CN110376156A - 异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，具有发射泵浦激光光梳的第一飞秒激光光源、发射探测激光光梳的第二飞秒激光源、第一光电导天线、太赫兹波汇聚组件以及第二光电导天线，泵浦激光光梳和探测激光光梳在频域上的间隔分别为第一预定重复频率和第二预定重复频率，在第一光电导天线上施加第一偏置电压，使第一预定重复频率下降到太赫兹频段形成发射太赫兹波光梳，使用太赫兹波汇聚组件对太赫兹波光梳进行传递并汇聚形成聚焦点，聚焦点位于第二光电导天线上，发射太赫兹波光梳和探测激光光梳通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***。
背景技术
太赫兹(THz)波是位于微波和远红外线之间的电磁波。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，使得人们能够研究太赫兹波及其与物质相互作用的特性。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用。异步光学采样和双光梳波谱是新型的光谱分析技术，因其成谱时间短、频率分辨率高、环境振动容忍度高等优势而倍受人们重视，其可以将传统波谱分析方法无法同时获得的宽光谱覆盖、高检测灵敏度、高分辨率、快速测量等优势集于一身，展现出无与伦比的综合性能。
自2002年S.Schiller首次提出概念(Optics Letters,2002,27(9):766-768)，2004年Keilmann等人首次验证有效性以来(Optics Letters,2004,29(13):1542-1544)，异步光学采样和双光梳波谱技术已带来了精密激光光谱领域的革命性进展。
但至目前为止，领域内还未将异步光学采样和双光梳波谱技术应用到实际制成的相应物理***，而传统的技术采用单光源加移动部件(迈克耳逊干涉仪或光学延迟线)来实现波谱扫描时光谱信号的采集，这样的采集方式速度较慢且仅能进行时域信号信息的采集，导致光谱分辨率不高、***性能效率不高。
发明内容
本发明是针对上述问题而进行的，目的在于提供一种较传统技术具有光谱分辨率高、扫描速度快、***性能效率更高的优点的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，具有这样的特征，包括：第一飞秒激光源，用于发射在频域上间隔为第一预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对第一预定重复频率进行锁定，从而形成泵浦激光光梳；第二飞秒激光源，用于发射在频域上间隔为第二预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对第二预定重复频率进行锁定，从而形成探测激光光梳；太赫兹波生成组件，设置在泵浦激光光梳的光路上，用于产生发射太赫兹波光梳，包含第一光电导天线；太赫兹波汇聚组件，设置在发射太赫兹波光梳的光路上，用于改变发射太赫兹波光梳的传播方向并平行传递再形成汇聚点；以及射频域外差信号生成组件，设置在探测激光光梳的光路上，用于产生射频域外差光梳信号，包括第二光电导天线，第二光电导天线位于聚焦点上，其中，在第一光电导天线上施加有第一偏置电压，从而使得泵浦激光光梳通过第一光电导天线时，使得第一预定重复频率下降到太赫兹频段，进而形成发射太赫兹波光梳，发射太赫兹波光梳和探测激光光梳在第二光导天线上的汇聚点重合，通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征，还包括：双光子探测器，与第一飞秒激光源和第二飞秒激光源电连接，用于产生***触发脉冲信号，将***触发脉冲信号作为***信号采集起始点，放大器与第二光电导天线电连接，用于将射频域外差信号进行信号放大，数据采集转换模块与放大器和双光子探测器电连接，在触发信号的作用下进行时域信号采集，再通过对时域探测波谱进行傅里叶变换得到频域探测波谱，该频域探测波谱为全频域波谱。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征，还包括：频谱分析仪，与放大器电连接，用于对预定频谱段的频域探测波谱或全频域谱进行示波显示并分析。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹波生成组件还包含第一聚焦透镜，第一聚焦透镜和第一光电导天线沿泵浦激光光梳的传播方向依次设置，第一聚焦透镜用于对泵浦激光光梳的光路进行聚焦从而形成第一焦点光斑，第一焦点光斑位于第一光电导天线上。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹波汇聚组件包含第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜，发射太赫兹波光梳通过第一离轴抛面镜改变方向后平行传递至第二离轴抛面镜，再由第二离轴抛面镜进行汇聚形成汇聚点，第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜的镜面镀膜材料为金或银中的任意一种。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，射频域外差信号生成组件包含多个反光镜和第二聚焦透镜，反光镜、第二聚焦透镜以及第二光电导天线沿探测激光光梳的传播方向依次设置，多个反光镜用于调整探测激光光梳的光路的方向，第二聚焦透镜用于对探测激光光梳的光路进行聚焦从而形成第二焦点光斑，第二焦点光斑位于第二光电导天线上。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，第一预定重复频率的范围为0赫兹至100兆赫兹，第一预定重复频率和第二预定重复频率的频率差值的范围为10赫兹至10000赫兹。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，重复频率差值为25赫兹。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，射频域外差信号的频率范围为300K赫兹至300G赫兹。
在本发明提供的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***中，还可以具有这样的特征：其中，第一光电导天线为蝶形天线或偶极子天线的任意一种，第二光电导天线为蝶形天线或偶极子天线的任意一种。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，因为具有发射泵浦激光光梳的第一飞秒激光光源、发射探测激光光梳的第二飞秒激光源、第一光电导天线、太赫兹波汇聚组件以及第二光电导天线，泵浦激光光梳和探测激光光梳在频域上的间隔分别为第一预定重复频率和第二预定重复频率，在第一光电导天线上施加第一偏置电压，使第一预定重复频率下降到太赫兹频段形成发射太赫兹波光梳，使用太赫兹波汇聚组件对太赫兹波光梳进行传递并汇聚形成聚焦点，聚焦点位于第二光电导天线上，发射太赫兹波光梳和探测激光光梳通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号，所以，本发明的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***较以往技术使用双光梳扫描光谱信号，无需移动部件，且可以同时进行时域和频域的信号采集，从而使得采集的光谱分辨率更高，扫描速度更快、***性能更高效。
附图说明
图1是本发明的实施例中异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***的原理示意图；以及
图2是本发明的实施例中异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***作具体阐述。
图1是本发明的实施例中异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***的原理示意图；图2是本发明的实施例中异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***的光路示意图。
如图1所示，本实施例中的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***100，基于多频外差原理生成射频域外差光梳信号，包括第一飞秒激光源10A、第二飞秒激光源10B、激光控制器20、太赫兹波生成组件30、太赫兹波汇聚组件40、射频域外差信号生成组件50、双光子探测器60、数据采集转换模块70、频谱分析仪80以及放大器90。
第一飞秒激光源10A用于发射在频域上间隔为第一预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，形成泵浦激光光梳L1；第一预定重复频率的范围为0赫兹至100兆赫兹。在本实施例中，第一预定重复频率优选为100赫兹。
第二飞秒激光源10B用于发射在频域上间隔为第二预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，形成探测激光光梳L2；第一预定重复频率和第二预定重复频率的频率差值的范围为10赫兹至10000赫兹。在本实施例中，频率差值优选为25赫兹。
激光控制器20与第一飞秒激光源10A和第二飞秒激光源10B电连接，用于将第一预定重复频率和第二预定重复频率进行锁定并对第一预定重复频率和第二预定重复频率的频率差值进行调节控制。
太赫兹波生成组件30设置在泵浦激光光梳L1的光路上，用于产生发射太赫兹波光梳L11，包含沿泵浦激光光梳L1的发射方向依次设置的第一聚焦透镜31和第一光电导天线32。
第一聚焦透镜31用于对泵浦激光光梳L1的光路进行聚焦，使得泵浦激光光梳L1在第一光电导天线32上形成第一焦点光斑。
在第一光电导天线32上施加有第一偏置电压，从而使得泵浦激光光梳L1通过第一光电导天线32时，第一预定重复频率下降到太赫兹频段，进而形成发射太赫兹波光梳L11，第一光电导天线32为蝶形天线或偶极子天线的任意一种，在本实施例中，第一光电导天线32优选为蝶形天线，第一偏置电压优选为20伏特。
太赫兹波汇聚组件40设置在发射太赫兹波光梳L11的光路上，用于对发射太赫兹波光梳L11的光路进行传递并汇聚形成聚焦点，包含第一离轴抛面镜41和第二离轴抛面镜42。
第一离轴抛面镜41将发射太赫兹波光梳L11改变方向后进行平行传递。镜面镀膜材料为金或银的任意一种。在本实施例中，第一离轴抛面镜41的焦距优选为100mm，镜面镀膜材料优选为银。
第二离轴抛面镜42接收从第一离轴抛面镜41传递的发射太赫兹波光梳L11并进行汇聚从而形成聚焦点。镜面镀膜材料为金或银的任意一种。在本实施例中，第二离轴抛面镜41的焦距优选为150mm，镜面镀膜材料优选为银。
射频域外差信号生成组件50设置在探测激光光梳L2的光路上，用于产生射频域外差信号，包括沿探测激光光梳L2的发射方向依次设置的反光镜51、第二聚焦透镜52以及第二光电导天线53。
多个反光镜51用于调整探测激光光梳L2的光路的方向。在本实施例中，反光镜51的数量为一个。
第二聚焦透镜52用于对探测激光光梳L2的光路进行聚焦，使得探测激光光梳L2在第二光电导天线53上形成第二焦点光斑。
第二光电导天线53位于聚焦点上，发射太赫兹波光梳L11和探测激光光梳在第二光导天线53上的汇聚点重合，基于多频外差原理，通过多频外差过程产生射频域外差信号。射频域外差信号的频率范围为300K赫兹至300G赫兹之间。
双光子探测器60与第一飞秒激光源10A和第二飞秒激光源10B电连接，用于产生***触发脉冲信号，将***触发脉冲信号作为***信号采集起始点。
放大器90与第二光电导天线53电连接，用于将射频域外差信号进行信号放大。
数据采集转换模块70与放大器90和双光子探测器60电连接，在触发信号的作用下进行时域信号采集，再通过对时域探测波谱进行傅里叶变换得到频域探测波谱，该频域探测波谱为全频域波谱。
频谱分析仪80与放大器90电连接，用于对预定频谱段的频域探测波谱或全频域谱进行示波显示并分析。具体地，频谱分析仪80能够对频域探测波谱的预定频谱段进行放大显示并进行分析。
以下结合图1和图2对异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***的工作流程进行说明，包括以下步骤：
步骤一：由第一飞秒激光源10A发射在频域上间隔为第一预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对第一预定重复频率进行锁定，从而形成泵浦激光光梳L1；由第二飞秒激光源10B发射在频域上间隔为第二预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对第二预定重复频率进行锁定，从而形成探测激光光梳L2。
步骤二：泵浦激光光梳L1通过第一聚焦透镜31进行聚焦形成第一聚焦光斑，第一聚焦光斑位于第一光电导天线32上；探测激光光梳L2通过反光镜51反射，再通过第二聚焦透镜52进行聚焦形成第二聚焦光斑，第二聚焦光斑位于第二光电导天线53上。
步骤三：第一光电导天线32上施加有第一偏置电压，使得泵浦激光光梳L1转换为发射太赫兹波光梳L11；发射太赫兹波光梳L11通过第一离轴抛面镜41改变方向后平行传递至第二离轴抛面镜42，第二离轴抛面镜42对发射太赫兹波光梳L11进行汇聚形成汇聚点，汇聚点位于第二光电导天线53上。
步骤四：发射太赫兹波光梳L11和探测激光光梳L2在第二光导天线53上的汇聚点上重合，通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号。
步骤五：双光子探测器60探测到射频域外差光梳信号并形成***触发脉冲。
步骤六：数据采集转换模块70对时域探测波谱进行傅里叶变换得到频域探测波谱。
步骤七：频谱分析仪80对频域探测波谱进行预定频谱段的频域探测波谱和全频域谱进行示波显示并进行分析。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，因为具有发射泵浦激光光梳的第一飞秒激光光源、发射探测激光光梳的第二飞秒激光源、第一光电导天线、太赫兹波汇聚组件以及第二光电导天线，泵浦激光光梳和探测激光光梳在频域上的间隔分别为第一预定重复频率和第二预定重复频率，在第一光电导天线上施加第一偏置电压，使第一预定重复频率下降到太赫兹频段形成发射太赫兹波光梳，使用太赫兹波汇聚组件对太赫兹波光梳进行传递并汇聚形成聚焦点，聚焦点位于第二光电导天线上，发射太赫兹波光梳和探测激光光梳通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号，所以，本实施例的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***较以往技术使用双光梳扫描光谱信号，无需移动部件，且可以同时进行时域和频域的信号采集，从而使得采集的光谱分辨率更高，扫描速度更快、***性能更高效。
因为本实施例中的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***还包括用于在时域上对射频域外差信号进行时域数据采集和将时域波谱信息转换为频域波谱信息的数据采集转换模块，所以，本实施例中的异步光学采样的双光梳太赫兹波谱能够快速获得射频域外差信号的全频域波谱信息。
进一步地，因为本实施例的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***还包括频谱分析仪，所以，能够对射频域外差信号的预定频谱段进行示波显示并进行分析，同时也可以采集全频域波谱，并能对射频域外差信号的预定频谱段进行放大。
因为本实施例中的太赫兹波生成组件还包含能够对泵浦激光光梳进行聚焦的第一聚焦透镜，在泵浦激光光梳通过时能够对其进行聚敛，从而形成在第一光电导天线上的第一聚焦光斑，所以，能够使第一光电导天线更高效地将泵浦激光光梳转换为发射太赫兹波光梳。
因为本实施例中的太赫兹波汇聚组件包含第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜，发射太赫兹波光梳通过第一离轴抛面镜改变方向后平行传递至第二离轴抛面镜，由第二离轴抛面镜进行汇聚形成聚焦点，第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜的镜面镀膜材料为金或银中的任意一种。所以，离轴抛面镜能对太赫兹波光梳进行聚敛传递，能够保证发射太赫兹波光梳的几乎无损失的传递。
因为本实施例中的射频域外差信号生成组件包含多个反光镜和第二聚焦透镜，多个反光镜用于调整探测激光光梳的光路的方向，第二聚焦透镜用于对探测激光光梳的光路进行聚焦，所以，利用反射镜能够对光路传播方向进行控制或改变。
因为本实施例中的第一预定重复频率的范围为0赫兹至100兆赫兹，第一预定重复频率和第二预定重复频率的频率差值的范围为10赫兹至10000赫兹，所以，第一预定重复频率和第二预定重复频率的差值可根据实际需要在较大的范围内进行灵活的选取。
因为本实施例中的射频域外差信号的频率范围为300K赫兹至300G赫兹，所以，射频域外差信号更容易被连接在第二光电导天线上的数据采集转换模块和频谱分析仪采集到。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
例如，在本实施例中采用通过光电导天线将光梳转换为太赫兹波光梳，但在实际应用中，亦可采用非线性晶体太赫兹辐射源诸如碲化锌辐射源对光电导天线进行替代。
Claims (10)
1.一种异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，基于多频外差原理生成射频域外差光梳信号，其特征在于，包括：
第一飞秒激光源，用于发射在频域上间隔为第一预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对所述第一预定重复频率进行锁定，从而形成泵浦激光光梳；
第二飞秒激光源，用于发射在频域上间隔为第二预定重复频率的飞秒级的激光脉冲，并对所述第二预定重复频率进行锁定，从而形成探测激光光梳；
太赫兹波生成组件，设置在所述泵浦激光光梳的光路上，用于产生发射太赫兹波光梳，包含第一光电导天线；
太赫兹波汇聚组件，设置在所述发射太赫兹波光梳的光路上，用于改变该发射太赫兹波光梳的传播方向并平行传递再形成汇聚点；以及
射频域外差信号生成组件，设置在所述探测激光光梳的光路上，用于产生射频域外差光梳信号，包括第二光电导天线，该第二光电导天线位于所述聚焦点上，
其中，在所述第一光电导天线上施加有第一偏置电压，从而使得所述泵浦激光光梳通过所述第一光电导天线时，使得所述第一预定重复频率下降到太赫兹频段，进而形成所述发射太赫兹波光梳，
所述发射太赫兹波光梳和所述探测激光光梳在第二光导天线上的所述汇聚点上重合，通过多频外差过程产生射频域外差光梳信号。
2.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于，还包括：
双光子探测器，与所述第一飞秒激光源和所述第二飞秒激光源电连接，用于产生***触发脉冲信号，将该***触发脉冲信号作为***信号采集起始点。
放大器，与所述第二光电导天线电连接，用于将射频域外差信号进行信号放大，
数据采集转换模块，与所述放大器和所述双光子探测器电连接，在触发信号的作用下进行时域信号采集，再通过对所述时域探测波谱进行傅里叶变换得到频域探测波谱，该频域探测波谱为全频域波谱。
3.根据权利要求2所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于，还包括：
频谱分析仪，与所述放大器电连接，用于对预定频谱段的所述频域探测波谱或全频域谱进行示波显示并分析。
4.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述太赫兹波生成组件还包含第一聚焦透镜，
所述第一聚焦透镜和所述第一光电导天线沿所述泵浦激光光梳的传播方向依次设置，
所述第一聚焦透镜用于对所述泵浦激光光梳的光路进行聚焦从而形成第一焦点光斑，该第一焦点光斑位于第一光电导天线上。
5.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述太赫兹波汇聚组件包含第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜，
所述发射太赫兹波光梳通过所述第一离轴抛面镜改变方向后平行传递至所述第二离轴抛面镜，再由该第二离轴抛面镜汇聚形成所述汇聚点，
所述第一离轴抛面镜和所述第二离轴抛面镜的镜面镀膜材料为金或银中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述射频域外差信号生成组件包含多个反光镜和第二聚焦透镜，
所述反光镜、所述第二聚焦透镜以及所述第二光电导天线沿所述探测激光光梳的传播方向依次设置，
所述多个反光镜用于调整该探测激光光梳的光路的方向，
所述第二聚焦透镜用于对所述探测激光光梳的光路进行聚焦从而形成第二焦点光斑，该第二焦点光斑位于第二光电导天线上。
7.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述第一预定重复频率的范围为0赫兹至100兆赫兹，
所述第一预定重复频率和所述第二预定重复频率的频率差值的范围为10赫兹至10000赫兹。
8.根据权利要求7所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述频率差值为25赫兹。
9.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述射频域外差信号的频率范围为300K赫兹至300G赫兹。
10.根据权利要求1所述的异步光学采样和双光梳集成的太赫兹波谱***，其特征在于：
其中，所述第一光电导天线为蝶形天线或偶极子天线的任意一种，
所述第二光电导天线为蝶形天线或偶极子天线的任意一种。
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