技术领域
[0001] 本
发明涉及太赫兹波领域，具体而言，涉及一种基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统和方法。
背景技术
[0002] 随着太赫兹探测技术的发展，大量的研究成果已经证明了光电导天线、电光晶体、气体均是良好的太赫兹探测手段。
[0003] 20世纪80年代就有人利用天线结构探测了太赫兹脉冲。作为探测光的飞秒激光脉冲和太赫兹脉冲同时聚焦在两
电极之间的基片上，利用探测脉冲对THz脉冲
电场进行取样即可记录太赫兹脉冲的时域
波形。然而，受
半导体材料载流子寿命和动量弛豫时间的影响，这一技术的高频响应受到了限制。电光晶体探测是一种常用的探测太赫兹波的手段。飞秒激光脉冲作为探测光，与太赫兹脉冲共线作用到电光晶体上，探测光在电光晶体中受到太赫兹
脉冲电场的调制后其偏振态发生了变化，通过检测偏振态的变化，可以间接测量太赫兹脉冲电场的波形。但是该种方法需要严格的
相位匹配条件，且电光晶体成本高，损伤
阈值低。空气
等离子体对太赫兹波进行探测即利用气体的非线性效应探测太赫兹波，通过探测太赫兹场致二次谐波的强度进而间接探测太赫兹脉冲电场。该方法对探测光
能量要求较高，需要达到空气激发阈值，并且响应灵敏度低。
[0004] 2018年，液态水在太赫兹驱动下的瞬态双折射的响应被报导，其利用差分探测器可以感测太赫兹波能量。但是基于这种原理液态介质对太赫兹波的响应灵敏度极低，因此该种方法很难发展成一种具有实用价值的探测手段。阻碍液态水成为太赫兹探测技术的原因可能是因为以下三点：
[0005] (一)电光晶体这样的固体探测原理是利用探测晶体二阶非线性效应导致的探测光瞬态双折射，而液体均具有各向同性的特性，故无该效应，所以本领域学者先前未曾考虑基于液体的非线性效应而发展太赫兹波的探测技术。
[0006] (二)液体介质在太赫兹驱动下的瞬态双折射响应灵敏度极低，故难以利用传统的瞬态双折射原理下的平衡探测技术探测太赫兹波。
[0007] (三)本文利用太赫兹与探测光在水中等离子体中的非线性效应导致的400nm荧光辐射探测太赫兹波能量，需要实现探测光对液体介质电离形成等离子体。因此如果将水封闭在承载容器中(例如：
石英材质的液体皿)，容器在承载液体等离子体时极易损伤。因此基于无承载容器的前提下，保持液体的稳定是本发明的
基础。
发明内容
[0008] 液态水具有很强的三阶非线性系数，为将液态水应用于太赫兹探测提供了理论基础。本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统和方法就是利用液态水对太赫兹波的强度进行探测，本发明的响应灵敏度可以到达1kv/cm，可以应用于较弱的太赫兹辐射的感测。
[0009] 本发明提供一种基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统和方法，用以解决上述
现有技术中的至少一个问题。
[0010] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统，其包括
激光器、分光镜、斩波器、平面反射镜、第一凸透镜、BBO倍频晶体、第一离轴抛物面反射镜、太赫兹滤波片、第二离轴打孔抛物面反射镜、第二凸透镜、液体膜、第三凸透镜、
带通滤波片和
光电倍增管，其中：
[0011] 所述激光器用于发射
波长为800nm的激光，800nm的激光经过所述分光镜分出一束
泵浦光和一束探测光，泵浦光依次通过所述斩波器、所述平面反射镜反射后通过所述第一凸透镜，所述BBO倍频晶体利用双色场聚焦激发空气等离子体并产生太赫兹波，太赫兹波依次经过所述第一离轴抛物面反射镜反射后再经由所述太赫兹滤波片滤除杂散光，之后再经由所述第二离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述液体膜，探测光依次经过所述第二凸透镜、所述第二离轴打孔抛物面反射镜后与太赫兹波共同聚焦于所述液体膜上，所述液体膜中因太赫兹波和探测光非线性耦合产生的荧光辐射的
信号经由所述第三凸透镜汇聚成平行光后再经由所述带通滤波片滤波，滤波后的信号经由所述光电倍增管探测信号强度。
[0012] 在本发明的一
实施例中，所述液体膜由一液体膜产生系统产生，所述液体膜产生系统包括第一液体池、第一连接管、水泵、第二连接管、
过滤器、第三连接管、第二液体池、第四连接管、流量调节
阀、第五连接管、液体膜装置，所述第一连接管连接在所述第一液体池与所述水泵之间，所述第二连接管连接在所述水泵与所述过滤器之间，所述第三连接管连接在所述过滤器与所述第二液体池之间，所述第四连接管连接在所述第二液体池与所述流量调节阀之间，所述第五连接管连接在所述流量调节阀与所述液体膜装置之间，所述水泵用于
抽取所述第一液体池中的液体并对其进行
增压，所述过滤器用于过滤液体中杂质，所述第二液体池用于贮存液体，所述流量调节阀用于调节液体的流速，所述液体膜装置由两根垂直于地面、相距5mm的
铁丝构成，由第五连接管流出的液体导入两根铁丝之间，在重
力和液体的
张力的作用下，两根铁丝之间形成流动的液体膜，从所述液体膜装置流出的液体回流至所述第一液体池。
[0013] 在本发明的一实施例中，所述液体膜的厚度介于50微米～1毫米之间。
[0014] 在本发明的一实施例中，所述液体膜为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体膜。
[0015] 在本发明的一实施例中，所述第一连接管、所述第二连接管均为孔径2mm～4mm的乳胶软管，所述第三连接管、所述第四连接管、所述第五连接管均为孔径介于6mm～8mm之间的乳胶软管。
[0016] 在本发明的一实施例中，所述第一液体池、第二液体池中的液体为蒸馏水。
[0017] 在本发明的一实施例中，所述激光器为飞秒激
光放大器，所述斩波器的斩波
频率介于30Hz～100Hz之间。
[0018] 在本发明的一实施例中，太赫兹波的电场强度介于1KV/cm～100KV/cm之间。
[0019] 在本发明的一实施例中，由所述第二离轴打孔抛物面反射镜反射的太赫兹波与所述液体膜所在平面的夹
角介于80°～100°之间。
[0020] 在本发明的一实施例中，所述带通滤波片的滤波范围介于390nm～410nm之间。
[0021] 本发明还提供了一种应用于上述任一系统中的基于荧光辐射的利用液体介质探测太赫兹波的方法，其包括以下步骤：
[0022] S1：所述激光器发射波长为800nm的激光；
[0023] S2：800nm的激光经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光；
[0024] S3：泵浦光通过所述斩波器，所述平面反射镜反射后通过所述第一凸透镜，所述BBO倍频晶体利用双色场聚焦激发空气等离子体并产生太赫兹波，太赫兹波依次经过所述第一离轴抛物面反射镜反射后再经由所述太赫兹滤波片滤除杂散光，之后再经由第二离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述液体膜；
[0025] S4：探测光依次经过所述第二凸透镜、所述第二离轴打孔抛物面反射镜后与太赫兹波共同聚焦于所述液体膜上，所述液体膜中因太赫兹波和探测光非线性耦合产生的400nm荧光辐射的信号经由所述第三凸透镜汇聚成平行光，之后再经由所述带通滤波片滤波，滤波后的信号经由所述光电倍增管探测信号强度。
[0026] 本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统和方法创新性的应用了等离子体荧光辐射原理，结合液态水较大的三阶非线性系数，将液态水应用于太赫兹波的探测。探测光聚焦至液态水膜上，激发水中等离子体，并产生400nm的二次谐波，即荧光辐射。太赫兹同时聚焦到同一
位置上时，将在液体膜内等离子体中与探测光非线性耦合，增大400nm的荧光辐射能量，荧光辐射的增大量和太赫兹能量成正比，之后通过第三凸透镜汇聚后再经由所述带通滤波片筛选400nm荧光能量，并通过使用光电倍增管探测荧光能量来间接测量太赫兹能量。本发明表现出很高的响应灵敏度，首次使用液体介质探测了电场为1kv/cm量级的太赫兹辐射。本发明首次将液体介质应用于太赫兹参与的荧光辐射，和传统的气体等离子体荧光辐射方案相比，液态水具有更高的非线性系数和更低的电离阈值，因此液态水介质和气体介质相比，对探测光能量要求更低，响应灵敏度更高。本发明将液态水应用于探测太赫兹波时，创新性的应用了荧光辐射原理，而不是传统的固态晶体探测的瞬态双折射原理，极大的提高了响应灵敏度，实现了将液态水应用于较弱的太赫兹波的感测。本发明中的液体膜具有连续、稳定、流速固定、外形无变化的特点，和固态晶体相比损伤阈值高、损伤可修复，持续性强，本发明的系统构成简单、建置成本低、
稳定性高、并且容易维护。本发明在非相干探测领域和液体介质探测领域中均具有极高的灵敏度，更极大的发展了液体介质在探测太赫兹波领域的应用，具有较强的科研及实际应用价值。
附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)；
[0029] 图2为本发明中的液体膜产生系统的组成示意图；
[0030] 图3为本发明中的液态水膜在太赫兹峰值信号约为2kV/cm时探测到的太赫兹波时域能量谱；
[0031] 图4为本发明中的液态水膜在太赫兹峰值信号约为10kV/cm时探测到的太赫兹波时域能量谱。
[0032] 附图标记说明：1-激光器；2-分光镜；3-斩波器；4-平面反射镜；5-第一凸透镜；6-BBO倍频晶体；7-第一离轴抛物面反射镜；8-太赫兹滤波片；9-第二离轴打孔抛物面反射镜；10-第二凸透镜；11-液体膜；12-第三凸透镜；13-带通滤波片；14-光电倍增管；1101-第一液体池；1102-第一连接管；1103-水泵；1104-第二连接管；1105-过滤器；1106-第三连接管；
1107-第二液体池；1108-第四连接管；1109-流量调节阀；1110-第五连接管；1111-液体膜装置。
具体实施方式
[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 图1为本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统的组成示意图(俯视图)，图2为本发明中的液体膜产生系统的组成示意图，如图1、图2所示，本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统，其包括激光器1、分光镜2、斩波器3、平面反射镜4、第一凸透镜5、BBO倍频晶体6、第一离轴抛物面反射镜7、太赫兹滤波片8、第二离轴打孔抛物面反射镜9、第二凸透镜10、液体膜11、第三凸透镜12、带通滤波片13、光电倍增管14，其中：
[0035] 激光器1用于发射波长为800nm的激光，800nm的激光经过分光镜2分出一束泵浦光和一束探测光，泵浦光依次通过斩波器3、平面反射镜4反射后通过第一凸透镜，5BBO倍频晶体6利用双色场聚焦激发空气等离子体并产生太赫兹波，太赫兹波依次经过第一离轴抛物面反射镜7反射后再经由太赫兹滤波片8滤除杂散光，之后再经由第二离轴打孔抛物面反射镜9反射后聚焦至液体膜11，探测光依次经过第二凸透镜10、第二离轴打孔抛物面反射镜9后与太赫兹波共同聚焦于液体膜11上，液体膜11中因太赫兹波和探测光非线性耦合产生的荧光辐射的信号经由第三凸透镜12汇聚成平行光后再经由带通滤波片13滤波，滤波后的信号经由光电倍增管14探测信号强度。
[0036] 图1中，第一离轴抛物面反射镜7的等效焦距例如可以为2英寸，第二离轴打孔抛物面反射镜9的等效焦距例如可以为2英寸。
[0037] 液体膜由图2所示的液体膜产生系统产生，液体膜产生系统包括第一液体池1101、第一连接管1102、水泵1103、第二连接管1104、过滤器1105、第三连接管1106、第二液体池1107、第四连接管1108、流量调节阀1109、第五连接管1110、液体膜装置1111，第一连接管
1102连接在第一液体池1101与水泵1103之间，第二连接管1104连接在水泵1103与过滤器
1105之间，第三连接管1106连接在过滤器1105与第二液体池1107之间，第四连接管1108连接在第二液体池1107与流量调节阀1109之间，第五连接管1110连接在流量调节阀1109与液体膜装置1111之间。
[0038] 本实施例中，水泵1103用于抽取第一液体池1101中的液体并对其进行增压，过滤器1105用于过滤液体中杂质，第二液体池1107用于贮存液体，流量调节阀1109用于调节液体的流速，液体膜装置1111由两根垂直于地面、相距50mm的铁丝构成，由第五连接管1110流出的液体导入两根铁丝之间，在重力和液体的张力的作用下，两根铁丝之间形成流动的液体膜，从液体膜装置1111流出的液体回流至第一液体池1101。
[0039] 本实施例中，液体膜11的厚度介于50微米～1毫米之间，液体膜11应为连续、稳定、流速固定、外形无变化的液体膜，以保证系统稳定性。
[0040] 本实施例中，第一连接管1102、第二连接管1104均为孔径2mm～4mm的乳胶软管，第三连接管1106、第四连接管1108、第五连接管1110均为孔径介于6mm～8mm之间的乳胶软管。在其他实施例中，上述尺寸均可以做进一步调整，以适应实际需要。
[0041] 本实施例中，第一液体池1101、第二液体池1107中的液体为蒸馏水。
[0042] 本实施例中，激光器1例如可以为飞秒激
光放大器，斩波器4的斩波频率介于30～100Hz之间。
[0043] 本实施例中，双色场方法产生的太赫兹场强为1～100kV/cm。和晶体产生方式相比属于较弱的太赫兹源。
[0044] 本实施例中，由第二离轴打孔抛物面反射镜9反射的太赫兹波与液体膜11所在平面的夹角介于80°～100°之间。
[0045] 本实施例中，带通滤波片13的滤波范围介于390nm～410nm之间。
[0046] 本实施例中，需要说明的是，本发明中所提及的‘激光’等信号光均在同一水平面内传播，也即图1中的任意两个元件之间的信号光均在同一水平面内，产生的太赫兹波也位于同一水平面内接收。
[0047] 图2中，第一液体池1101、第二液体池1107中的液体可以为蒸馏水。需要说明的是，本发明中所提及的‘激光’等信号光均在同一水平面内传播，也即图1中的任意两个元件之间的信号光均在同一水平面内，产生的太赫兹波也位于同一水平面内接收。
[0048] 本发明提供了一种应用于上述系统中的利用液体探测太赫兹波的方法，该方法可以应用于例如图1所示的系统中，其包括以下步骤：
[0049] S1：激光器1发射波长为800nm的激光；
[0050] S2：800nm的激光经过分光镜2分出一束泵浦光和一束探测光；
[0051] S3：泵浦光通过所述斩波器，平面反射镜4反射后通过第一凸透镜5，BBO倍频晶体6利用双色场聚焦激发空气等离子体并产生太赫兹波，太赫兹波依次经过第一离轴抛物面反射镜7反射后再经由太赫兹滤波片8滤除杂散光，之后再经由第二离轴打孔抛物面反射镜9反射后聚焦至液体膜11；
[0052] S4：探测光依次经过第二凸透镜10、第二离轴打孔抛物面反射镜9后与太赫兹波共同聚焦于液体膜11上，从液体膜11中因太赫兹波和探测光非线性耦合产生的400nm荧光辐射的信号经由第三凸透镜12汇聚成平行光，之后再经由带通滤波片13滤波，滤波后的信号经由光电倍增管14探测信号强度。
[0053] 图3中的液体膜使用的是蒸馏水，太赫兹峰值电场为大约2KV/cm时探测到的太赫兹波时域能量谱；可以看出，本发明中利用液体探测太赫兹波信号取得了很好的效果。经计算，在峰值电场大约为2KV/cm的太赫兹波条件下，探测信号的
信噪比可以达到20：1，表示本发明对于较弱的太赫兹源也展示出了较高的信噪比。本领域普通技术人员可以据此推测，本发明测量灵敏度和分辨力可以低于1KV/cm。
[0054] 图4中的液体膜使用的是蒸馏水，太赫兹峰值电场为大约10KV/cm时探测到的太赫兹时域能量谱；通过对比图3和图4的波形和峰值信号值，可以看出，本发明描述的系统，测量信号与太赫兹电场的平方成正比，即与太赫兹能量线性相关。
[0055] 本发明表现出很高的响应灵敏度，首次使用液体介质探测了电场为1kv/cm量级的太赫兹辐射。本发明首次将液体介质应用于太赫兹参与的荧光辐射，和传统的气体等离子体荧光辐射方案相比，液态水具有更高的非线性系数和更低的电离阈值，因此液态水介质和气体介质相比，对探测光能量要求更低，响应灵敏度更高。本发明将液态水应用于探测太赫兹波时，创新性的应用了等离子体引起的荧光辐射原理而不是传统固态晶体探测技术利用的瞬态双折射效应，极大的提高了响应灵敏度，实现了将液态水应用于较弱的太赫兹波的感测。本发明中的液体膜具有连续、稳定、流速固定、外形无变化的特点，和固态晶体相比损伤阈值高、损伤可修复，持续性强，本发明的系统构成简单、建置成本低、稳定性高、并且容易维护。本发明在非相干探测领域和液体介质探测领域中均具有极高的灵敏度，更极大的发展了液体介质在探测太赫兹波领域的应用，具有较强的科研及实际应用价值。
[0056] 本发明提供的基于荧光辐射的利用液态水探测太赫兹波的系统和方法创新性的应用了等离子体荧光辐射原理，结合液态水较大的三阶非线性系数，将液态水应用于太赫兹波的探测。探测光聚焦至液态水膜上，激发水中等离子体，并产生400nm的二次谐波，即荧光辐射。太赫兹同时聚焦到同一位置上时，将在液体膜内等离子体中与探测光非线性耦合，增大400nm的荧光辐射能量，荧光辐射的增大量和太赫兹能量成正比，之后通过第三凸透镜汇聚后再经由所述带通滤波片筛选400nm荧光能量，并通过使用光电倍增管探测荧光能量来间接测量太赫兹能量。本发明表现出很高的响应灵敏度，首次使用液体介质探测了电场为1kv/cm量级的太赫兹辐射。本发明首次将液体介质应用于太赫兹参与的荧光辐射，和传统的气体等离子体荧光辐射方案相比，液态水具有更高的非线性系数和更低的电离阈值，因此液态水介质和气体介质相比，对探测光能量要求更低，响应灵敏度更高。本发明将液态水应用于探测太赫兹波时，创新性的应用了等离子体引起的荧光辐射原理而不是传统固态晶体探测技术利用的瞬态双折射效应，极大的提高了响应灵敏度，实现了将液态水应用于较弱的太赫兹波的感测。本发明中的液体膜具有连续、稳定、流速固定、外形无变化的特点，和固态晶体相比损伤阈值高、损伤可修复，持续性强，本发明的系统构成简单、建置成本低、稳定性高、并且容易维护。本发明在非相干探测领域和液体介质探测领域中均具有极高的灵敏度，更极大的发展了液体介质在探测太赫兹波领域的应用，具有较强的科研及实际应用价值。
[0057] 本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模
块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0058] 本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0059] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
