一種太赫茲光電導相控陣天線系統的制作方法
本發明屬于太赫茲輻射技術領域，具體涉及一種太赫茲光電導相控陣天線系統。
背景技術：
太赫茲(THz/terahertz)輻射(0.1THz-10THz)技術是電磁波領域的前沿領域，介于光子學領域和電子學領域之間：采用電子學的方法，0.3THz基本就是其頻率上限；采用光子學的方法其效果也不盡如人意。太赫茲輻射技術因不成熟而被稱為“太赫茲間隙”。相比較其他電磁波段，太赫茲具有獨特的性質，在醫療、安檢、材料等領域有著很大的應用前景。
大功率的太赫茲源是太赫茲技術的一個重要瓶頸，而太赫茲天線作為一種太赫茲輻射源，是研究的一個熱點。一種增大輻射功率的方法是采用天線陣列技術，現有的太赫茲陣列天線主要有兩種：一種基于電子學的天線陣列，一種是光電導(photoconductive)天線陣列。天線技術里面的相控陣技術除了能增加輻射功率和增益，還能通過控制各個天線單元的相位延時量，使天線的總輻射方向發生改變，達到固定天線的波束指向也能轉動掃描的目的。基于電子學的天線陣列可以采用電移相的方法做成相控陣天線(Phase array antenna)，但是其頻率上限仍在太赫茲低頻段。目前太赫茲光電導相控陣天線系統還是一片空白。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提出了一種太赫茲光電導相控陣天線系統，具體技術方案如下。
一種太赫茲光電導相控陣天線系統，包括激光源、光纖耦合器、光延時控制器和太赫茲光電導陣列天線；
其中，所述光纖耦合器將激光源產生的泵浦光耦合到光纖中；
所述光延時控制器控制光纖耦合器輸出的泵浦光的延時時間，產生N束具有不同延時時間的泵浦光；N為大于1的自然數；
所述太赫茲光電導陣列天線接收從光延時控制器輸出的N束具有不同延時時間的泵浦光，每一束泵浦光聚焦照射其對應的天線單元后激發產生太赫茲輻射。
進一步地，所述激光源為飛秒激光器或差頻激光源。
進一步地，所述太赫茲光電導陣列天線包括微透鏡陣列和N個所述天線單元；所述太赫茲光電導陣列天線接收的每一束泵浦光被微透鏡陣列聚焦照射到對應天線單元的電極間隙區，從而激發各天線單元產生太赫茲輻射并干涉合成為天線陣列的總輻射；每個天線單元的兩個電極之間統一加偏置電壓。
進一步地，天線單元的空間分布為直線型、平面型或立體型。
進一步地，光延時控制器采用玻璃薄片、光開關或電光調制實現延時。
進一步地，當所述光延時控制器采用玻璃薄片實現延時時，所述光延時控制器包括圓盤和多個工作區，多個工作區在圓盤中沿圓周方向規律分布在圓盤上，每個工作區包括N個玻璃薄片，N個玻璃薄片沿圓盤的徑向設置，每個工作區包括的N個玻璃薄片在垂直光路的平面上和太赫茲光電導陣列天線的微透鏡陣列形狀相同。
進一步地，所述N個玻璃薄片為不同厚度的光學玻璃薄圓片，每個玻璃薄圓片上下表面平行，面積和正下方的微透鏡相同。
進一步地，當所述光延時控制器采用光開關實現延時時，光開關采用微納加工而成的微鏡反射型MEMS光開關陣列，用光開關控制器控制微鏡反射型MEMS光開關陣列的閉合組合，得到不同的天線單元的延時量。
進一步地，當所述光延時控制器采用光調制實現延時時，光延時控制器采用電光晶體做成的光波導，在電光晶體上施加不同的電壓，改變折射率，控制泵浦光延時量。
進一步地，所述系統還包括偏振分光棱鏡；激光源經過偏振分光棱鏡分成兩束偏振光，其中一束偏振光可擴展用作太赫茲頻域光譜儀的探測光，另一束偏振光被光纖耦合器平分成N束泵浦光，再把N束泵浦光分別耦合到N條z切KDP電光晶體做成的光波導中，其中光的偏振方向和電光晶體x1軸的本征偏振方向平行，光從光波導中出來后再分別耦合到太赫茲光電導陣列天線的微透鏡上。
本發明的有益效果：本發明提出了太赫茲光電導相控陣天線系統，在光電導天線陣列的泵浦光光路中引進了光延時控制器，改變了泵浦光照射到天線陣上天線單元的時間差使得各天線單元輻射的太赫茲相位改變。通過控制每個天線單元的輻射相位，提高了天線陣的輻射功率，還能在使用過程中改變輻射方向圖和增益系數，具有增加輻射功率、提高增益和方向圖可控的特點。同時，本發明提出的移相方法采用了真時延，不會產生波束偏斜現象，相控陣天線能夠工作在寬頻帶下。
附圖說明
圖1是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的結構圖；
圖2是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的波束指向角的示意圖；
圖3是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的實施例1的光延時控制器的結構圖；
圖4是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的實施例1的結構示意圖；
圖5是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的實施例2的結構示意圖；
圖6是本發明所提出的太赫茲光電導相控陣天線系統的實施例3的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本發明并不局限于附圖和以下實施例。
本發明提出的太赫茲光電導相控陣天線系統如圖1所示，包括激光源11、光纖耦合器12、光延時控制器13和太赫茲光電導陣列天線14。
所述激光源11用于產生一束泵浦光15。所述激光源11可以是飛秒激光器，用于產生一束脈沖式泵浦光。所述激光源11也可以是差頻激光源，用于產生一束連續式拍頻光。
所述光纖耦合器12用于將激光源11產生的一束泵浦光15分束或合束后耦合到光纖中。
所述光延時控制器13用于控制光纖耦合器12輸出的泵浦光的延時時間，產生N束具有不同延時時間的泵浦光17。
其中所采用的延時方式優選采用玻璃薄片延時、光開關延時和電光調制延時三種方式。
當光延時控制器13采用光開關延時或電光調制延時方式時，所述光纖耦合器12將激光源11產生的一束泵浦光15平分成N束泵浦光16，每一束泵浦光都耦合到一條光纖中，形成N條等距光纖波導結構；該N條光纖的長度相等；其中，N為大于1的自然數，在附圖中給出了N為4的示例。所述光延時控制器13控制光纖耦合器12輸出的每一束泵浦光的延時時間，產生N束具有不同延時時間的泵浦光17。
當光延時控制器13采用玻璃薄片延時方式時，所述光纖耦合器12將激光源11產生的一束泵浦光15合成一束泵浦光16，又經過所述光延時控制器13的控制和分束，產生N束具有不同延時時間的泵浦光17。
所述太赫茲光電導陣列天線14包括微透鏡陣列141和N個天線單元142，天線單元142的空間分布可以是直線型、平面型、立體型。每個天線單元142的兩個電極之間統一加偏置電壓。所述天線單元142可以為偏壓天線單元。
太赫茲光電導陣列天線14接收從光延時控制器13輸出的N束具有不同延時時間的泵浦光17，每一束泵浦光17被微透鏡陣列141聚焦照射到對應天線單元142的電極間隙區，從而激發天線單元產生太赫茲輻射。同時，N個天線單元產生的太赫茲輻射干涉合成為功率更高的太赫茲輻射18輸出。
太赫茲輻射18的波束指向Q與天線陣列平面的法向P之間的夾角為波束指向角θ，如圖2所示。波束指向角θ的取值為：
其中，ΔL是照射到相鄰天線單元的泵浦光的光程差，d是相鄰天線單元A和B之間的距離。
本發明通過在泵浦光路中增加光延時控制器，控制每個天線單元的輻射相位，提高了輻射功率，還能在使用過程中改變輻射方向圖和增益系數。
本發明采用的移相方法都是光學真延時技術，不會產生波束偏斜現象，天線能夠工作在寬頻帶。
實施例1
本實施例中，光延時控制器13采用玻璃薄片延時的方式。玻璃薄片的作用是控制入射到天線單元的泵浦光延時的時間量。
所述光延時控制器13包括圓盤31和多個工作區32(圖3中虛線所示)，多個工作區32在圓盤31中沿圓周方向等間隔設置，每個工作區32包括N個玻璃薄片，N個玻璃薄片沿圓盤31的徑向設置，每個工作區32包括的N個玻璃薄片在垂直光路的平面上和太赫茲光電導陣列天線14的微透鏡陣列形狀相同。通過機械轉動使每次只有一個工作區32進入到泵浦光的路徑中。
圖3示出了八個工作區32沿圓周方向等間隔設置在圓盤31中，每個工作區32包括4個玻璃薄片D1、D2、D3、D4的情況，圖3為光延時控制器13的俯視圖，虛線方框內的四個圓就是其中一個工作區32的俯視圖，圖4示出了其中一個工作區32的主視圖。但本領域技術人員知曉，工作區32的數量和玻璃薄片的數量可以根據需要設置。
一個工作區32對應著一種波束指向角θ，一個工作區32上各個玻璃薄片的厚度分布由天線相控陣理論計算得出。
如圖4所示，激光源11產生的一束泵浦光15經光纖耦合器12輸出成為一束泵浦光16，在經過光延時控制器13中工作區32的第i個玻璃薄片后，引起泵浦光增加的光程差Δdi為：
Δdi＝(n-1)di，
其中，n是玻璃薄片的折射率，di是第i個玻璃薄片Di的厚度。
照射到相鄰天線單元的泵浦光的光程差ΔLi＝Δdi-Δdi-1＝(n-1)Δdi,i-1＝dsinθ，則對于某一光電導天線陣列，相鄰天線單元距離是固定的，因此可以計算出取某一波束指向角θ時，相鄰天線單元之間所需光學玻璃薄片厚度差
對于圖4所示N為4的情況，波束指向角θ為30度時，D1、D2、D3、D4光學玻璃薄片厚度分別為a、其中a為光學玻璃薄片的基礎厚度。
取工作頻率1THz，d取二分之一波長150微米，玻璃折射率n取1.5，則Δdi,i-1＝150微米。取a＝200微米，則D1、D2、D3、D4厚度分別為200、350、500、650微米。
制作一系列不同厚度的光學玻璃薄圓片Di并且規律分布在圓盤上，每個玻璃薄圓片上下表面平行，面積和正下方的微透鏡相同，每四個玻璃薄圓片組合成一個工作區32，采用機械轉動的方式，就可以把需要的一個工作區轉動到泵浦光的光路中。
實施例2
在本實施例中，光延時控制器采用光開關延時的方式。
圖5給出光延時控制器13采用光開關延時的結構圖，該光開關51采用微納加工而成的微鏡反射型MEMS光開關陣列，用光開關控制器52控制微鏡反射型MEMS光開關陣列的閉合組合，就能得到天線陣列142上泵浦光的多種延時量。從光纖耦合器12出來的每一條光纖都連接到其中一行的光開關51，經過n＝3個光開關51后最終出射到太赫茲光電導陣列天線14上的微透鏡。每個光開關51可以選擇光從兩條長度不同的路線中的一條通過，通過3個光開關的不同組合就能得到32種不同的延時時間，即可使每一束光得到n2＝32種不同的光程差ΔL。波束指向角的控制原理參考實施例1。
實施例3
在本實施例中，光延時控制器采用電光調制延時的方式。
在此方式中，采用電光晶體做成的光波導61來延時泵浦光。在電光晶體上施加不同的電壓，改變折射率，控制泵浦光延時量。
激光源11經過偏振分光棱鏡62分成兩束偏振光，其中一束光63可擴展用作太赫茲頻域光譜儀的探測光，另一束被光纖耦合器12平分成N束泵浦光，再把N束泵浦光分別耦合到N條z切KDP電光晶體做成的光波導61中(光的偏振方向和電光晶體x1軸的本征偏振方向平行)，光從光波導61中出來后再分別耦合到太赫茲光電導陣列天線14的微透鏡上。KDP晶體的波導兩端施加電壓V(t)會導致晶體折射率變化Δn，晶體光波導上引起的光程差就是Δnd，進而起相控作用。波束指向角的控制原理參考實施例1。
以上實施例中的太赫茲光電導陣列天線14都是以線型天線陣為例，還可以擴展成面型或立體天線陣。
以上，對本發明的實施方式進行了說明。但是，本發明不限定于上述實施方式。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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