f) Photograph of the THz detector.

      试验方法如下所述,0.5 THz辐射经透镜组的准直,平行入射MPMG($\theta = {60^ \circ }$$\psi = {0^ \circ }$),并被MPMG衍射,衍射波经THz透镜汇聚后,在透镜焦平面上用THz探测器对0级和±1级衍射波进行检测。在MPMG的前表面放置一个很薄的矩形挡板,以确保每次只有一个单元被入射的THz波有效地照亮。通过依次移动探测器的位置,记录了0级和±1级的衍射强度。对每个光栅单元重复此操作。得到了所有光栅单元的0级和1级强度。为了消除激光抖动对测量结果的影响,采用多次测试的方法对测量结果进行了平均,所得结果是20次测量的平均值。将所测量数据进行归一化处理,可以得到8个光栅单元的0阶和±1阶衍射效率。

      通过改变OPO的波长,测试了8个光栅单元对0.34 THz辐射波的衍射光强。光栅单元对0.5 T、0.34 THz辐射的衍射效率理论模拟曲线和测量结果示于图5。实验测量结果和理论模拟结果相符合,证明了MPMG的衍射特性:MPMG的零级衍射光携带相位信息,其衍射强度由槽深引入的相位调制。

      图  5  光栅单元0级和1级衍射效率的模拟和测试结果(a)0.34 z(b)0.5 THz

      Figure 5.  (a) Zeroth- and first-order diffraction efficiency for each grating cell at 0.34 and (b) 0.5 THz

    • 本文介绍了一种THz波段的新型MPMG,它由一系列光栅单元组成,这些光栅单元的槽深梯度与傅立叶变换光谱系统中动镜的不同位置相对应。对MPMG的夫琅和费衍射场分布和衍射效率的计算表明,MPMG的零级衍射光具有相位信息,其衍射强度由槽深引入的相位调制。研制了由八个光栅单元组成的MPMG,对其在0.5 T、0.34 THz下的零级和一级衍射效率进行了测试,结果与模拟结果吻合较好。因此我们相信,MPMG的零级衍射光携带相位信息,其衍射强度由槽深引入的相位调制。

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