CN205843813U - 一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，用于太赫兹脉冲产生的激发飞秒脉冲和用于太赫兹脉冲时域探测的探测飞秒脉冲均在光纤中传输，用于时域的扫描延时线采用采用光纤拉伸器，采用高动态范围、宽带宽数据采集卡采集记录太赫兹脉冲时域电场信息并传输到计算器，进行实时数据处理、储存，从而实现太赫兹时域脉冲信号的采集、处理及储存。本实用新型***采用全光纤式设计有利于实现太赫兹时域光谱***的集成化、小型化，采用光纤拉伸器作为时域扫描延时线，提高太赫兹光谱检测和成像速率，且易于光纤***集成，采用数据采集卡采集记录太赫兹脉冲时域电场信息，可实现太赫兹时域脉冲信息的实时记录。

Description

一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的 装置

技术领域

本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及太赫兹波产生技术、太赫兹波探测技术、时域扫描技术，本发明适用于太赫兹时域光谱检测及成像应用。

背景技术

太赫兹光谱检测技术因太赫兹具有独特的指纹谱性、高穿透性等优良特性，在物理、化学、生物医学、安检等领域都具有广泛的应用。目前，应用于最为广泛的太赫兹光谱检测技术为太赫兹时域光谱技术。传统的太赫兹时域光谱***采用步进机械延时线改变探测飞秒脉冲与太赫兹脉冲之间的相对延时，实现对整个太赫兹时域电场波形进行采样。由于采用锁相放大技术进行太赫兹电场信号的探测记录，单个延时点的纪录时间在数十ms量级，因此，探测纪录整个太赫兹脉冲的时域电场波形所需时间在分钟量级，显示出了极大地实际应用局限性。

目前，快扫描太赫兹时域光谱技术主要有基于异步光学采样的快扫描太赫兹时域光谱技术、基于变腔光学采样的快扫描太赫兹时域光谱技术、基于振荡延时线的快扫描太赫兹时域光谱技术三种：

基于异步光学采样的快扫描太赫兹时域光谱技术，其时域扫描频率可达KHz以上，时域扫描范围大于100 ps，但是其需要两台飞秒激光器，造价昂贵，且需要对于两台飞秒激光器进行同步，***操作复杂，对外界环境要求高，难以在实际中得到广泛应用；

基于变腔光学采样的快扫描太赫兹时域光谱技术，可在100 Hz扫描频率下实现数十ps范围内的时域扫描，但其对飞秒激光器的工作稳定性要求很高，对于工作环境的适应性差，也在实际中展现出极大地应用局限性；

基于振荡延时线的快扫描太赫兹时域光谱技术，其时域扫描频率低，一般在10Hz量级，同时，其需将在光纤中传输的飞秒脉冲耦合到自由空间，经过振荡延时线后再将飞秒脉冲耦合到光纤中传输，故其对振荡延时线的运动扫描的准直度要求很高，且对环境的振动非常敏感，在实际中展现出极大地应用局限性。

发明内容

本发明的目的是为了推进太赫兹时域光谱检测技术在实际中的应用，提出了一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱技术，并给出了太赫兹时域脉冲信号探测提取方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，用于太赫兹脉冲产生的激发飞秒脉冲和用于太赫兹脉冲时域探测的探测飞秒脉冲均在光纤中传输，

用于时域的扫描延时线采用采用光纤拉伸器，

采用高动态范围、宽带宽数据采集卡采集记录太赫兹脉冲时域电场信息并传输到计算器，进行实时数据处理、储存，从而实现太赫兹时域脉冲信号的采集、处理及储存。

基于上述技术方案的一种扫描***，包括：飞秒激光器，所述飞秒激光器的输出端通过光钎连接到光纤耦合器，所述光纤耦合器输出的两路，一路经过无色散光纤传输链路后输入到光纤耦合太赫兹发射器，另一路经过无色散光纤传输链路后输入到光纤耦合太赫兹探测器；所述光纤耦合太赫兹探测器与光钎耦合器之间设置一个光钎拉伸器，光钎拉伸器的信号端与光纤耦合太赫兹探测器之间依次连接信号发生源与数据采集卡。

在上述技术方案中，所述信号发生源与光钎拉伸器之间、光纤耦合太赫兹探测器与信号发生源之间通过数据线连接。

在上述技术方案中，所述光钎为单模光纤或者保偏光纤。

在上述技术方案中，所述无色散光纤传输链路包括单模光纤、保偏光纤的其中一种与色散补偿光纤相结合。

在上述技术方案中，包括以下步骤：

光纤飞秒激光器输出的飞秒脉冲经过分光比为50:50的光纤耦合器后分为两束；

一束作为太赫兹脉冲发射器的激发飞秒脉冲源，经过无色散光纤传输链路后，入射到太赫兹脉冲发射器中；

一束作为太赫兹脉冲探测器的探测飞秒脉冲源，经过无色散光纤传输链路后，入射到太赫兹脉冲探测器中；

太赫兹脉冲与探测飞秒脉冲的相对时间延迟通过光纤拉伸器，在电学调制信号的作用下，实现相对时间延迟的高速、周期性变化，采样探测输出正比太赫兹脉冲时域电场强度的弱电流信号；

太赫兹脉冲探测器输出电流信号，经过低噪声放大后转换为电压信号；

用高动态范围、宽带宽数据采集卡实时采集记录电压信号，并将其传输给计算器，进行实时数据处理、储存。

在上述技术方案中，所述电流信号是由入射到太赫兹脉冲探测器中的飞秒脉冲源激发光电导材料产生瞬时光生载流子，并在太赫兹脉冲瞬时电场作用下，产生于太赫兹瞬时电场强度成正比的电流信号。

与现有技术相比，本发明：

1、***采用全光纤式设计，用于太赫兹脉冲产生的激发飞秒脉冲和用于太赫兹脉冲时域探测的探测飞秒脉冲均在光纤中传输，其优点在于提高了飞秒脉冲传输的稳定性，提高***的环境适用性；同时，全光纤化设计有利于实现太赫兹时域光谱***的集成化、小型化；

2、采用光纤拉伸器作为时域扫描延时线，其优点在于时域扫描频率快，最高可达到kHz，从而缩短太赫兹时域光谱***的单次时域扫描时间，提高太赫兹光谱检测和成像速率，且易于光纤***集成；

3、***采用高动态范围、宽带宽数据采集卡采集记录太赫兹脉冲时域电场信息，其优点在于，相比锁相放大探测记录技术，信号采集速率快，可实现太赫兹时域脉冲信息的实时记录。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明基于光纤拉伸器的高速时域扫描太赫兹光谱技术***结构图；

其中：1是光纤飞秒激光器；2是光纤耦合器；3是色散补偿光纤；4是衰减器；5是光纤拉伸器；6是光纤耦合太赫兹发射器；7是光纤耦合太赫兹探测器；8是离轴抛物面镜；9是太赫兹波；10是单模光纤或者保偏光纤；11是电学偏压源；12是数据采集卡；13是计算机；14是数据电缆线；15是串口通信线；16是信号发生源；17是数据采集触发信号。

具体实施方式

本发明基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱技术，主要包括光纤飞秒激光器、飞秒脉冲传输无色散光纤链路、光纤耦合式太赫兹脉冲发射器、光纤耦合式太赫兹脉冲探测器、光纤拉伸器及其电学调制信号发生源、以及信号采集及处理部分。分别如下：

光纤飞秒激光器：基于被动锁模机理输出中心波长在1550nm波段、时域脉宽低于100 fs的全光纤式飞秒脉冲激光源，作为太赫兹脉冲发射器和探测器的飞秒脉冲激发源

飞秒脉冲传输无色散光纤链路：采用单模光纤（或者保偏光纤）与色散补偿光纤相结合的方式，实现整个光纤传输链路的总色散量为零，即保证飞秒脉冲经过整个光纤链路传输后，其时域脉宽不展宽，仍为飞秒脉冲。

光纤耦合式太赫兹脉冲发射器：基于光电导原理，飞秒脉冲激发光电导材料产生瞬时光生载流子，光生载流子在直流偏压作用下，加速运动形成瞬时光电流，进而辐射出宽带太赫兹脉冲。

光纤耦合式太赫兹脉冲探测器：基于光电导原理，飞秒脉冲激发光电导材料产生瞬时光生载流子，光生载流子在太赫兹瞬时电场作用下，加速运动形成瞬时光电流，其值的大小正比于太赫兹的瞬时电场强度，且电流方向与太赫兹瞬时电场方向一致，从而实现太赫兹脉冲瞬时电场强度的探测。

光纤拉伸器及其电学调制信号发生源：在电学调制信号作用下，周期性改变太赫兹脉冲与探测飞秒脉冲的相对时间延迟，结合光纤耦合式太赫兹脉冲探测器，实现对太赫兹脉冲时域电场信号光学采样探测记录。

信号采集及处理部分：首先将太赫兹脉冲探测器输出的瞬时弱电流信号进行低噪声放大转换为电压信号，然后采用高动态范围、宽带宽数据采集卡采集记录电压信号，并实时传输在计算机，进行实时数据处理。

图1为本发明一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱技术的整体结构原理图，其工作方式为：光纤飞秒激光器输出的飞秒脉冲经过分光比为50:50的光纤耦合器后分为两束：一束作为太赫兹脉冲发射器的激发飞秒脉冲源，经过无色散光纤传输链路后，入射到太赫兹脉冲发射器中，激发光电导材料产生瞬时光生载流子，光生载流子在直流偏压作用下做加速运动，从而辐射出宽带太赫兹脉冲，产生的宽带太赫兹脉冲经过准光学传输模块后（如图1中所示的一对离轴抛物面镜），聚焦到太赫兹探测器中；一束作为太赫兹脉冲探测器的探测飞秒脉冲源，经过无色散光纤传输链路后，入射到太赫兹脉冲探测器中，激发激发光电导材料产生瞬时光生载流子，并在太赫兹脉冲瞬时电场作用下，产生于太赫兹瞬时电场强度成正比的电流信号。太赫兹脉冲与探测飞秒脉冲的相对时间延迟通过光纤拉伸器，在电学调制信号的作用下，实现相对时间延迟的高速、周期性变化，从而实现对太赫兹脉冲的整个时域电场信号采样探测，输出正比太赫兹脉冲时域电场强度的弱电流信号。太赫兹脉冲探测器输出电流信号，经过低噪声放大后转换为电压信号，然后采用高动态范围、宽带宽数据采集卡实时采集记录电压信号，并将其传输给计算器，进行实时数据处理、储存，从而实现太赫兹时域脉冲信号的采集、处理及储存。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，其特征在于：

用于太赫兹脉冲产生的激发飞秒脉冲和用于太赫兹脉冲时域探测的探测飞秒脉冲均在光纤中传输，

用于时域的扫描延时线采用采用光纤拉伸器，

采用高动态范围、宽带宽数据采集卡采集记录太赫兹脉冲时域电场信息并传输到计算器，进行实时数据处理、储存，从而实现太赫兹时域脉冲信号的采集、处理及储存。

2.一种基于权利要求1所述的一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，其特征在于包括：飞秒激光器，所述飞秒激光器的输出端通过光钎连接到光纤耦合器，所述光纤耦合器输出的两路，一路经过无色散光纤传输链路后输入到光纤耦合太赫兹发射器，另一路经过无色散光纤传输链路后输入到光纤耦合太赫兹探测器；所述光纤耦合太赫兹探测器与光钎耦合器之间设置一个光钎拉伸器，光钎拉伸器的信号端与光纤耦合太赫兹探测器之间依次连接信号发生源与数据采集卡。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，其特征在于所述信号发生源与光钎拉伸器之间、光纤耦合太赫兹探测器与信号发生源之间通过数据线连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，其特征在于所述光钎为单模光纤或者保偏光纤。

5.根据权利要求2所述的一种基于光纤拉伸器的全光纤式时域快扫描太赫兹光谱的装置，其特征在于所述无色散光纤传输链路包括单模光纤、保偏光纤的其中一种与色散补偿光纤相结合。