CN108287132B - 一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法，本发明装置产生的触发信号，相比于双光子方式触发信号，有效的避免双光子在调节过程中所遇到的如倍频信号不易调出等一系列问题，并大大简化了光路的设计，以便于为进一步集成异步扫描系统提供便利；与利用双平衡探测器(DBM)相比，有效的避免了多次引入电学信号造成的触发信号不稳定，所获得的触发信号减小了约100fs‑200fs的抖动，对进一步获得稳定的高信噪比太赫兹信号提供了良好的先决条件。
Description
技术领域
本发明属于THz技术领域，具体涉及一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法。
背景技术
太赫兹是指频率段在0.1THz到10THz的电磁辐射波。这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。太赫兹波由于具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，在无损检测、无线通信、军用雷达、生化等众多领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来，众多研究小组开展了太赫兹时域光谱领域的研究。太赫兹波由于其所属频段的特点，以及许多生物分子的振动和转动能级均坐落在此频段内。使得太赫兹光谱成为检测生物分子以及疾病的有效手段。因此研究太赫兹光谱系统正成为国内外研究的重点。
THz-TDS系统作为一种有效的光谱检测手段，在未来的生物医学，无损检测及光谱成像领域中发挥越来越重要的作用。现阶段常见的太赫兹产生方法有光电导天线和光整流法，探测太赫兹的方法有光电导取样和电光取样法。
如图1所示，现阶段普遍应用的传统THz-TDS泵浦探测系统通过机械平移台的机械步进来实现对太赫兹信号的逐点扫描，机械电机每步进一次只会完成对太赫兹脉冲的某一点采样，因此，要想得到整个太赫兹脉冲，根据时域谱分辨率的需求步进电机需要移动几百到几千次，耗时几分钟到几十分钟甚至更长。所以，基于机械平移台的THz-TDS系统无法实现对太赫兹脉冲的快速采样。其具有如下缺点：
1)使用机械延迟装置，由于电机的机械弛豫时间，会导致扫描完所有的点要使用很长的时间，所以传统TDS系统得到一张太赫兹时域光谱一般需要几到几十分钟，时间很长。
2)机械平移台由于是利用电机产生运动，所以在移动的时候会产生振动，这种振动会对整个光学系统的光路结构产生影响，所以需要在光学平台上来进行试验，不易于集成，不利于制作可移动可便携的太赫兹时域光谱系统。
3)若平移台的搭建不够精确，光束会随着平移台的移动而产生微小的偏移，因此会对实验结果产生进一步的影响。
如图2所示，异步快速光学采样系统(ASOPS-THz-TDS)可以成功的避免由机械平移台引入的弊端。在ASOPS系统中有两台锁模飞秒激光器，其重复频率为几十兆赫兹到几G赫兹且可调，激光功率大约几百mW到几W，脉冲长度约为100fs，分别用作泵浦和探测激光，如图2所示。扫描过程中由高带宽反馈电子设备控制两激光器之间的重复频率差，其范围在小于1赫兹到几十K赫兹。由于重频差而实现自动扫描。与传统TDS系统不同，ASOPS系统需要产生一个触发信号来开始每次信号的采集。采样原理如图3所示。采集到的信号要进行多次平均，来降低随机噪声，用以获得较高的信噪比。得到稳定的触发信号至关重要，否则信号强度会大幅下降，而无法得到理想的信噪比。两台激光器分别产生泵浦(pump)脉冲和探测(probe)脉冲，其重复频率分别为f+Δf和f，两列脉冲对应的时间间隔为
Δτ为探测脉冲对泵浦脉冲的瞬间相应取样的步进时间，即为时间分别率。时间间隔1/(f+Δf)内对太赫兹信号的探测是由f/Δf个采样信号组成，所观测到的信号相比于时间轴被放大了p倍。
一个周期内的采样点数为
采集太赫兹脉冲单个点所用时间为：
每一个泵浦和探测脉冲重合一次则产生一个触发信号。触发信号周期为
即采集一个太赫兹所需时间也为T。
现阶段用于数据采集的触发信号常见的有两种，(1)将由两台激光器产生的两束激光分别经光电二极管转化为电信号，再经双平衡探测器(DBM)来产生触发信号用于数据采集。(2)利用双光子吸收来产生触发信号用于数据采集。其具体方法如下所示。
(1)使用DBM获得ASOPS数据采集触发信号(DATS)的实验装置如图4所示。来自泵浦和探测激光器的激光的一小部分，分别被馈送到两个单独的光电二极管。光电二极管将入射的脉冲激光信号转换为电流脉冲信号，并通过跨阻放大器(TIA)放大为合适振幅的电压脉冲信号，并进一步控制电子设备和DBM之间分配。基于二极管的DBM的电路原理图如图5所示。两个输入端口为“LO”和“RF”，输出端口为“IF”。使用DBM确保在IF端口仅生成和频和差频频率。再经低通滤波器滤掉和频，仅输出差频，示意图如图6所示。输出信号Δf可以直接用于触发信号。也可以输出信号经由正弦波转换成方波以提供“硬”边沿触发来提供触发信号。这种触发信号的dv/dt即上升沿的斜度是由2△f×Vpk给出的。
(2)使用双光子吸收来获取ASOPS数据采集触发信号(DATS)的实验装置如图7所示。来自泵浦和探测激光器的激光功率的一小部分经倍频晶体(BBO)倍频后，经光电二极管转化为电信号，利用非线性效应实现触发信号。
以上两种方法具有如下缺点:
经光电二极管转化为电信号，利用双平衡探测器产生触发信号，经过多次电学放大会造成所产生的触发信号不稳定，会有一定的抖动，对后续采集太赫兹信号时造成较为明显的误差。在对信号进行多次平均的过程中会大幅降低信号强度。
利用双光子吸收产生触发信号，需要经倍频晶体倍频后，利用光电二极管进行探测，此种方法需要一定的光强才能激发倍频晶体产生倍频信号，因此需要大功率的激光源，而易于集成的光纤飞秒激光器功率较低。另外，在调节倍频晶体产生倍频信号时需要实现两束飞秒激光(100fs＝30um)在时间与空间的重合，实验难度较大，且每次实验需要重新优化信号强度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种简单稳定的太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置。
一种触发信号产生装置，包括两台光纤飞秒脉冲激光器、光纤耦合器、平衡探测器以及示波器；
所述光纤耦合器接收所述两台光纤飞秒脉冲激光器输出的飞秒激光，进行干涉再分为两路送入所述平衡探测器中，得到的触发信号由示波器接收和显示。
进一步的，还包括两个光纤式光电导天线；两台光纤飞秒脉冲激光器分别定义为主激光器和从激光器；
主激光器输出的飞秒激光，经过一个光纤式光电导天线后，产生太赫兹脉冲，再经过样品后，由另一个光纤式光电导天线探测，太赫兹信号由所述示波器接收；
从激光器输出的飞秒激光，作为探测脉冲，经过另一个光纤式光电导天线后，太赫兹信号由所述示波器接收。
较佳的，所述两台光纤飞秒脉冲激光器的基频重复频率为100MHz，差频可调，调节范围为1Hz到10kHz，中心波长为1550nm，脉宽为75fs；两台光纤飞秒脉冲激光器中其中一台的功率为120mW，另一台激光器的功率为135mW。
较佳的，所述平衡探测器为THORLABS公司生产的PDB450C型号平衡探测器。
一种异步高速扫描系统，包括两台光纤飞秒脉冲激光器、光纤耦合器、平衡探测器、示波器、3个光纤端口耦合器、二分之一波片、偏振分光棱镜、两个光纤式光电导天线以及5个反射镜，如图5所示；
两台光纤飞秒脉冲激光器分别定义为主激光器和从激光器；
主激光器输出的一束飞秒激光的光路中依次设置二分之一波片和偏振分光棱镜；所述偏振分光棱镜的反射光路中依次设置反射镜M1、M2、第一光纤端口耦合器以及第一光纤式光电导天线；所述偏振分光棱镜的透射光路中依次设置反射镜M3、M4、M5、第二光纤端口耦合器以及第二光纤式光电导天线；主激光器输出的另一束飞秒激光接到所述光纤耦合器；
从激光器的一束飞秒激光经第三光纤端口耦合器送入第二光纤式光电导天线，输出信号由所述示波器接收；从激光器的另一束飞秒激光接到所述光纤耦合器；当飞秒脉冲在光纤偶合器中与主激光器脉冲在时间上重合而形成干涉，平衡探测器接收输出的两路信号后，产生触发信号，最后由示波器接收显示。
一种异步高速扫描系统的使用方法，包括：
(1)当主激光器工作、从激光器不工作时：一束飞秒脉冲激光经二分之一波片和偏振分光棱镜分为功率相等的两路，一路作为泵浦光经金反射镜M1和M2到达第一光纤耦合器，再耦合进入第一光纤式光电导天线，产生太赫兹波；另一路作为探测光经反射镜M3、M4和M5到达第二光纤耦合器，耦合进入第二光纤式光电导天线，用于探测太赫兹脉冲。此方法为传统TDS方法探测太赫兹信号，用于校准异步系统；
(2)当主、从激光器同时工作时，主激光器输出两束飞秒激光，其中一束飞秒激光脉冲经二分之一波片和偏振分光棱镜，此时调节二分之一波片使其透射光强为零，则反射光经金反射镜M1、M2后进入第一光纤端口耦合器耦合，最后进入第一光纤式光电导天线，用于产生太赫兹波；主激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器；
从激光器输出两束飞秒激光，其中一束飞秒脉冲经由第三光纤端口耦合器耦合进入第二光纤式光电导天线用于探测THz，最后所探测到的信号经放大电路进行放大，用示波器进行数据采集；从激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器；
当从激光器和主激光器的两束激光脉冲在时间上重合时则产生干涉信号。平衡探测器接收光纤耦合器输出的两路信号后，产生触发信号和拍频信号，将光信号转换为电信号后放大，最后由示波器接收显示。
本发明具有如下有益效果：
本发明装置产生的触发信号，相比于双光子方式触发信号，有效的避免双光子在调节过程中所遇到的如倍频信号不易调出等一系列问题，并大大简化了光路的设计，以便于为进一步集成异步扫描系统提供便利；与利用双平衡探测器(DBM)相比，有效的避免了多次引入电学信号造成的触发信号不稳定，所获得的触发信号减小了约100fs-200fs的抖动，对进一步获得稳定的高信噪比太赫兹信号提供了良好的先决条件。
附图说明
图1为传统THz-TDS系统光路图；
图2为异步扫描系统装置简图；
图3为异步扫描时域光谱系统原理图；
图4为DBM用来获取ASOPS数据触发信号示意图；
图5为DBM电路原理图；
图6为DBM工作原理图；
图7为双光子触发触发信号示意图；
图8为异步扫描成像系统图；
图9为本发明的采用平衡探测器触发ASOPS数据采集触发信号的原理图；
图10为平衡探测器原理示意图；
图11为模拟TIA非线性响应曲线图，上部曲线为增益响应，下部曲线为相位响应频率。
图12本发明基于光纤耦合器和平衡探测器获得的触发信号；
图13为串联低通滤波器后光纤耦合器和平衡探测器获得的触发信号；
图14为本发明提供的异步扫描系统与传统TDS集成光路图。
图15为不同差频下的异步扫描频域图；
图16为基于异步扫描与传统TDS系统所获的THz信号。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种用于异步高速扫描太赫兹时域系统(ASOPS-TDS)的简单稳定的数据采集触发信号产生装置，即利用光纤耦合器和平衡探测器来产生触发信号并通过示波器进行显示。本发明所提出的方法解决了常见的产生触发信号稳定性能差的问题。同时，本发明装置简化了系统光路，为异步高速扫描太赫兹时域光谱系统进一步集成打下了坚实的基础。
本发明的触发信号产生装置，如图8所示，包括光纤耦合器、平衡探测器以及一主、一从两台光纤飞秒激光器；两台光纤飞秒激光器的重复频率为f＝100MHz，△f可调，调节范围为在小于1Hz到10KHz，中心波长为1550nm，激光功率为主激光器120mw，从激光器为135mw，脉宽为75fs。光纤耦合器接收主激光器和从激光器输出的飞秒激光，进行干涉再分为两路激光，送入平衡探测器中，得到的触发信号由示波器接收和显示。在光纤耦合器中当两束激光在时间上重合则产生光学干涉信号，输入平衡探测器，如图9所示，分别来自主激光器和从激光器的激光功率的一小部分通过光纤耦合器被馈送到平衡探测器的两个堆叠的反向偏置光电二极管中，将光信号转变为电信号，如图10所示，然后将电信号馈入TIA，将电流信号转换为电压信号，两路正负信号相加，TIA输出拍频信号和由干涉产生的触发信号，最后经放大器放大后输出得到最佳的触发信号，如图12所示。
实验过程中，主激光器产生的激光送入THz天线，产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲经过样品后，携带样品信息，与从激光器产生的激光脉冲同时进入另一个THz天线，实现将太赫兹信号转变为电信号，由示波器接收后，结合已产生的触发信号，进行进一步的处理。
本发明所用到的平衡探测器为THORLABS(PDB450C),它适用的波长范围为800nm-1700nm。
图11为模拟的TIA的非线性放大系数。对于低频信号放大系数较小，而对于高频的干涉光学信号则有较大的放大系数。作为触发信号的干涉光学信号因具有高频特性而得到了较大的放大。这里，触发信号的上升沿的斜度将由在光纤耦合器中所产生的干涉信号给出，即dv/dt由2f×Vpk给出。因此，比较由DBM和由光纤耦合器所产生的两个触发信号，dv/dt的比为f/Δf。换句话说，与通过DBM获得的触发信号相比，由光纤耦合器和平衡探测器获得的触发信号稳定性高，错误或抖动减小了约100fs-200fs的偏移。可与利用双光子获得的触发信号达到相同的稳定性。本发明产生的触发信号如图12所示。图13所示，为使用串联滤波器从信号中去除拍频信号，使触发信号更加突出。
基于光纤耦合器和平衡探测器所产生的触发信号，本发明设计了如图14所示的传统TDS与ASOPS集成系统。由于传统TDS技术较为成熟，本发明系统可以为ASOPS提供校准方案，来进一步校准异步扫描的准确性。其具体工作过程如下：
(1)当主激光器单独工作时为传统TDS，一束飞秒脉冲激光经二分之一波片和偏振分光棱镜(二分之一波片和偏振分光棱镜可以调节两束光强)分为功率相等的两束，一路作为泵浦光经金反射镜M1、M2到达光纤端口耦合器1耦合进入第一光纤式光电导天线，用于产生THz；另一路作为探测光经金反射镜M3、M4、M5到达光纤端口耦合器2耦合进入第二光纤式光电导天线，用于探测THz脉冲。最后所得到的信号经锁相放大器放大，用计算机进行数据采集。
(2)当主、从激光器同时工作时，主激光器的一束飞秒激光脉冲经二分之一波片和偏振分光棱镜，此时调节二分之一波片使其透射光强为零，则反射光经金反射镜M1、M2后进入光纤端口耦合器1耦合，最后进入光纤式光电导天线，用于产生THz；主激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器用于产生触发信号；
从激光器出射的一路飞秒脉冲经由光纤端口耦合器3耦合进入光纤式光电导天线用于探测THz，最后所探测到的信号经放大电路进行放大，用示波器进行数据采集；从激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器与主激光器输入的光脉冲干涉；平衡探测器接收光纤耦合器输出的两路激光脉冲和干涉信号后形成拍频信号并放大，形成触发信号，最后由示波器接收显示。
本发明将传统TDS和ASOPS集成在一起，进一步提高了系统集成化程度，同时节省了光学器件的成本。
异步扫描速率与主、从激光器差频相关，图15为不同差频下的太赫兹频域图。为了进一步验证异步扫描所获得太赫兹信号的准确性，我们与传统TDS所扫描的太赫兹频域图进行比较如图16所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种异步高速扫描系统，其特征在于，包括两台光纤飞秒脉冲激光器、光纤耦合器、平衡探测器、示波器、3个光纤端口耦合器、二分之一波片、偏振分光棱镜、两个光纤式光电导天线以及5个反射镜；
两台光纤飞秒脉冲激光器分别定义为主激光器和从激光器；
主激光器输出的一束飞秒激光的光路中依次设置二分之一波片和偏振分光棱镜；所述偏振分光棱镜的反射光路中依次设置反射镜M1、M2、第一光纤端口耦合器以及第一光纤式光电导天线；所述偏振分光棱镜的透射光路中依次设置反射镜M3、M4、M5、第二光纤端口耦合器以及第二光纤式光电导天线；主激光器输出的另一束飞秒激光接到所述光纤耦合器；
从激光器的一束飞秒激光经第三光纤端口耦合器送入第二光纤式光电导天线，输出信号由所述示波器接收；从激光器的另一束飞秒激光接到所述光纤耦合器；当飞秒脉冲在光纤偶合器中与主激光器脉冲在时间上重合而形成干涉，平衡探测器接收输出的两路信号后，产生触发信号，最后由示波器接收显示。
2.一种如权利要求1所述的异步高速扫描系统的使用方法，其特征在于：
(1)当主激光器工作、从激光器不工作时：一束飞秒脉冲激光经二分之一波片和偏振分光棱镜分为功率相等的两路，一路作为泵浦光经金反射镜M1和M2到达第一光纤耦合器，再耦合进入第一光纤式光电导天线，产生太赫兹波；另一路作为探测光经反射镜M3、M4和M5到达第二光纤耦合器，耦合进入第二光纤式光电导天线，用于探测太赫兹脉冲， 此方法为传统TDS方法探测太赫兹信号，用于校准异步系统；
(2)当主、从激光器同时工作时，主激光器输出两束飞秒激光，其中一束飞秒激光脉冲经二分之一波片和偏振分光棱镜，此时调节二分之一波片使其透射光强为零，则反射光经金反射镜M1、M2后进入第一光纤端口耦合器耦合，最后进入第一光纤式光电导天线，用于产生太赫兹波；主激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器；
从激光器输出两束飞秒激光，其中一束飞秒脉冲经由第三光纤端口耦合器耦合进入第二光纤式光电导天线用于探测THz，最后所探测到的信号经放大电路进行放大，用示波器进行数据采集；从激光器的另一束飞秒激光脉冲进入光纤耦合器；
当从激光器和主激光器的两束激光脉冲在时间上重合时则产生干涉信号， 平衡探测器接收光纤耦合器输出的两路信号后，产生触发信号和拍频信号，将光信号转换为电信号后放大，最后由示波器接收显示。
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