CN101498879B - 脉冲激光装置、太赫兹测量装置和太赫兹层析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供脉冲激光装置、太赫兹测量装置和太赫兹层析装置。一种脉冲激光装置包括被配置为产生激光束的脉冲的激光器、光纤放大器和脉冲压缩器。光纤放大器包含在从激光器产生的激光束的波长处表现出正常色散的掺杂稀土的光纤。脉冲激光装置还包括被配置为在光纤放大器中已被啁啾的激光束的波长谱内对于与掺杂稀土的光纤的零色散波长对应的波长区域和/或比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失的单元。

Description

脉冲激光装置、太赫兹测量装置和太赫兹层析装置

技术领域

本发明涉及使用光纤的超短脉冲激光装置，并涉及使用从超短脉冲激光装置发射的激光束作为激励光源的太赫兹测量装置。

背景技术

最近，已开发了使用范围从毫米波到太赫兹(THz)波的电磁波(30GHz到30THz；以下简称为“THz”波)的无损感测技术。作为这种频带中的电磁波的一个应用领域，已开发了实现安全的透视装置替代X射线荧光镜的成像技术。作为其它的应用领域，还开发了测量物质内的吸收谱和复介电常数以检查耦合状态等的谱分析技术(spectroscopic technique)、分析生物分子的技术和评价载流子浓度和迁移率的技术。

鉴于在工厂的生产线中无损地执行质量检查的重要性，例如，还研究了对于检查成型品中的缺陷和/或外来物和检查化学物质中的成分、外来物和/或缺陷等的应用。在这些应用中，可通过利用THz波的透射率取得层析图像。化学物质包含例如诸如颜料和染料的墨水、调色剂、药品、化妆品和涂料。作为检查装置的例子，日本专利公开(PCT申请的翻译)No.2006-526774公开了通过使用THz-TDS(时域谱分析)应用于药品的检查的装置。通过该公开的装置，可基于THz波区域中的谱信息分析例如药品内的材料的种类。

在THz-TDS中，如日本专利公开(PCT申请的翻译)No.2006-526774公开的那样，需要用于产生和检测THz波的激励光源，该激励光源具有约100飞秒(fs)或更小的脉冲宽度。优选使用利用钛-蓝宝石晶体的脉冲激光器作为激励光源。

这种使用固态晶体的激光器在增加输出方面是有利的，但是它在输出稳定性和生产率方面是不令人满意的。并且，该激光器是十分昂贵的。因此，作为实际的光源，研究了光纤激光器的使用。

光纤激光器的优点在于，可以使用非常稳定的光纤放大器作为增益介质，并且，由于不必构建空间光学系统，因此尺寸可减小。另外，由于需要调整光轴的部分的数量大大减少，因此稳定性可增加，并且，由于生产率增加，因此成本可降低。

用于THz-TDS的激励光源需要具有不小于几十mW、希望不小于100mW的平均光学输出。难以仅仅通过使用光纤振荡器来构建具有这种高输出和超短脉冲的光纤激光器。因此，通常通过将发射种子光(seed light)的振荡器的输出连接到外部光纤放大器和外部光纤压缩器，实现这种类型的光纤激光器。作为现有技术的例子，日本专利No.2711778说明了在通过具有正常色散的掺杂稀土的光纤放大器放大种子光之后，通过使用异常色散光纤进行色散补偿，缩短脉冲的装置。此外，日本专利No.3811564说明了在基于利用拉曼孤子压缩的非线性效应缩短脉冲的同时，通过具有异常色散的掺杂稀土的光纤放大器，放大种子光的装置。

但是，不能说当前使用的光纤激光器具有足以增加THz波的输出并加宽傅立叶频带以提高THz-TDS测量装置的分析能力的输出。换句话说，当THz谱带被扩展为10THz或更大时，作为光学域中的激光脉冲的宽度，需要约10fs的超短脉冲。但是，到目前为止，难以实现具有不小于100mW的输出并输出这种超短脉冲的光纤激光器。

利用在上面引用的日本专利No.2711778中说明的装置，当放大的脉冲具有大的峰值时，用作色散补偿光纤的异常色散光纤由于非线性效应会使脉冲波长畸变，由此导致相位噪声和拉曼散射。换句话说，在实际的THz-TDS的激励光源中存在进一步改进的余地。为了这种改进，如在上面引用的日本专利No.2711778中说明的那样，通过用衰减器抑制光学输出，或者通过使用掺杂氟化Er的光纤以提供更大的正常色散来增加啁啾(chirp)量，降低脉冲的峰值。这是由于不被氟化的普通石英光纤在色散偏移量方面有限制。但是，当使用氟化光纤时，在稳定地使这些光纤相互熔合以在它们之间进行耦合方面出现困难。这种困难抵消了光纤激光器特有的减少空间点、降低成本并增加稳定性的优点。

另一方面，在上面引用的日本专利No.3811564中说明的装置在相对容易实现的异常色散区域中使用掺杂铒的光纤放大器作为石英光纤，并且利用拉曼孤子非线性压缩。但是，根据这种配置，随着输出增加，基于拉曼偏移的波长偏移增加，并且变得更加难以抑制依赖于时间的波形中的旁瓣，即基座(pedestal)。当通过使用光电导器件或非线性晶体产生THz波时，从设计值出现中心波长的偏移导致降低转换效率的问题，并且，由于因基座的存在产生的THz波，导致对于使用TDS的测量不希望有的噪声。

这些问题的一种可构想的解决方案是，通过使用普通石英光纤提供小的正常色散并在下游级中执行压缩。但是，当增加啁啾量时，即，当增加光纤长度时，为了克服在上面引用的日本专利No.2711778中说明的装置的问题，啁啾的光的能量扩展达到零色散波长区域，由此导致不希望的非线性效应，即四波混合。此外，当光学输出增加时，在更长的波长侧出现引起的拉曼散射。结果，在压缩之后的依赖于时间的波形中产生基座。

发明内容

因此，本发明的示例性实施例提供产生低的基座或减小的基座的脉冲激光装置。

根据本发明的一个示例性实施例，提供一种脉冲激光装置，该脉冲激光器包括：被配置为产生激光束的脉冲的激光器、光纤放大器和脉冲压缩器，其中，光纤放大器包含在从激光器产生的激光束的波长处表现出正常色散的掺杂稀土的光纤，并且，脉冲激光装置还包括被配置为在光纤放大器中已被啁啾的激光束的波长谱内对于与掺杂稀土的光纤的零色散波长对应的波长区域和/或比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失的单元。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种太赫兹脉冲产生装置，该太赫兹脉冲产生装置包括光电导器件或非线性晶体，和上述的脉冲激光装置，其中，通过将来自脉冲激光装置的激光束照射到光电导器件或非线性晶体，产生太赫兹脉冲。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种太赫兹测量装置，包括：上述的脉冲激光装置；和被配置为将脉冲激光装置的光学输出分成两个部分的分支单元，其中，光学输出的一部分被照射到第一光电导器件或第一非线性晶体以产生太赫兹脉冲，并且，光学输出的另一部分被照射到第二光电导器件或第二非线性晶体，以使得第二光电导器件或第二非线性晶体作为检测器运行，由此根据泵浦-探测测量执行太赫兹时域谱分析。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种太赫兹层析装置，其中，通过用上述太赫兹测量装置测量来自分析物的反射脉冲，获得分析物的内部层析图像数据，并且，基于获得的数据，内部层析图像被输出到输出单元。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种使用脉冲激光装置的方法，其中该方法包括将来自脉冲激光装置的激光束照射到光电导器件或非线性晶体，以产生太赫兹脉冲。

通过根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置，产生的激光束具有20fs或更小的脉冲宽度和200mW或更大的平均输出，并且，可实现在脉冲的依赖于时间的波形中具有低的基座的激光束的脉冲。此外，通过使用根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置作为光源，可提供令人满意的太赫兹测量装置。

从参照附图的示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置的框图。

图2示出根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置，特别是示出光纤放大器的详细配置。

图3是表示光纤放大器的色散状态的曲线图。

图4A和图4B分别是示出光纤放大器的滤波器功能的曲线图和示意图。

图5是表示本发明的示例性实施例中的脉冲激光输出的例子的曲线图。

图6是示出根据本发明的第一示例性实施例的太赫兹TDS测量装置的配置的示图。

图7是表示本发明的第一示例性实施例中的脉冲激光输出的二次谐波的曲线图。

图8A和图8B分别是表示用根据本发明的第一示例性实施例的太赫兹TDS测量装置而获得的信号的曲线图。

图9A是用于解释用根据本发明的第一示例性实施例的太赫兹TDS测量装置而获得的层析图像的的曲线图，图9B和图9C是用于解释用根据本发明的第一示例性实施例的太赫兹TDS测量装置而获得的层析图像的的图像。

图10示出根据本发明的第二示例性实施例的光纤放大器。

图11示出根据本发明的第三示例性实施例的脉冲激光装置，特别是光纤放大器的配置。

图12是表示在本发明的第四示例性实施例中使用的W型光纤的折射率轮廓的曲线图。

图13是用于解释本发明的第四示例性实施例中的弯曲效应的曲线图。

图14示出在本发明的第五示例性实施例中使用的光电导器件。

图15是表示本发明的第五示例性实施例中的信号的FFT(快速傅立叶变换)谱的曲线图。

图16是表示本发明的第五示例性实施例中的信号的依赖于时间的波形的曲线图。

图17A和图17B示出反射的回波脉冲的例子。

图18示出层析图像的例子。

图19是表示用于估计厚度分辨率的测量结果的曲线图。

图20是表示在本发明的第六示例性实施例中使用的光纤激光器的依赖于时间的波形的曲线图。

图21示出根据本发明的第六示例性实施例的TDS测量装置的配置。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置包括激光单元(种子光脉冲发生器)1、光纤放大器2和脉冲压缩器3。

光纤放大器2由在从激光单元1发射的激光束的波长处表现出正常色散的掺杂稀土的光纤构成。

脉冲激光装置还包括用于在光纤放大器2中已被啁啾的激光束的波长谱内对于与掺杂稀土的光纤的零色散波长对应的波长区域中的能量部分给予损失的单元。

作为替代方案，脉冲激光装置还包括用于对于比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失的单元。

当然，脉冲激光装置可包括用于对于零色散波长区域和比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失的单元。

这种配置可对于等于或长于零色散波长的波长区域中的能量部分给予损失，或者可截断这些能量部分。因此，当在脉冲压缩器3中执行色散补偿时，可以以使得减少基座或抑制基座的出现的状态获得光脉冲。

用于对于等于或长于零色散波长的波长区域中的激光束的能量部分给予损失的单元的例子是波长滤波器。作为替代方案，可通过至少在掺杂稀土的光纤的一部分中形成弯曲部分以在等于或长于零色散波长的波长区域中产生泄漏损失，设置损失给予单元。作为替代方案，还可通过构建掺杂稀土的光纤的至少一部分作为具有W状断面折射率轮廓的光纤，实现损失给予单元。

损失给予单元用于通过对于等于或长于零色散波长的波长区域中的激光束的能量部分给予损失，抑制在激光束经过掺杂稀土的光纤传播的过程中出现的高阶非线性效应(诸如四波混合现象和引起的拉曼散射)。

例如，从脉冲激光装置产生的激光束希望被设置为具有20fsec或更小的脉冲宽度以及200mW或更大的平均输出。

作为另一希望的变型，可通过设置能够在监视波形的同时调整弯曲部分的曲率的单元，使得上述的弯曲部分的曲率是可变的。

如后面在示例性实施例中说明的那样，可通过使用上述的脉冲激光装置，产生太赫兹脉冲。具体而言，可通过制备光电导器件或非线性晶体并将来自脉冲激光装置的激光束照射到光电导器件或非线性晶体，产生太赫兹脉冲。可以以这种方式提供太赫兹脉冲产生装置。

并且，除了脉冲激光装置以外，可制备分支部分。脉冲激光装置的光学输出通过分支部分被分为两个部分中。光学输出的一部分被照射到光电导器件或非线性晶体，以产生太赫兹脉冲。另一部分的光学输出被照射到第二光电导器件或第二非线性晶体上，使得第二光电导器件或第二非线性晶体作为检测器运行，由此根据泵浦-探测测量执行太赫兹时域谱分析。可以以这种方式提供太赫兹测量装置。在该太赫兹测量装置中，可通过使从脉冲激光装置输出的激光束穿过高次谐波发生器或通过使用已穿过高次谐波发生器的光，获得被照射到第二光电导器件或第二非线性晶体的光束。

并且，可通过用太赫兹测量装置测量从分析物反射的脉冲以获得分析物的内部断面图像数据，并通过基于获得的数据将内部断面图像输出到输出单元，提供太赫兹层析装置。

将参照附图一一说明脉冲激光装置、太赫兹脉冲产生装置、太赫兹测量装置和太赫兹层析装置。

首先说明根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置。

图1是示出脉冲激光装置的一般配置的框图。

种子光脉冲发生器1希望为通过使用光纤放大器以环的形式构建的孤子激光器。也可使用另一类型的飞秒激光器。这里，使用具有1558nm的振荡波长、约40MHz的重复率、320ns的脉冲宽度和约4mW的平均输出的孤子激光器。

种子光脉冲发生器1的光学输出通过与光纤熔接(fiber fusion)或透镜(未示出)耦合，被引导为进入根据本发明的示例性实施例的光纤放大器2。光纤放大器2的输出被引入由光纤或空间系统构建的脉冲压缩器3。脉冲压缩器3使光纤放大器2的输出成形并且输出与种子光脉冲相比具有更高的光学输出和更窄的脉冲宽度的光脉冲。

以下将参照图2和随后的附图说明脉冲激光装置，特别是光纤放大器的细节。图2中的振荡器4与图1中的种子光发生器1对应。为了使振荡器4的输出经由空间系统与光纤耦合，插入1/2波长板5以调整偏振的方向。为了输出的耦合，使用包含未示出的准直透镜(例如，猪尾型)的偏振保持型的单模石英光纤(SMF)6。此外，激光脉冲经由WDM(波分复用)耦合器7和偏振控制器8被传播到掺杂铒(Er)的光纤(EDF)9，并被掺杂铒的光纤9放大。放大的激光脉冲经由另一WDM耦合器10被输出，并且经由隔离器13与包含后面说明的光纤14和15的脉冲压缩器耦合。

分别用作激励光源的具有高功率(400mW)的三个1.48-μm LD12a到12c的输出经由WDM耦合器7和10被注入掺杂铒的光纤9。LD 12b和12c的输出在它们经由偏振保持耦合器11相互耦合之后被注入。

下面给出的表1列出这里使用的两个光纤6和9的规则。在耦合器部分等中使用的其它光纤也具有单模，但是各光纤的长度保持尽可能地短(约几厘米)。

表1

	二阶群速度色散β2	模式场直径MFD	非线性系数γ
				SMF6	-21.4ps2/km	9.3μm	1.89W-1km-1
EDF9	6.44ps2/km	8.0μm	2.55W-1km-1

由此，设置在输入级中的单模光纤表现出异常色散，并具有以负的色散使输入脉冲啁啾(预啁啾(pre-chirp))的作用。另一方面，掺杂铒的光纤9表现出低的正常色散，并在执行光学放大的同时导致具有基于自相位调制(SPM)的正常色散的波长啁啾。这里，SMF6和EDF9的长度分别被设为4.5m和6m，但是它们的实际长度不限于这些值。

调整偏振控制器8，使得光纤放大器的输出被最大化。可以为了反馈控制监视输出的一部分以在任何时候保证稳定的输出。

以下将参照图3说明光纤放大器在它执行光学放大的波长区域中的行为。

图3是以迭加的方式表示光纤色散量对于波长的依赖性(由色散曲线32表示)和光脉冲的谱强度的曲线图。通过在石英光纤中导致色散偏移以提供正常色散使得可以容易地在脉冲压缩器中执行色散补偿，形成在本发明的示例性实施例中使用的掺杂铒的光纤。从图3可以看出，掺杂铒的光纤在入射脉冲30的光谱的中心波长处表现出低的正常色散。在放大之后，作为经受功率增加和波长的啁啾的结果，入射脉冲30变为具有由31表示的谱的啁啾脉冲，使得光学能量扩展到光纤的零色散波长区域和异常色散区域(由阴影部分33表示)。由于出现各种非线性效应，因此这些区域中的光学能量以达到不被下游级中的脉冲压缩器充分补偿的程度或以在依赖于时间的波形中产生基座的程度，经受波长转换。

可通过有效去除在等于或长于零色散波长的波长上分布的光学能量(即，图3的曲线图中的异常色散区域33)，避免这些问题。图4A和图4B示出用于有效去除光学能量的示例性实施例。

如图4B所示，依赖于光纤被缠绕在线轴40周围时的曲率半径R，这里使用的掺杂铒的光纤41表现出不同的较长波长处的传播特性。原因在于，光纤的弯曲改变较长波长侧的全反射条件，并在光学能量可传播的波长上出现限制。图4A示出这种限制。从图4A可以看出，随着曲率半径R变小，如43c、43b和43a所示，弯曲损失增加的波长明显地逐渐向较短波长侧偏移。在图4A中，附图标记42和44分别表示异常色散区域和色散曲线。在本发明的示例性实施例中，如43b所示，掺杂铒的光纤被缠绕的曲率半径被调整为某值(例如，R＝3.5cm)，使得比零色散波长更长的波长区域中的光学能量不被泄漏以从光纤被输出。结果，可以防止不希望的非线性效应，并且可产生在压缩之后具有较小的基座的超短脉冲。

在示例性实施例中，从光纤放大器获得约400mW的光学输出，并且，在压缩之后，在1558nm处获得具有约200mW的输出和17fs的半值幅宽(见图5)的光脉冲。通过大直径光子晶体光纤14和高度非线性光纤15的组合，构建脉冲压缩器3。

作为光纤参数，光子晶体光纤14具有-30.3ps²/km的二阶群速度色散、26μm的模场直径、0.182W^-1km^-1的非线性系数和42cm的长度。高度非线性光纤15具有-14.6ps²/km的二阶群速度色散、4.53W^-1km^-1的非线性系数和1.5cm的长度。脉冲压缩器3的这种结构仅是一个例子。作为另一例子，可通过使用例如衍射光栅在空间上执行色散补偿。

虽然使用掺杂铒的光纤作为光纤放大器的光纤，但也可使用掺杂有诸如铥Tm或镱Yb的其它稀土元素的光纤。

通过上述的结构，光纤放大器用基于SPM的正常色散，执行入射光脉冲的波长啁啾和光学放大。此外，可通过利用光纤弯曲损失去除等于或长于零色散波长的波长区域中的光学能量。因此，即使当通过使用脉冲压缩器缩短脉冲时，也可获得具有小的基座的20fs的光脉冲。

除了上述的方法以外，例如，可通过使用可通过将折射率控制为W状轮廓来设置截止频率的光纤，或者通过将波长滤波器插入输出级中，截断较长波长侧的光学能量。当使用具有W状折射率轮廓或波长滤波器的光纤时，不总是需要控制光纤弯曲损失。

第一示例性实施例

可通过使用上述的超短脉冲激光器构成THz TDS(时域谱分析)系统。图6是示出使用根据本发明的第一示例性实施例的脉冲激光装置的太赫兹TDS测量装置的配置的示图。附图标记60表示根据本发明的示例性实施例的包含光纤放大器的上述超短脉冲激光器的输出光束。输出光束具有1558nm的波长、约200mW的光学输出和17fs的脉冲宽度。在图6中，虚线表示激光束的传播路径，实线表示THz波的传播路径。示出的根据第一示例性实施例的装置可提供20fs或更小的超短脉冲激光，该超短脉冲激光具有100mW或更大的高输出和时域中的较小基座，到目前为止，这在光脉冲放大部分中使用光纤放大器的飞秒激光器中是难以实现的。

以下将参照图6说明太赫兹TDS测量装置的操作。激光脉冲输出60通过宽带半反射镜61被分为两个光束。一个光束经由透镜67a被照射到光电导器件68上。透镜67a可由抛物面反射镜替代。但是，在这种情况下，光学系统被稍微修改。光电导器件68使用在1550nm的频带中具有吸收的InGaAs外延膜作为光电导膜。例如，通过将具有1×10¹⁸cm^-3的浓度的Be掺入在200℃下通过MBE(分子束外延)形成的LT-InGaAs(In的组分＝0.53)中，并在异地(ex-situ)在600℃下在氢气的气氛中对其进行退火，获得光电导膜。通过经由InP衬底表面上的外延进一步形成诸如偶极天线的电极，构建光电导器件68。由于InP衬底对于1550nm的光是透明的，因此光束可被引导为从衬底侧进入光电导器件68。这在减少由InP衬底内的光子导致的THz波的吸收方面是有效的。当然，如在已知的GaAs类型中那样，也可构建光电导器件，使得沿与膜垂直的方向向PIN结构的形式的异质结构施加电场。此外，作为光电导器件的替代，可以使用诸如DAST或InAs的电子光学晶体。虽然在图6中光束被引导为倾斜地进入光电导器件以控制产生的THz波的空间辐射图案，但它也可被引导为垂直进入光电导器件。

添加到光电导器件68(包含下面说明的另一光电导器件69)的半球形结构表示Si的半球面透镜，并用于有效地将从光电导器件产生的THz波照射到空间。产生的THz波通过抛物面反射镜70a被准直，并通过抛物面反射镜70b会聚到要测量的分析物71的表面上。被分析物71反射的THz波经由抛物面反射镜70c和70d被引入检测侧的光电导器件69。

在检测侧的光电导器件69中，使用GaAs作为光电导膜。出于这种原因，在方向偏振已被1/2波长板63调整之后，被半反射镜61反射的激光束通过使用波导型二次谐波发生器(例如，PPLN(周期性极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate)))64被转变为780nm的激光束。作为测量转变的激光束的脉冲宽度的结果，在图7所示的自相关波形中获得46.6fs。因此，用在时间上为30fs的宽度和10mW的输出获得与1558nm的脉冲同步的780nm的脉冲。较短波长的二次谐波激光束穿过二向色镜62以去除不希望的波长的光。然后，二次谐波激光束被引导为经由光学反光镜65、延迟系统66和会聚透镜67b进入检测侧的光电导器件69。

因此，通过使用从根据本发明的示例性实施例的使用光纤放大器的超短脉冲激光器发射的激光束作为激励光源，并通过提供具有17fs的脉冲宽度的1558nm的光和具有30fs的脉冲宽度的780nm的光，构建THz-TDS系统。图8A示出当在第一示例性实施例中在THz产生侧使用DSAT晶体时获得的THz波的依赖于时间的波形，图8b示出图8A中的波形的傅立叶变换谱。从图8A可以看出，在THz波的依赖于时间的波形中获得具有200fs的宽度的信号脉冲，并且，在傅立叶谱中获得扩展到超过20THz的频带的信号。注意，由图8B中的a指示的骤降表示由检测侧的GaAs衬底内的光子导致的THz波的吸收。

利用根据第一示例性实施例的TDS测量装置，可以在THz波区域中获得窄的信号脉冲，并且，当作为层析图像观察分析物71内的分层结构时，可以增加沿深度方向的分辨率。图9A是用于解释当使用药品作为分析物时获得的层析图像的曲线图，图9B和图9C是用于解释当使用药品作为分析物时获得的层析图像的图像。具体而言，图9C是从观察药品的断面得到的显微图像。厚度为约500μm的涂层被施加到药品的表面上。图9A是示出用根据本发明的第一示例性实施例的THz-TDS系统获得的信号的时域波形的一部分的曲线图。从图9A看出，时域波形包含两个脉冲串，并且观察到被表面和涂层界面反射的脉冲。图9B是由用超过约1.4mm的扫描从各个点获得的脉冲信号形成的层析图像。从图9B看出，虽然观察到几个错误信号，但获得与图9C的显微图像对应的图像。这意味着第一示例性实施例可以在不需要沿断面切开的情况下提供分析物内的基于透射的层析图像。作为根据第一示例性实施例的层析成像的结果，从脉冲的依赖于时间的波形估计约20μm的深度分辨率。

如上所述，通过用根据本发明的示例性实施例的脉冲激光装置构建THz-TDS测量装置，获得具有高的深度分辨率(20μm)并能够基于透射以无损的方式提供分析物的层析图像的装置。

第二示例性实施例

构建本发明的第二示例性实施例，使得光纤放大器的弯曲半径R是可调的。在根据第一示例性实施例的THz-TDS系统中需要的波长带、光焦度和光谱带根据测量系统的规范而不同。因此，光纤放大器的放大程度和比零色散波长更长的波长区域中的光学能量的量也根据测量系统的规范而不同。此外，放大程度和啁啾量由于掺杂铒的光纤的每批次的变化而不同。

在该第二示例性实施例中，例如，根据需要的光焦度和脉冲宽度，通过致动器使得图4B所示的曲率半径R是可变的。如图10所示，用于缠绕光纤103的结构被设置为具有不同半径的多个结构100到102，并且，结构100到102中的一个或更多个被构建为是可动的，使得该结构具有不同的半径。

通过改变结构的半径，如图4A中的43a到43c所示，可改变弯曲损失对波长的依赖性。在实际中，可以设置调整单元，该调整单元可在观察从脉冲压缩器输出的图5所示的光脉冲波形的同时将曲率半径设置到最佳范围(例如，在该范围内，脉冲宽度被最小化并且基座被抑制)。

第三示例性实施例

在本发明的第三示例性实施例中，对光纤放大器添加基于反馈控制的稳定器。在光纤放大器中，如图11所示，通过分支单元110取出掺杂铒的光纤的输出的一部分。通过光电检测器111监视取出的输出的平均功率，并且，监视的结果被反馈到偏振控制器8和激励激光器12a到12c中的一部分或全部。在这种情况下，可归因于激励激光器的掺杂铒的光纤的输出变化在其大部分上具有相对快速的时间分量(在几十分钟的量级上或更短)，而可归因于偏振的其输出变化在其大部分上具有相对慢的时间分量(在小时的量级上或更长)。因此，将低通滤波器(或积分器)112插入用于被引向偏振控制器8的反馈信号的路径中，并且，将高通滤波器113插入用于被引向激励激光器的反馈信号的路径中。通过放大器114和115调整这些反馈信号的各反馈放大率。作为使用滤波器的替代，也可使用均衡器(用于调整每个信号频率分量的反馈放大率，但未示出)来以有源的方式执行控制。

利用上述的反馈控制，可以使激光脉冲输出稳定。

第四示例性实施例

在本发明的第四示例性实施例中，通过控制掺杂稀土的光纤的折射率轮廓，改善较长波长侧的滤波功能。图12是表示一般称为W类型的光纤的折射率轮廓的W形图案的曲线图。

这里，当在曲率半径R处弯曲光纤时的基模(LP01)中的损失α由下式表示：

$\mathrm{\α}={\left(\frac{{\mathrm{\πv}}^8}{16\mathrm{aR}{\mathrm{\ω}}^3}\right)}^{1/2}\exp (-\frac{4}{3}\frac{R}{a}\frac{{\mathrm{\ω}}^3\mathrm{\Δ}}{v^2}){\left[\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\right\{1-f\left\}\frac{1}{a^2}{F}_0\mathrm{rdr}\right]}^2/\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{F_0}^2\frac{1}{a^2}\mathrm{rdr}---\left(1\right)$

在式(1)中，a是在图12中示出的光纤芯的半径，R是弯曲的曲率半径，ω是外包层(即，芯半径b外面的部分)的传播常数，v是归一化频率，F₀是电场强度。并且，f是由下式(2)表示的折射率轮廓函数，Δ是由下式(3)表示的折射率参数。

$f=\begin{array}{cc}0,& 0<r<a\\ \frac{n^{+}-n^{-}}{n^{+}-n_0},& a<r<b,\\ 1,& r>b\end{array}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{1}{2}(1-\frac{n_0^2}{n^{+2}})---\left(3\right)$

此外，对于图12所示的区域中的每一个，从由下式(4)表示的电场E(r)确定电场的强度F₀。

$E\left(r\right)=\begin{array}{cc}{A}_0{J}_0(\mathrm{ur}/a),& r<a,\\ A_1{I}_0({\mathrm{\&omega;}}^{-}r/b)+A_2{K}_0({\mathrm{\&omega;}}^{-}r/b),& a<r<b\\ A_3{K}_0(\mathrm{\&omega;r}/b),& r>b\end{array}---\left(4\right)$

在式(4)中，J₀、I₀和K₀分别表示第一种类的贝塞耳函数、第一种类的修改的贝塞耳函数和第二种类的贝塞耳函数。此外，图12所示的区域中的传播常数u、ω^-和ω分别由下式(5)到(7)表示：

u＝a{(k₀n⁺)²-β²}^1/2     (5)

ω^-＝b{β²-(k₀n^-)²}^1/2   (6)

ω＝b{β²-(k₀n₀)²}^1/2    (7)

在W型光纤的情况下，可以在不给出弯曲损失的情况下基于以上的公式设置基模中的截止频率(即，较长波长侧的截断)。当然，可通过改变曲率半径R，如图4A所示，逐渐将截止频率偏移到较短波长。

以下将说明设计的例子。观察到由于通过上述的掺杂铒的光纤的放大之后的啁啾，波长在1520到1650nm的范围上扩展。因此，为了去除较长波长中的额外分量，将截止波长设为1630nm。结果，获得a＝2μm，b＝7μm，光纤芯的半径＝62.5μm，n⁺＝1.4683，n^-1＝1.4520，n₀＝1.4570。由于本示例性实施例被应用于石英基掺杂铒的光纤，因此可通过控制掺杂锗或铝的量增加光纤芯的折射率，并且可通过控制掺杂氟或硼的量降低内包层中的折射率。

通过使用上述的W型光纤，用以去除较长波长区域中的分量的滤波器特性对波长的依赖性变得比已知的阶跃折射率光纤(step index)更明显。因此，可更有效地增加零色散波长附近的光学能量的传播损失，并且可在下游级中的脉冲压缩器中执行具有较小的基座的脉冲压缩。

当执行光纤放大以提供较高的输出时，如关于现有技术说明的那样，在较长波长侧产生诱导的拉曼散射并导致非线性波长变换，由此基座在压缩之后趋于增加。图13是示出这种趋势的曲线图。从图13可以看出，当使用具有1780nm的截止频率的W型光纤时，如a所示，较长波长分量增加。

当曲率半径变为23mm、20mm和18mm时，截止频率(对10m假定为3dB)分别变为1720nm、1660nm和1625nm。由此可以理解，如图13中的b、c和d所示，可相应地减少较长波长分量即拉曼放大分量的光学能量。通过事先设计曲率半径并在观察波长谱的同时调整曲率半径，可以以很好的平衡的方式实现较高的输出和较低的基座。一般地，当在光纤放大器中出现诱导的拉曼散射时，存在与光纤长度和光焦度相关的阈值。因此，通过提供滤波器功能以截断比零色散波长的附近更长的波长带，如上所述，可以增加阈值处的光焦度并可获得较高的功率。

因此，由于W型光纤可以在不控制曲率半径的情况下去除不希望的较长波长分量，因此可以增加设计的自由度并可提高作为滤波器的衰减特性。也可改变缠绕的W型光纤的曲率半径以改变截止频率，并且本第四示例性实施例也可被有效地用于如在第二示例性实施例中那样使得截止频率可变的情况。在一些情况下，确定截止频率的参数由于制造光纤时的批次变化而改变，并且，截止频率从设计值偏移。鉴于这种情况，实现本第四示例性实施例使得如在第二示例性实施例中那样通过在观察输出光脉冲的同时弯曲光纤将截止频率变为最佳值是有效的。

虽然已经对于用于1550nm的频带的掺杂铒的光纤进行了以上的说明，但是本发明的示例性实施例也可被类似地应用于其它的光纤放大器，诸如用于不小于1620nm的范围的掺杂铥的光纤或用于1060nm的频带的掺杂镱的光纤。

第五示例性实施例

第五示例性实施例旨在进一步提高根据第一示例性实施例的TDS测量装置的性能。

为了减少在图6的TDS测量装置中的检测侧的光电导器件69中产生的、由图8B中的a示出的GaAs特有的明显的声子导致的吸收，在本第五示例性实施例中使用的光电导器件具有如图14所示的那样由LT-GaAs制成的光电导膜81被传送到高电阻Si衬底80上的结构。注意，在图14中，附图标记82表示偶极天线部分，83表示用于从天线部分取出信号的电极盘。通过使用根据第五示例性实施例的光电导器件，由于仅通过具有约2μm的厚度的LT-GaAs膜吸收THz波并且由高电阻Si衬底80引起的THz波的吸收是小的，因此，如图15所示，可大大减小处于7到10THz的范围中的FFT谱中的间隙b。结果，与如图8所示的那样THz波的依赖于时间的波形包含多个脉冲的第一示例性实施例相比，如图16所示，本第五示例性实施例中的THz波的依赖于时间的波形具有单一的峰值，并且，S/N比增加。

并且，由于THz波受空气中的水蒸汽影响，因此，当在氮气净化或抽空不充分的环境中执行测量时，波形变化并且层析图像的分辨率降低。为了避免这些缺点，本第五示例性实施例使用作为一般信号处理的去卷积处理。图17A和图17B示出当分别具有90μm的厚度的三张纸相互层叠时的反射的回波脉冲的例子。图17A示出当不执行去卷积处理时的波形，图17B示出当执行去卷积处理时的波形。从图17A和图17B看出，与不执行去卷积处理的情况相比，去卷积处理使得来自三张纸的各界面的反射的回波峰值更加明显可辨。可通过用设置在样品(纸)的位置处的反射镜获得基准波形，执行去卷积处理。图18示出当沿一个方向在纸样品上扫描入射的光束时的层析图像。从图18的层析图像确认相互层叠的三张纸的状态。

另外，为了确定根据本发明的示例性实施例的TDS测量装置的深度分辨率，获得具有处于5到30μm的范围中的各种厚度的特氟纶(Teflon)片材的层析图像，并且，例如，如图19所示，将通过测微计确定的实际厚度与从通过根据本发明的示例性实施例的TDS测量装置获得的层析图像测量计算的厚度相比较。图19的曲线图中的直线表示代表(实际厚度)＝(测量厚度)的关系的理想直线。从曲线图看出，根据本发明的示例性实施例的TDS测量装置具有足以测量约5μm的厚度的分辨率。

第六示例性实施例

在本第六示例性实施例中，通过使用与在以上的示例性实施例中使用的部分不同的部分构建脉冲激光装置。本第六示例性实施例中的种子光脉冲发生器具有1561nm的振荡波长、50.45MHz的重复率、506.3fs的脉冲宽度和4.78mW的平均输出。在光纤放大器中使用的两个光纤(SMF6和EDF9)的规格列于下面给出的表2中。

表2

	二阶群速度色散β2	模场直径MFD	长度
				SMF6	-21.9ps2/km	10.4μm	10m
EDF9	16.8ps2/km	6.1μm	6m

并且，在脉冲压缩器中，与上述的光子晶体光纤类似，光子晶体光纤具有-30.3ps²/km的二阶群速度色散、26μm的模场直径和0.182W^-1km^-1的非线性系数，但它具有200cm的长度。高度非线性光纤具有-15.4ps²/km的二阶群速度色散、4.6W^-1km^-1的非线性系数、9.4μm的模场直径和12.4cm的长度。

通过使用这种结构，如图20所示，脉冲宽度稍微变宽，并且具有通过自相关器测量的自相关波形中的约47fs或关于sech²曲线换算的约30fs的值。输出为134mW。通过根据情况需要以这种方式改变光纤等的部分的特性，可获得具有预定特性的光纤型脉冲激光器。

在本示例性实施例中，如图21所示，通过使用上述的光纤型脉冲激光器，TDS测量装置被构成为全光纤系统。具体而言，飞秒光纤激光器50的输出在所有的路径中通过光纤51、53和54与由55和56表示的THz波发生器和检测器耦合。因此，不需要用于调整光轴的手动工作。附图标记52表示光纤耦合器。附图标记55和56分别表示一体化地包含用于会聚激光束的部分、光学延迟部分、光电导器件、用于产生和检测THz波的窗口和用于控制方向性的透镜的模块。在图21中，与第一示例性实施例中的电气系统类似的电气系统没有示出。

在55或56中加入光学延迟部分。光学延迟部分可完全由光纤形成。通过改变电场或温度改变光纤介质的折射率，由此引起传播延迟。作为替代方案，例如，也可使用光纤光栅以调整对于各频率的延迟时间。

当脉冲激光装置如在本第六示例性实施例中那样完全由光纤构建时，与使用空间光学系统的脉冲激光装置相比，可以获得更小和更便宜的装置，并且，不再需要诸如光学调整的辛苦工作。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变型以及等同的结构和功能。

Claims (17)

1.一种脉冲激光装置，该脉冲激光装置包括：

被配置为产生激光束的脉冲的激光器；

被配置为放大来自激光器的脉冲的光纤放大器；和

被配置为压缩来自光纤放大器的脉冲的脉冲压缩器，

其中，光纤放大器包含在来自激光器的脉冲的光谱的中心波长处表现出正常色散的掺杂稀土的光纤，并且，

其中，光纤放大器包括损失给予单元，所述损失给予单元被配置为在光纤放大器中已被啁啾的激光束的波长谱内对于与掺杂稀土的光纤的零色散波长对应的波长区域和比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失。

2.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中，所述损失给予单元是波长滤波器。

3.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中，所述损失给予单元通过至少在掺杂稀土的光纤的一部分中形成弯曲部分，在这两个波长区域中均产生泄漏损失。

4.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中，所述损失给予单元是至少在其一部分中具有W状断面折射率轮廓的掺杂稀土的光纤。

5.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中，所述损失给予单元通过对于零色散波长区域和/或比零色散波长更长的波长区域中的能量部分给予损失，抑制在激光束经由掺杂稀土的光纤传播的过程中产生的高阶非线性效应。

6.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中，由脉冲激光装置产生的激光束具有20fs或更小的脉冲宽度和200mW或更大的平均输出。

7.根据权利要求5的脉冲激光装置，其中，要被抑制的高阶非线性效应是四波混合现象。

8.根据权利要求5的脉冲激光装置，其中，要被抑制的高阶非线性效应是诱导的拉曼散射。

9.根据权利要求3的脉冲激光装置，其中，弯曲部分的曲率是可变的，并且，脉冲激光装置包括被配置为在监视波形的同时调整弯曲部分的曲率的单元。

10.根据权利要求1的脉冲激光装置，其中掺杂稀土的光纤是掺杂铒的光纤、掺杂铥的光纤或者掺杂镱的光纤。

11.一种太赫兹脉冲产生装置，包括：

光电导器件或非线性晶体；和

根据权利要求1的脉冲激光装置，

其中，通过将来自脉冲激光装置的激光束照射到光电导器件或非线性晶体，产生太赫兹脉冲。

12.一种太赫兹测量装置，包括：

根据权利要求1的脉冲激光装置；和

被配置为将脉冲激光装置的光学输出分成两个部分的分支单元，

其中，光学输出的一部分被照射到第一光电导器件或第一非线性晶体以产生太赫兹脉冲，并且，光学输出的另一部分被照射到第二光电导器件或第二非线性晶体，以使得第二光电导器件或第二非线性晶体作为检测器运行，由此根据泵浦-探测测量执行太赫兹时域谱分析。

13.根据权利要求12的太赫兹测量装置，其中，通过使从脉冲激光装置输出的激光束穿过高次谐波发生器并将已经穿过了高次谐波发生器的光视为照射光，获得被照射到第二光电导器件或第二非线性晶体的光。

14.一种太赫兹层析装置，其中，通过用根据权利要求12的太赫兹测量装置测量来自分析物的反射脉冲，获得分析物的内部层析图像数据，并且，基于获得的数据，内部层析图像被输出到输出单元。

15.一种太赫兹层析装置，其中，当通过用根据权利要求12的太赫兹测量装置测量来自分析物的反射脉冲，获得分析物的内部层析图像数据时，沿深度方向的分辨率为5μm或更小。

16.一种使用根据权利要求1的脉冲激光装置的方法，包括将来自脉冲激光装置的激光束照射到光电导器件或非线性晶体，以产生太赫兹脉冲。

17.一种使用根据权利要求1的脉冲激光装置的方法，包括：

将脉冲激光装置的光学输出分为两个部分；

将光学输出的一部分照射到第一光电导器件或第一非线性晶体，以产生太赫兹脉冲；以及

将光学输出的另一部分照射到第二光电导器件或第二非线性晶体，以使得第二光电导器件或第二非线性晶体检测太赫兹脉冲。

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