1.本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备。
背景技术：2.随着太赫兹技术的发展，对太赫兹波段光束进行光场调控产生无衍射光束逐渐成为研究热点，如太赫兹贝塞尔光束、太赫兹艾里光束等。无衍射光束具有长距离传输内不衍射、不扩散的优点，其数学表达式是亥姆霍兹方程的特解。不同坐标系下的亥姆霍兹方程传输不变(无衍射)特解有四种形式，分别为笛卡尔坐标系下的cosine光束(余弦光束)所对应的余弦函数、极坐标系下的bessel光束(贝塞尔光束)所对应的bessel函数、椭圆柱坐标系下的mathieu光束(马蒂厄光束)所对应的mathieu函数，以及抛物柱坐标系下的parabolic光束(抛物光束)所对应的parabolic函数。其中，马蒂厄光束相对于其他几种无衍射光束，在角向和径向光强分布上具有更加丰富的空间形态，即可调控的自由度参数更多，因此太赫兹马蒂厄光束在光通信方面有更多的应用价值。
3.因此，如何产生太赫兹波马蒂厄光束，就成为一个亟待解决的问题。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备，包括：太赫兹光源、光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束，所述太赫兹光束先后经过所述光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述光束准直装置能够对所述太赫兹光束进行扩束准直处理；所述滤波装置能够过滤出掩模板产生的+1级光束或者-1级光束。
6.作为本发明实施例的一种改进，所述光束准直装置包括：第一凸透镜和第二凸透镜，所述太赫兹光束先后经过第一、第二凸透镜，第一凸透镜的焦距f1《第二透镜的焦距f2，且第一、第二凸透镜的焦点重合。
7.作为本发明实施例的一种改进，所述掩模板由基板以及覆盖于基板上的铝膜组成，所述基板允许太赫兹光波通过，所述铝膜上设置有若干贯通孔。
8.作为本发明实施例的一种改进，所述滤波装置包括：第三凸透镜、小孔滤波器和第四凸透镜，所述太赫兹光束先后经过第三凸透镜、小孔滤波器和第四凸透镜。
9.作为本发明实施例的一种改进，第一、第二、第三和第四凸透镜的制造材料均为高密度聚乙烯。
10.作为本发明实施例的一种改进，所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束的波长为160μm。
11.作为本发明实施例的一种改进，还包括：控制装置，用于对待编码的图片进行采样，得到离散化的物面信息，并得到对应的全息图谱，将所述全息图谱复刻到待处理掩模板上，所述待处理掩膜板中的每个抽样单元内均包含有一个矩形通光孔径,所述矩形通光孔
径的面积用于对太赫兹光束的振幅进行编码；所述矩形通光孔径的中心偏离抽样单元中心的距离用于太赫兹光速的相位进行编码；控制所述产生设备生成太赫兹波马蒂厄光束，其中，掩膜板为所述待处理掩膜板。
12.作为本发明实施例的一种改进，所述矩形通光孔径的宽度为w
·
δx、高度为l
ab
·
δy，p
ab
·
δx是孔径中心与单元中心的距离，其中，δx和δy为抽样单元的抽样间隔，w为常数，a
ab
为光束准直装置输出的太赫兹光束的振幅，φ
ab
为抽样单元的相位，l
ab
＝l
ab
，k为衍射方向的级数。
13.作为本发明实施例的一种改进，在所述待处理掩模板上的全息图谱中的像素的尺寸为0.08mm
×
0.08mm。
14.作为本发明实施例的一种改进，在所述待处理掩模板上的全息图谱的尺寸为93.6cm
×
93.6cm。
15.本发明实施例所提供的太赫兹波马蒂厄光束的产生设备具有以下优点：本发明实施例公开了一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备，包括：太赫兹光源、光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束，所述太赫兹光束先后经过所述光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述光束准直装置能够对所述太赫兹光束进行扩束准直处理；所述滤波装置能够选取掩模板产生的+1级光束或者-1级光束。该设备能够产生太赫兹波马蒂厄光束。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的太赫兹波马蒂厄光束的产生设备的结构图；
17.图2为本发明实施例提供的产生设备产生的第一类偶型角向马蒂厄光束的全息图；
18.图3为本发明实施例提供的产生设备产生的第一类偶型角向马蒂厄光束的模拟光场图。
具体实施方式
19.以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
20.以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者
设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
21.本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
22.本发明实施例一提供了一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备，如图1所示，包括：
23.太赫兹光源、光束准直装置3、掩模板4和滤波装置9；所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束，所述太赫兹光束先后经过所述光束准直装置3、掩模板4和滤波装置9；所述光束准直装置3能够对所述太赫兹光束进行扩束准直处理；所述滤波装置9能够过滤出掩模板4产生的+1级光束或者-1级光束。
24.当太赫兹光束入射到掩模板4(比如，垂直入射等)时，会形成新的衍射光场，并向前经过滤波装置9。
25.这里，掩模板4就是制作出来的全息图，它由设计好的一系列二维的开口结构所组成，可以理解的是，开口的地方能够透过太赫兹波，不开口的地方遮挡住太赫兹波。在发明人的实际试验中，发现所设计的全息图针对太赫兹波段，该全息图的结构、尺寸可满足3d打印的制作精度，因此可很方便地通过3d打印机根据设计的全息图的尺寸结构打印制作出来，相比于可见光全息图的制作具有成本低、简单易实现等优点。
26.图2为本产生设备的第一类偶型角向马蒂厄光束(其中，掩膜板4的参数m＝0，q＝10)全息图；图3本产生设备的第一类偶型角向马蒂厄光束(其中，掩膜板4的参数m＝0，q＝10)模拟光场图。
27.本实施例中，所述光束准直装置3包括：第一凸透镜1和第二凸透镜2，所述太赫兹光束先后经过第一、第二凸透镜，第一凸透镜1的焦距f1《第二透镜2的焦距f2，且第一、第二凸透镜的焦点重合。这里，太赫兹光束可以认为是一个由平行光组成的光束，其经过第一透镜1后汇聚于短焦点，然后从短焦点发散入射到第二凸透镜2的表面。由于第二凸透镜2的焦距比第一透镜1长，因此可实现f2/f1的准直扩束。
28.本实施例中，所述掩模板4由基板以及覆盖于基板上的铝膜组成，所述基板允许太赫兹光波通过，所述铝膜上设置有若干贯通孔。这里，太赫兹光波可以通过基板，但无法穿透铝材，但能够穿透铝膜上的贯通孔，因此，该基板和铝膜共同构成了掩模板4。
29.本实施例中，所述滤波装置9包括：第三凸透镜5、小孔滤波器6和第四凸透镜7，所述太赫兹光束先后经过第三凸透镜5、小孔滤波器6和第四凸透镜7。这里，太赫兹光束经过掩模板4之后会有很多级的像(0，
±
1，
±
2...)，在经过长期实验之后，选择+1级光束或-1级光束进行观察，0级光强太强，+1或-1级比较合适。
30.本实施例中，第一、第二、第三和第四凸透镜的制造材料均为高密度聚乙烯(hdpe，high density polyethylene)。高密度聚乙烯为白色粉末或颗粒状产品，无毒，无味，结晶度为80％～90％，软化点为125～135℃，使用温度可达100℃。在实际中，对于普通激光束，
常用对可见光透明的石英玻璃做成透镜，由两个这样的透镜组成的系统可以产生光束准直扩束。但是对于太赫兹光束段而言，太赫兹光束无法穿透在可见光透明的石英玻璃，因此需要用在太赫兹光束段具有较高透过率的材料制成透镜，所以本发明所述的透镜为高密度聚乙烯材质，其在太赫兹光束段具有较高的透过率，并且其折射率随太赫兹光束长的变化不明显。
31.可选的，如图1所示，在发明人的实验中，为了验证该产生设备能够正常的工作，还设置有，太赫兹二维阵列探测器8，用以记录滤波装置9输出的太赫兹马蒂厄光束光场，该太赫兹二维阵列探测器是由多个像素单元构成的面阵列结构，每个像素单元包括n个子像素,每个子像素包括至少一个信号触发器，配置用于将太赫兹信号转化为电流脉冲信号,并且每个像素单元探测到的信号为n个子像素的电流脉冲信号的总和,n为整数。该太赫兹二维阵列探测器8的工作原理为：基于在二维电子系统中激发等离子体振荡并进行随后的整流，最后由计算机显示接收到的检测信息。类似于可见光波段的ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)或cmos(complementary metal oxide semiconductor，cmos)，但是由于是对太赫兹波段进行探测，所以二维阵列太赫兹探测器的每一个像素单元的材料和探测机理与可见光常用的ccd或cmos的像素单元不同。
32.本实施例中，所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束的波长为160μm。
33.本实施例中，还包括：控制装置，用于对待编码的图片进行采样，得到离散化的物面信息，并得到对应的全息图谱，将所述全息图谱复刻到待处理掩模板上，所述待处理掩膜板中的每个抽样单元内均包含有一个矩形通光孔径,所述矩形通光孔径的面积用于对太赫兹光束的振幅进行编码；所述矩形通光孔径的中心偏离抽样单元中心的距离用于太赫兹光速的相位进行编码；控制所述产生设备生成太赫兹波马蒂厄光束，其中，掩膜板为所述待处理掩膜板。
34.本实施例中，所述矩形通光孔径的宽度为w
·
δx、高度为l
ab
·
δy，p
ab
·
δx是孔径中心与单元中心的距离，其中，δx和δy为抽样单元的抽样间隔，w为常数，a
ab
为光束准直装置3输出的太赫兹光束的振幅，φ
ab
为抽样单元的相位，l
ab
＝l
ab
，k为衍射方向的级数。
35.本实施例中，在所述待处理掩模板上的全息图谱中的像素的尺寸为0.08mm
×
0.08mm。
36.本实施例中，在所述待处理掩模板上的全息图谱的尺寸为93.6cm
×
93.6cm。
37.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
38.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备，其特征在于，包括：太赫兹光源、光束准直装置(3)、掩模板(4)和滤波装置(9)；所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束，所述太赫兹光束先后经过所述光束准直装置(3)、掩模板(4)和滤波装置(9)；所述光束准直装置(3)能够对所述太赫兹光束进行扩束准直处理；所述滤波装置(9)能够过滤出掩模板(4)产生的+1级光束或者-1级光束。2.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于：所述光束准直装置(3)包括：第一凸透镜(1)和第二凸透镜(2)，所述太赫兹光束先后经过第一、第二凸透镜，第一凸透镜(1)的焦距f1<第二透镜(2)的焦距f2，且第一、第二凸透镜的焦点重合。3.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于：所述掩模板(4)由基板以及覆盖于基板上的铝膜组成，所述基板允许太赫兹光波通过，所述铝膜上设置有若干贯通孔。4.根据权利要求2所述的产生设备，其特征在于，所述滤波装置(9)包括：第三凸透镜(5)、小孔滤波器(6)和第四凸透镜(7)，所述太赫兹光束先后经过第三凸透镜(5)、小孔滤波器(6)和第四凸透镜(7)。5.根据权利要求4所述的产生设备，其特征在于：第一、第二、第三和第四凸透镜的制造材料均为高密度聚乙烯。6.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于：所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束的波长为160μm。7.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于，还包括：控制装置，用于对待编码的图片进行采样，得到离散化的物面信息，并得到对应的全息图谱，将所述全息图谱复刻到待处理掩模板上，所述待处理掩膜板中的每个抽样单元内均包含有一个矩形通光孔径,所述矩形通光孔径的面积用于对太赫兹光束的振幅进行编码；所述矩形通光孔径的中心偏离抽样单元中心的距离用于太赫兹光速的相位进行编码；控制所述产生设备生成太赫兹波马蒂厄光束，其中，掩膜板为所述待处理掩膜板。8.根据权利要求7所述的产生设备，其特征在于：所述矩形通光孔径的宽度为w
·
δx、高度为l
ab
·
δy，p
ab
·
δx是孔径中心与单元中心的距离，其中，δx和δy为抽样单元的抽样间隔，w为常数，a
ab
为光束准直装置(3)输出的太赫兹光束的振幅，φ
ab
为抽样单元的相位，l
ab
＝l
ab
，k为衍射方向的级数。9.根据权利要求7所述的产生设备，其特征在于：在所述待处理掩模板上的全息图谱中的像素的尺寸为0.08mm
×
0.08mm。10.根据权利要求7所述的产生设备，其特征在于：在所述待处理掩模板上的全息图谱的尺寸为93.6cm
×
93.6cm。
技术总结本发明公开了一种太赫兹波马蒂厄光束的产生设备，包括：太赫兹光源、光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述太赫兹光源能够产生太赫兹光束，所述太赫兹光束先后经过所述光束准直装置、掩模板和滤波装置；所述光束准直装置能够对所述太赫兹光束进行扩束准直处理；所述滤波装置能够选取掩模板产生的+1级光束或者-1级光束。该设备能够产生太赫兹波马蒂厄光束。该设备能够产生太赫兹波马蒂厄光束。该设备能够产生太赫兹波马蒂厄光束。
技术研发人员：王晓雷 耿一平 胡晓雪 刘思亮 董嵘 游峰
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
