CN101210874B - 测量太赫兹时域光谱的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种测量太赫兹时域光谱的方法及设备。该方法包括步骤：以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；以重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束作为探测光束；通过反馈调节的方式控制第一飞秒激光器和第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上；通过调节第一飞秒激光器和/或第二飞秒激光器的腔长，来将第一脉冲激光束的相位与第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定的相位差；测量在第一脉冲激光束与第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及通过对表示电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。同现有技术相比，本发明在保持高探测带宽的同时能保持高的频谱分辨力。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹时域光谱(THz-TDS：TerahertzTime-Domain Spectroscopy)测量技术，特别涉及一种通过使用飞秒脉冲激光产生并探测太赫兹脉冲来测量太赫兹时域光谱的方法及设备。
背景技术
随着太赫兹波(指波段范围为0.05～50THz，特别是0.1-10THz的电磁波)产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展。太赫兹时域光谱技术是太赫兹波研究领域最重要的技术之一。使用太赫兹时域光谱技术能获得被检测样品的太赫兹反射或透射光谱，所获光谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广泛应用于质量检测、安全检查及反恐等诸多应用领域。
文献1(张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光电子学进展，2005年7月，35～38页)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的频谱图(时域光谱)。
但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟装置。由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、位置的偏移等)的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如1ns甚至1ns以上)的测量，从而直接限制了其频谱分辨能力(典型值3-50GHz)。另外，基于机械时间延迟装置的系统扫描速度比较慢。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。
文献2(A.Bartels，etc.，High-resolution THz spectrometer with kHzscan rates，OPITCS EXPRESS，Vo1.14，No.1，p430～437)披露了一种太赫兹时域光谱方法，它是一种异步光学采样(Asynchronous OpticalSampling)时域光谱方法。在文献2的方法中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量方法需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2的方法中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Δf，则在1/Δf的时间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的时域谱。
如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去了机械时间延迟装置，并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使系统能保持高的频谱分辨能力(典型值：1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0.1ms，多次扫描信噪比典型值：60dB@60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激光器的重复频率(由典型值80MHz提高到了1GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(1GHz重复频率的理论频谱分辨率为1GHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种新的测量太赫兹时域谱的方法及设备，它通过调整两台工作在同样重复频率的飞秒激光器出射的两个光束之间的初始相位差来实现两个光束之间的时间延迟。
在本发明的一个方面，提出了一种测量太赫兹时域光谱的方法，包括步骤：以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束作为探测光束；通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上；通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长，来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定的相位差；测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。
此外，根据本发明的实施例，所述的方法还包括步骤：基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
在本发明的另一方面，提出了一种测量太赫兹时域光谱的设备，包括：第一飞秒激光器，以预定的重复频率发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；第二飞秒激光器，以所述重复频率发出第二脉冲激光束作为探测光束；重复频率和相位控制装置，通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上，并通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定的相位差；测量装置，测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及数据处理装置，通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。
此外，根据本发明的实施例，所述数据处理装置基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器的每一个都包括：连续激光泵浦源与飞秒振荡器。
此外，根据本发明的实施例，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器是分立式的。
此外，根据本发明的实施例，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器是集成式的。
此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器使用同一个连续激光泵浦源。
此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器使用各自的连续激光泵浦源。
此外，根据本发明的实施例，所述的设备还包括：第一分束镜，设置在所述第一飞秒激光器的输出端，用于反馈第一脉冲激光束；第一光电探测器，用于将反馈的第一脉冲激光束转换成电信号，作为所述重复频率和相位控制装置的反馈信号；第二分束镜，设置在所述第二飞秒激光器的输出端，用于反馈第二脉冲激光束；第二光电探测器，用于将反馈的第二脉冲激光束转换成电信号，作为所述重复频率和相位控制装置的反馈信号。
此外，根据本发明的实施例，所述第一分束镜和所述第一光电探测器集成在所述第一飞秒激光器内；所述第二分束镜和所述第二光电探测器集成在所述第二飞秒激光器内。
此外，根据本发明的实施例，所述第一分束镜和所述第一光电探测器与所述第一飞秒激光器是分开的；所述第二分束镜和所述第二光电探测器与所述第二飞秒激光器是分开的。
本发明由于采用了上述的方法和结构，使其与现有技术相比有如下几方面的优势：
1)光路中没有传统方式的机械时间延迟装置，减小了光路的调节难度并提高了时域波形的测量精度，加快了测量速度。
2)在本发明中，激光器的重复频率可以在数十兆到数G之间。因此，用户可以根据其对频谱分辨率的要求来进行选择。例如，当激光器重复频率工作在80MHz时，系统的最高频谱分辨能力就能达到80MHz。
3)与现有技术相比，由于使用本发明的方法和设备测量得到的太赫兹光谱同时具有频谱分辨力高及探测范围宽的特点，使得利用本发明的技术进行鉴别物质的能力大大加强。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：
图1是根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的设备的结构示意图；
图2是如图1所示的设备中的部分部件的详细结构示意图；以及
图3是说明根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的方法的流程图。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本发明的主题不清楚。
图1是根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的设备的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的设备包括工作在相同重复频率例如100MHz上的两台飞秒激光器2和4；太赫兹发射与探测组件3，其中包括了太赫兹发射器31、探测晶体34、光电转换器35、飞秒激光光路36、太赫兹光路33以及放置样品32的样品台等；两个分束镜8和9；两个光电探测器6和7；重复频率与相位控制部分1，其基于从光电探测器6和7反馈的信号将飞秒激光器2和4的重复频率稳定在预定的基准频率上的同时将飞秒激光器2和4所发出的两束激光之间的相位差调节到预定的值；以及基于计算机的数据采集与处理系统5。
这里，飞秒激光器2或4包括连续激光泵浦源与飞秒振荡器，它们可以是分立式的，也可以是集成一体式的。如果是分立式的，两个飞秒振荡器可以使用不同的连续激光泵浦源也可以使用同一个连续激光泵浦源。
样品32被放置在太赫兹光路中，可以采用某种形式的样品台。根据环境特点，样品台可以是普通试验台，也可能是密闭的、干燥的操作箱。分束镜8和9及光电探测器6和7可以被分别集成在飞秒激光器2和4的内部，这样容易保持稳定的光路。
如图1所示，重复频率和相位控制部分1接受数据采集和处理系统5发出的控制指令，控制飞秒激光器2和4使其工作在相同的重复频率，例如100MHz，同时根据指令要求调整两台飞秒激光器2和4发出的两束激光之间的相位差。飞秒激光器4发出的飞秒脉冲激光作为抽运光束，用来激发组件3中的太赫兹发射器31发射太赫兹脉冲。飞秒激光器2发出的飞秒脉冲激光作为探测光束入射到组件3中的探测晶体34上。也就是，太赫兹发射器31所发射的太赫兹脉冲与样品32相互作用后，沿着太赫兹光路33到达探测晶体34。探测晶体34在光电转换器35等外围元件的辅助下探测太赫兹脉冲在各个预定的相位差下的瞬时电场强度。具体而言，探测晶体34在太赫兹电场的作用下使飞秒激光器2发出的激光光束偏振方向发生了改变，光电转换器35测量在一定偏振方向上的激光幅度的微弱变化从而得到模拟信号形式的太赫兹电场强度DTS，然后通过数据信号线传输到数据采集和处理系统5。数据采集和处理系统5控制整个设备协调工作，并从组件3中获得在不同相位差下太赫兹脉冲的电场强度数据，进行傅立叶变换与处理后，最终得到太赫兹时域光谱。
图2是如图1所示的设备中的部分部件的详细结构示意图。如图2所示，数据采集与处理系统5包括数据采集单元51，它将从外部输入的以模拟信号DTS表示的太赫兹电场强度转换成数字数据；数据存储器52，它将数据采集单元51所采集的数字数据存储在其中；相位设定单元53，根据用户的输入预先设定多个相位(相位差)，例如θ1，θ2，…，θN。作为本发明的一个实施例，θ1＝0，θ2＝2×2π/65536，θ3＝3×2π/65536，…，θN＝65535×2π/65536；控制单元54，它根据预先设定的各个相位差，向重复频率和相位控制部分1发出控制指令，在重复频率稳定在预定的参考频率上的同时，指令重复频率和相位控制部分1将两束激光脉冲的相位差控制在各个预先设定的相位差θi(i＝1，2，…，N)，并且指令数据采集单元51采集各个相位差下的太赫兹电场强度数据Si(i＝1，2，…，N)；以及数据处理单元55，在获得各个相位差θi下的太赫兹电场强度Fi之后，它对控制单元54从数据存储器52中读出的这些相位差θi转换成相应的时间差Ti(i＝1，2，…，N)，并对太赫兹电场强度数据Fi(i＝1，2，…，N)进行傅立叶变换，从而得到了太赫兹脉冲的时域光谱。这里，由于重复频率是已知的，所以能够求出与重复频率相对应的一个2π周期的时间长度。因此，上述的相位差θi与转换的时间差Ti(i＝1，2，…，N)是一一对应的。
如图2所示，重复频率和相位控制部分1包括监测单元11，它基于基准频率FREF、控制单元54所提供的相位差、来自光电探测器6的反馈信号FBS1和来自光电探测器7的反馈信号FBS2的频率与相位，向调节单元12发出指令CTL1或者CTL2，命令其例如以压电的方式来调节飞秒激光器2或者4的腔长，从而使得飞秒激光器2和4的发出的激光脉冲的重复频率与参考频率相同，且二者之间的相位差与控制单元提供的相位差θi相同。在这种情况下，数据采集单元51获得该相位差θi下的太赫兹电场强度数据Si。然后，重复上述的操作，就可以得到各个相位差下的太赫兹电场强度。
图3是说明根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的方法的流程图。
如图3所示，用户通过数据采集和处理系统5中的相位设定单元53设定多个相位差，例如选定预定的相位区间例如0～2π和划分数N＝65536后，就确定了各个相位差θ1，θ2，…，θN(S10)。
然后，取第一个相位差θ1，以进行测量(S11)。监测单元11基于基准频率FREF、控制单元54所提供的相位差、来自光电探测器6的反馈信号FBS1和来自光电探测器7的反馈信号7的反馈信号FBS2的频率与相位，向调节单元12发出指令CTL1或者CTL2，命令其例如以压电的方式来调节飞秒激光器2或者4的腔长，从而使得飞秒激光器2和4发出的激光脉冲的重复频率与参考频率相同，且二者之间的相位差与控制单元提供的相位差θi相同(S12)。
然后，探测晶体34在光电转换器35等外围元件的辅助下探测太赫兹脉冲在该相位差下的瞬时电场强度。然后数据采集单元51将模拟形式的太赫兹电场强度信号DTS转换成数字数据，存储在数据存储单元52中(S13)。
接下来，控制单元54判断是否已经针对所有的预设相位差进行了测量(S14)。如果没有(S14：否)，则控制单元54取下一相位差(S15)，并且流程返回步骤S11，重复与上述相同的处理过程。
如果已经针对所有相位差进行了测量(S14：是)，则控制单元54从数据存储器52中读出这些相位差θi转换成相应的时间差Ti(i＝1，2，…，N)，并将读出的数据发送给数据处理单元54。然后，数据处理单元55对太赫兹电场强度数据Fi(i＝1，2，…，N)进行傅立叶变换，从而得到了太赫兹脉冲的时域光谱(S16)。最后，将所得到的时域光谱显示在屏幕上或者打印输出(S17)。
如上所述，这里，由于重复频率是已知的，所以能够容易计算出与重复频率相对应的一个2π周期的时间长度。因此，上述的相位差θi与转换的时间差Ti(i＝1，2，…，N)是一一对应的。此外，在上面的描述中，以0～2π的时间间隔测量了太赫兹电场强度，但是也可以取某一个预定的区间，例如0～π或者其中一段(例如峰值前后一定相位差范围内)的电场强度数据。
上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种测量太赫兹时域光谱的方法，包括步骤：
以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；
以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束作为探测光束；
通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上；
通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长，来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定的相位差；
测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及
通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：
基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
3.一种测量太赫兹时域光谱的设备，包括：
第一飞秒激光器，以预定的重复频率发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；
第二飞秒激光器，以所述重复频率发出第二脉冲激光束作为探测光束；
重复频率和相位控制装置，通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上，并通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定的相位差；
测量装置，测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及
数据处理装置，通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：
所述数据处理装置基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞秒激光器的每一个都包括：连续激光泵浦源与飞秒振荡器。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器是分立式的。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器是集成式的。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞秒激光器使用同一个连续激光泵浦源。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞秒激光器使用各自的连续激光泵浦源。
10.如权利要求3所述的设备，还包括：
第一分束镜，设置在所述第一飞秒激光器的输出端，用于反馈第一脉冲激光束；
第一光电探测器，用于将反馈的第一脉冲激光束转换成电信号，作为所述重复频率和相位控制装置的反馈信号；
第二分束镜，设置在所述第二飞秒激光器的输出端，用于反馈第二脉冲激光束；
第二光电探测器，用于将反馈的第二脉冲激光束转换成电信号，作为所述重复频率和相位控制装置的反馈信号。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一分束镜和所述第一光电探测器集成在所述第一飞秒激光器内；所述第二分束镜和所述第二光电探测器集成在所述第二飞秒激光器内。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一分束镜和所述第一光电探测器与所述第一飞秒激光器是分开的；所述第二分束镜和所述第二光电探测器与所述第二飞秒激光器是分开的。
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