CN114279999B - 一种去锁相太赫兹时域光谱*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种去锁相太赫兹时域光谱***。该***包括光纤飞秒激光器、光纤分束器、合波器、分波器、快速扫描延迟线、延迟线控制器、发射光电导天线、接收光电导天线，该***中的接收光电导天线产生的微弱电流信号经过电流放大器进行信号放大，不需要锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，直接利用延迟线的快速扫描实现多个太赫兹光谱求平均来提高信噪比，并且延迟线运动过程中的实际位置采用光学干涉的方法进行测量，减小由延迟线步进和机械振动引起的位置偏差，提高了整个***的抗干扰性。

Description

一种去锁相太赫兹时域光谱***

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种去锁相太赫兹时域光谱***。

背景技术

太赫兹波(THz)一般指电磁频谱上频率在0.1～10THz之间，波长范围在0.03mm～3mm之间的电磁波，其介于微波和红外波之间。从频率上看，该波段属于远红外波段，同时也是宏观电子学向微观光子学的过渡区。太赫兹波具有多种独特的物理性质，例如太赫兹波穿透性好：许多非金属非极性材料，例如陶瓷、泡沫、塑料、复合材料等在太赫兹波段内缺乏相应的振动模式且散射率较低，因此太赫兹波可以对此类材料进行检测；太赫兹波分辨率高：太赫兹波的短波长特性使其在成像应用中有更高的空间分辨率；太赫兹波能级低且可实现非接触：太赫兹波具有较低的光子能，不会破坏被检测物质，对人体无害，而且太赫兹检测属于非接触检测，不会对被测表面造成二次损伤，更易于实现对材料的无损检测。

现有太赫兹时域光谱***使用的延迟线大多采用线性步进导轨式平移方式，扫描速度慢，信号噪声大，因此必须配合锁相放大器来提高***信噪比，造成整套***结构复杂、体积较大，不便于操作使用。

发明内容

发明目的：提供一种去锁相太赫兹时域光谱***，无需配合使用锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，简化***结构，提高集成化程度。

技术方案：

第一方面，提供了一种去锁相太赫兹时域光谱***，包括：光纤飞秒激光器1、光纤分束器2、快速扫描延迟线3、延迟线控制器4、发射光电导天线6、接收光电导天线7、电流放大器8、合波器11、分波器12，其中，所述光纤分束器2与光纤飞秒激光器1、合波器11、发射光电导天线6采用保偏光纤连接，合波器11与快速扫描延迟线3、延迟线控制器4采用保偏光纤连接，分波器12与快速扫描延迟线3、延迟线控制器4、接收光电导天线7采用保偏光纤连接，光纤飞秒激光器1产生的飞秒激光经过光纤分束器2分成泵浦光和探测光，泵浦光通过保偏光纤直接连接发射光电导天线6，合波器11将经光纤分束器2分束后的探测光和延迟线控制器4内部干涉光装置发出的干涉光合并成一路，并由光纤传输至快速扫描延迟线3的输入接口，分波器12将快速扫描延迟线3输出接口输出的光信号还原成探测光和干涉光，探测光经由光纤传输至接收光电导天线7，干涉光经由光纤传输至延迟线控制器4内部干涉光接收装置，接收光电导天线7在太赫兹辐射和探测光的作用下将探测到的太赫兹辐射转换成微弱的电流信号并输出。

进一步地，光纤分束器2将光纤飞秒激光器1产生的飞秒激光按20:80的功率比例进行分束，20％作为泵浦光通过保偏光纤连接发射光电导天线6，80％作为探测光通过保偏光纤连接快速扫描延迟线3。

进一步地，快速扫描延迟线3内部光路上设置有偏振分光棱镜23、第一全反射镜24、第二全反射镜25、第三全反射镜26、第四全反射镜28、第五全反射镜29、四分之一玻片27，其中，偏振分光棱镜23将输入光信号衰减50％功率后透射给反射镜24以及将由反射镜24反射回来的光信号衰减50％功率后反射到反射镜29，四分之一玻片27设置在第三全反射镜26和第四全反射镜28之间用于保证经由全反射镜28反射回来的光信号偏振态不发生变化。

进一步地，第一全反射镜24、第二全反射镜25在音圈电机和线性导轨式平移台的带动下，高速往复运动，实现太赫兹时域光谱信号的快速多次扫描。

进一步地，延迟线控制器4控制快速扫描延迟线3内部线性步进导轨式平移台和音圈电机的运动来调整太赫兹脉冲与探测光之间的相对光程差，利用等效采样原理逐点扫描得到太赫兹脉冲的整个时域波形。

进一步地，还包括偏置电压源5，用于为发射光电导天线6提供偏置电压，以产生太赫兹辐射。

进一步地，发射光电导天线6为1560nm光纤耦合型太赫兹天线，太赫兹波发散角为±12.5°，泵浦光光功率不能大于30mW，偏置电压不能大于100V，调制频率最高75KHz。

进一步地，电流放大器8将接收光电导天线7输出的电流信号放大后转换成电压信号输出。

有益效果：

由于采用快速扫描延迟线，在保证高信噪比的前提下，省去了以往太赫兹时域光谱***所必须的锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，进一步提高了太赫兹时域光谱***的集成度，同时具有很快的扫描速度和很宽的扫描范围。

附图说明

图1去锁相太赫兹时域光谱***总体框图；

1是光纤飞秒激光器，2是光纤分束器，3是快速扫描延迟线，4是延迟线控制器，5是偏置电压源，6是发射光电导天线，7是接收光电导天线，8是电流放大器，9是采集卡，10是上位机及软件，11是合波器，12是分波器。

图2去锁相太赫兹时域光谱***测量光路示意图；

第一离轴抛物面金属镜13、第二离轴抛物面金属镜14、第三离轴抛物面金属镜15、第四离轴抛物面金属镜16，第一TPX透镜17、第二TPX透镜18、第三TPX透镜19、第四TPX透镜20，21是反射式测量光路，22是透射式测量光路。

图3是快速扫描延迟线内部光路示意图；

23是偏振分光棱镜，第一全反射镜24、第二全反射镜25、第三全反射镜26、第四全反射镜28、第五全反射镜29，27是四分之一玻片。

具体实施方式

本发明公开了一种去锁相太赫兹时域光谱***，该***包括光纤飞秒激光器、光纤分束器、合波器、分波器、快速扫描延迟线、延迟线控制器、偏置电压源、发射光电导天线、接收光电导天线、电流放大器、采集卡、上位机及软件。该***中的接收光电导天线产生的微弱电流信号经过电流放大器进行信号放大后直接进入采集卡采集并输入到上位机，不需要锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，直接利用延迟线的快速扫描实现多个太赫兹光谱求平均来提高信噪比，并且延迟线运动过程中的实际位置采用光学干涉的方法进行测量，减小由延迟线步进和机械振动引起的位置偏差，提高了整个***的抗干扰性。由于采用快速扫描延迟线，在保证高信噪比的前提下，省去了以往太赫兹时域光谱***所必须的锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，进一步提高了太赫兹时域光谱***的集成度，同时具有很快的扫描速度和很宽的扫描范围。

下面结合附图和具体实施方式来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

如图1，一种去锁相太赫兹时域光谱***，用于产生太赫兹光谱信号，包括：光纤飞秒激光器1，用于产生飞秒激光；光纤分束器2，用于对光纤飞秒激光器1产生的飞秒激光分成两束，分别为泵浦光和探测光；快速扫描延迟线3，用于产生光程差，通过循环往复运动实现对太赫兹信号的快速等效采样；延迟线控制器4，用于控制快速扫描延迟线3的运动状态和测量快速扫描延迟线3的实际运动位置；合波器11，用于将探测光和干涉光合成一路并输入快速扫描延迟线；分波器12，用于将经过快速扫描延迟线的探测光和干涉光分成两路；偏置电压源5，用于为发射光电导天线6提供偏置电压；发射光电导天线6，用于在泵浦光和偏置电压的共同作用下产生太赫兹辐射；接收光电导天线7，用于接收太赫兹辐射并在探测光的共同作用下产生微弱电流信号；电流放大器8，用于对接收光电导天线7输出的微弱电流信号进行放大并转换成电压信号；采集卡9，用于将电流放大器8输出的模拟信号转换为数字信号；上位机及软件10，用于与硬件的通讯、***控制和采集数据的显示处理等。该***不需要锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块，直接利用延迟线的快速往复运动获得多个信号并求平均来实现高质量太赫兹时域光谱的探测。

所述光纤飞秒激光器1产生的激光脉冲中心波长为1560±20nm，脉宽小于90fs，重复频率为100MHz，脉冲能量大于100mW，稳定性高，体积较小。

所述光纤分束器2与光纤飞秒激光器1之间采用保偏光纤连接，用于将光纤飞秒激光器1产生的飞秒激光按20:80的功率比例进行分束，其中20％作为泵浦光通过保偏光纤连接发射光电导天线6，80％作为探测光通过保偏光纤连接快速扫描延迟线3，经过快速扫描延迟线3输出后再通过保偏光纤连接接收光电导天线7。

如图2和3，所述快速扫描延迟线3内部光路由偏振分光棱镜23、第一全反射镜24、第二全反射镜25、第三全反射镜26、第四全反射镜28、第五全反射镜29、四分之一玻片27组成。其中偏振分光棱镜23有两个作用，一个是将输入光信号衰减50％功率后透射给反射镜24，另一个是将由反射镜24反射回来的光信号衰减50％功率后反射到反射镜29，起到隔离作用，并使快速扫描延迟线3的输出光功率编程输入光功率的四分之一，可作为探测光直接接入接收光电导天线7。第一全反射镜24、第二全反射镜25、第三全反射镜26、第四全反射镜28、第五全反射镜29用于对光信号实现全反射，其中第一全反射镜24、第二全反射镜25、在音圈电机和线性导轨式平移台的带动下，实现高速往复运动，实现太赫兹时域光谱信号的快速多次扫描。四分之一玻片27用于保证经由第四全反射镜28反射回来的光信号偏振态不发生变化。

通过延迟线控制器4控制快速扫描延迟线3内部线性步进导轨式平移台和音圈电机的运动来调整太赫兹脉冲与探测光之间的相对光程差，利用等效采样原理逐点扫描得到太赫兹脉冲的整个时域波形。延迟线控制器4内部设有干涉光发射和接收装置，该装置用于产生和探测干涉光，实现快速扫描延迟线3中第一全反射镜24、第二全反射镜25的当前位置信息获取，用于校正延迟误差。

所述合波器11具有波分复用功能，用于将经光纤分束器2分束后的探测光和延迟线控制器4内部干涉光装置发出的干涉光合并成一路，并由光纤传输至快速扫描延迟线3的输入接口。

所述分波器12具有解波分复用功能，用于将快速扫描延迟线3输出接口输出的光信号还原成两路，分别为探测光和干涉光。其中探测光经由光纤传输至接收光电导天线7，干涉光经由光纤传输至延迟线控制器4内部干涉光接收装置。

所述偏置电压源5的作用是为发射光电导天线6提供偏置电压，以产生太赫兹辐射。

所述发射光电导天线6包含两个输入接口，分别为泵浦光输入和偏置电压输入，在二者的共同作用下产生太赫兹辐射。发射光电导天线6为1560nm光纤耦合型太赫兹天线，太赫兹波发散角为±12.5°，泵浦光光功率不能大于30mW，偏置电压不能大于100V，调制频率最高75KHz。

所述接收光电导天线7在太赫兹辐射和探测光的作用下将探测到的太赫兹辐射转换成微弱的电流信号并输出，要求探测光光功率不能大于30mW。

所述电流放大器8的作用是将接收光电导天线7输出的电流信号进行放大并转换成电压信号后传输给采集卡9。电流放大器8与接收光电导天线7之间的电缆长度尽量短，减少信号损失。

上位机及软件10中的上位机采用集成主机与显示屏的一体机，其中显示屏具有触摸操作功能。

发射光电导天线6、一英寸第一离轴抛物面金属反射镜13和第四离轴抛物面金属镜16(焦距f＝50.4mm)、一英寸第二离轴抛物面金属反射镜14和第三离轴抛物面金属镜15(焦距f＝100.8mm)和接收光电导天线7组成反射式测量光路21，可以实现对物体的反射式太赫兹光谱测量。

发射光电导天线6、一英寸第一TPX透镜17和第四TPX透镜20(焦距f＝100.8mm)、一英寸第二TPX透镜18和第三TPX透镜19(焦距f＝50.4mm)和接收光电导天线7组成透射式测量光路22，可以实现对物体的透射式太赫兹光谱测量。

工作原理：

根据光纤飞秒激光器内部色散补偿光纤的长度、离轴抛物面金属反射镜或TPX透镜的焦距、快速扫描延迟线的扫描范围计算出泵浦路和探测路的光纤长度。使用20：80光纤分束器2将光纤飞秒激光器1发出的飞秒激光进行分束，其中20％作为泵浦光通过保偏光纤直接连接发射光电导天线6，80％作为探测光通过保偏光纤经合波器后连接快速扫描延迟线3输入，经过快速扫描延迟线3输出后再通过保偏光纤经分波器后连接收光电导天线7。完成泵浦路和探测路光纤连接后，根据需要搭建反射式或透射式测量光路，其中反射式测量光路19由发射光电导天线6、接收光电导天线7、2个焦距f＝50.4mm(13和16)和2个焦距f＝100.8mm(15和14)的离轴抛物面金属镜组成，发射光电导天线6辐射出发散的太赫兹波经过第一个离轴抛物面金属镜13准直，到达第二个离轴抛物面金属镜14后汇聚到样品表面，被样品反射后再次离轴抛物面金属镜15和16反射，最后到达接收光电导天线7；透射式测量光路22由发射光电导天线6、接收光电导天线7、2个焦距f＝50.4mm(17和20)和2个焦距f＝100.8mm(19和18)的TPX透镜组成，发射光电导天线6辐射出发散的太赫兹波经过第一个TPX透镜17准直，到达第二个TPX透镜18后汇聚到样品内部，之后再次经过两个TPX透镜(19和20)到达接收光电导天线7。然后，根据示意图将快速扫描延迟线3、延迟线控制器4、偏置电压源5、发射光电导天线6、接收光电导天线7、电流放大器8、采集卡9和上位机及软件10进行连接。最后，通过移动快速扫描延迟线3找到太赫兹信号，获得太赫兹时域光谱，进行物体的太赫兹时域光谱测量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.设计的快速扫描延迟线具有对激光功率的衰减功能，其输出的飞秒激光可直接用于发射光电导天线的探测光输入，而不必再另外使用衰减器，简化了***结构；

2.设计了基于干涉原理的时间延迟直接测量方法，利用干涉方法直接测量***中延迟线的当前位置信息，可更加准确地获得延迟线的位置信息，在保证检测效率的同时提高了抗干扰性；

3.设计的去锁相太赫兹时域光谱***，无需配合使用锁相放大器或者具有锁相功能的软件及硬件模块来提高信噪比，简化了***结构，同时结合集成主机与触摸显示屏的一体机，提高了集成化程度。

Claims (8)

1.一种去锁相太赫兹时域光谱***，其特征在于，包括：光纤飞秒激光器(1)、光纤分束器(2)、快速扫描延迟线(3)、延迟线控制器(4)、发射光电导天线(6)、接收光电导天线(7)、电流放大器(8)、合波器(11)、分波器(12)，其中，所述光纤分束器(2)与光纤飞秒激光器(1)、合波器(11)、发射光电导天线(6)采用保偏光纤连接，合波器(11)与快速扫描延迟线(3)、延迟线控制器(4)采用保偏光纤连接，分波器(12)与快速扫描延迟线(3)、延迟线控制器(4)、接收光电导天线(7)采用保偏光纤连接，光纤飞秒激光器(1)产生的飞秒激光经过光纤分束器(2)分成泵浦光和探测光，泵浦光通过保偏光纤直接连接发射光电导天线(6)，合波器(11)将经光纤分束器(2)分束后的探测光和延迟线控制器(4)内部干涉光装置发出的干涉光合并成一路，并由光纤传输至快速扫描延迟线(3)的输入接口，分波器(12)将快速扫描延迟线(3)输出接口输出的光信号还原成探测光和干涉光，探测光经由光纤传输至接收光电导天线(7)，干涉光经由光纤传输至延迟线控制器(4)内部干涉光接收装置，接收光电导天线(7)在太赫兹辐射和探测光的作用下将探测到的太赫兹辐射转换成微弱的电流信号并输出，延迟线控制器(4)控制快速扫描延迟线(3)内部线性步进导轨式平移台和音圈电机的运动来调整太赫兹脉冲与探测光之间的相对光程差。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，光纤分束器(2)将光纤飞秒激光器(1)产生的飞秒激光按20:80的功率比例进行分束，20％作为泵浦光通过保偏光纤连接发射光电导天线(6)，80％作为探测光通过保偏光纤连接快速扫描延迟线(3)。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，快速扫描延迟线(3)内部光路上设置有偏振分光棱镜(23)、第一全反射镜(24)、第二全反射镜(25)、第三全反射镜(26)、第四全反射镜(28)、第五全反射镜(29)、四分之一玻片(27)，其中，偏振分光棱镜(23)将输入光信号衰减50％功率后透射给第一全反射镜(24)以及将由第一全反射镜(24)反射回来的光信号衰减50％功率后反射到第五全反射镜(29)，四分之一玻片(27)设置在第三全反射镜(26)和第四全反射镜(28)之间用于保证经由第四全反射镜(28)反射回来的光信号偏振态不发生变化。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，第一全反射镜(24)、第二全反射镜(25)在音圈电机和线性导轨式平移台的带动下，高速往复运动，实现太赫兹时域光谱信号的快速多次扫描。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，利用等效采样原理逐点扫描得到太赫兹脉冲的整个时域波形。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括偏置电压源(5)，用于为发射光电导天线(6)提供偏置电压，以产生太赫兹辐射。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，发射光电导天线(6)为1560nm光纤耦合型太赫兹天线，太赫兹波发散角为±12.5°，泵浦光光功率不能大于30mW，偏置电压不能大于100V，调制频率最高75KHz。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，电流放大器(8)将接收光电导天线(7)输出的电流信号放大后转换成电压信号输出。

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