[论文解读] Precise and accurate control of the ellipticity of THz radiation using a photoconductive pixel array
本文提出一种集成非色散波片的4像素光电导发射器，实现了对宽带太赫兹辐射椭圆度的全电控，线性与圆偏振态的偏振纯度均超过97%。通过在正交像素上施加相移的偏置电压，并利用硅棱镜中的全内反射，系统实现了亚度级精度的可调椭圆和圆偏振，经验证，测量1秒后的标准误差仅为0.047°。
Full control of the ellipticity of broadband pulses of THz radiation, from linear to left- or right-handed circular polarization, was demonstrated via a 4-pixel photoconductive emitter with an integrated achromatic waveplate. Excellent polarization purity and accuracy was achieved, with Stokes parameters exceeding 97% for linear and circular polarization, via a robust scheme that corrected electrically for polarization changes caused by imperfect optical elements. Further, to assess the speed and precision of measurements of the THz polarization we introduced a new figure of merit, the standard error after one second of measurement, found to be 0.047$^{\circ}$ for the polarization angle.
研究动机与目标
- 实现对宽带太赫兹脉冲椭圆度的全电控，从线性偏振到圆偏振。
- 克服机械偏振控制方法速度慢、精度低的局限。
- 开发一种通过电反馈实时校正光学元件缺陷的系统。
- 建立用于评估太赫兹偏振控制准确度与精度的定量指标。
- 为各向异性材料和新兴太赫兹通信系统提供高速、高精度的太赫兹椭偏与偏振测量能力。
提出的方法
- 在半绝缘GaAs上采用4像素交错式光电导发射器，每个像素根据所加电场方向发射正交偏振的太赫兹辐射。
- 使用300 µm × 300 µm的活性区域，以平均功率350 mW的80 fs Ti:sapphire激光脉冲进行激发。
- 将发射器与高电阻率浮区硅制成的Fresnel棱镜集成，以45°角放置，通过全内反射（TIR）实现非色散四分之一波片功能。
- 对水平与垂直发射像素施加具有可变相位（φ）的方波电压：VH = V₀cosφ 与 VV = V₀sinφ（V₀ = 10 V）。
- 利用约41.9°入射角下的全内反射，使p-和s-偏振分量间产生90°相位差（δp − δs = 90°），实现线性到圆偏振的转换。
- 采用[111]取向ZnTe晶体进行偏振分辨的电光采样，测量太赫兹电场在时间和频率域的Ex与Ey分量。
实验结果
研究问题
- RQ1多像素光电导发射器集成非色散波片是否能够实现对太赫兹椭圆度的全电控？
- RQ2与机械或固定几何结构系统相比，偏振纯度与准确度可提升至何种程度？
- RQ3该系统如何校正波片或分束器等光学元件的缺陷？
- RQ4该装置在太赫兹偏振态测量中可实现的精度与速度如何？
- RQ5所提出的性能指标——1秒积分后的标准误差——是否能有效量化太赫兹偏振控制性能？
主要发现
- 系统在线性与圆偏振态下均实现了超过97%的偏振纯度，表明椭圆度控制具有高保真度。
- 在1秒积分后，偏振角测量的标准误差仅为0.047°，证明了其高精度与高速度。
- 在1 THz频率范围内，光束轮廓呈高斯形，σx ≃ σy，光束中心偏移小于150 µm，证实了优异的空间重叠与光束质量。
- 在以往系统中，由于电场不均匀，椭圆度角在35°至45°之间波动；本系统通过电控实现了稳定且可调的椭圆度。
- 采用弱聚焦的红外光束可减小在棱镜界面处的光束发散角，维持90°相位差，确保波片行为的一致性。
- 所提出的性能指标——1秒后的标准误差——经验证为一种稳健、通用的指标，可用于不同实验方案下偏振控制性能的比较。
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