Lytid太赫兹激光源在波束轮廓和传播中的应用

Lytid太赫兹激光源在波束轮廓和传播中的应用

Tera级联QCL光源提供高功率、高相干和准高斯激光束。新的是成像、光束整形或其他传感技术的关键标准，在本应用说明中有详细说明。

以下特性是在非受控环境中实现的，该环境显示出高于1°C的温度变化、在典型测量时间内高达5%的比重计水平变化以及环境闪电，以再现典型的操作条件。

使用两种光学设置进行了以下测量。第一个（见图1.a）由一个用于光束准直的Φ1”f/1涂层HRFZ-Si透镜和一个用于聚焦的Φ1”f/2涂层HRFZ-Si透镜组成，而第二个（见图1.a）使用两个Φ2”f/1金色抛物面镜，导致更高的聚焦角和光斑尺寸。

图1光学设置示意图

一个带有针孔孔径的敏感Golay Cell检测器安装在用于光栅扫描的电动2D平移台上，放置在焦点周围的光学装置后面。锁定放大器用于恢复感兴趣区域上每个点测量的适当信号和敏感振幅变化。

聚焦光束的近高斯光束轮廓

高斯光束强度分布轮廓由以下方程决定。

光束半径ω（z）是本注释中感兴趣的元素，定义为电场振幅减小1/e因子的距离，因此强度减小1/e²因子，如图2所示。

图2理论高斯光束分布

在最佳聚焦位置，束斑尺寸最小，称为腰半径，𝜔0.

下图显示了两个光学装置腰部的二维光束轮廓，以及它们各自的横截面，以及它们的理论高斯轮廓。

图3抛物面反射镜光学装置腰部的光束轮廓

图4透镜光学装置腰部的光束轮廓

透镜设置的腰围半径为0.27mm，而由于聚焦角度较大，使用抛物面镜光学设置的1/e²半径为0.19mm。

高斯光束传播

除了光斑轮廓研究外，高斯光束还遵循适当的传播方案。在一阶高斯光束的情况下，其沿传播方向z的1/e²半径由以下方程决定，如图4所示。

图5光束直径传播

高斯光束的传播特性可以决定根据给定的光学设置使用光源可以实现的最佳光斑尺寸。

Rayleigh距离ZR是距离腰部的距离，半径乘以√2。它给出了光束保持相对恒定直径的范围的一个数量级，可以表示如下：

光束的远场发散（θ对于z>>Zr）之间的直接联系) 并且（半径min）也可以导出其腰部半径，并且由以下等式给出。

在非一阶高斯光束或不完美高斯光束的情况下，引入质量因子M²，以考虑下式给出的高阶直径，其中M为常数。然后，光束半径传播方程更改如下：

M²系数由测量的发散角与根据测量的腰围计算的理论角的比值给出。

知道来源的M²因子，就可以推导出给定发散度的光学装置上的最小光斑尺寸，反之亦然。

下图显示了使用TeraScade 1000系列2.5THz芯片在两种光学设置下进行的M²因子测量结果。原始测量点已通过理论传播剖面完成，该剖面考虑了各自计算的M²因子。

图6透镜光学装置的光束传播

在透镜光学设置的情况下，对于166mrad（9.5°）的发散度，1.17的M²系数确保了准衍射限制光束，非常适合高质量的成像系统或传感设置以及适当的光束整形。

图7抛物面反射镜光学装置的光束传播

反射镜光学装置获得的1.62的更高M²因子可以通过该装置中使用的331 mrad（19°）的更大聚焦孔径来解释，从而导致更灵敏的对准要求。