CN101526398A - 太赫分光计 - Google Patents
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Abstract
一种太赫分光计，包括光纤和发射器。光纤从构成超短脉冲振荡器的增益光纤中分支。发射器利用从增益光纤通过光纤引入的脉冲光束生成太赫波。通过本发明的太赫分光计可以用简单配置以较高的精度来测量样品。
Description
相关申请的交叉参考
本发明包含于2008年3月4日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2008-053804的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一项使用在约0.1×1012THz～100×1012THz的频带中的电磁波的技术。
背景技术
目前通常所说的生成或检测太赫波的技术是太赫时域光谱(THz-TDS)。如现有技术已知，因为THz-TDS利用了限定短至约100毫微微秒的超短脉冲的太赫波，所以太赫时域光谱学用于成像样品。因此，太赫时域光谱引起了诸如工业、医疗、生物技术、农业和安全的各种技术领域的注意。
在THz-TDS系统中，从超短脉冲激光源发出的辐射被分为泵浦光束和探测光束。泵浦光束集中在太赫波生成元件上。在太赫波生成元件中，具有亚皮秒持续时间的电流或电极化生成具有与时间微分成比例的场振幅的太赫波。太赫波通过光学系统被集中在太赫波检测元件上。此处，将探测光束施加给太赫波检测元件。随后，太赫波检测元件生成载流子。载流子被太赫波的电场加速且变为电信号。探测光束到达太赫波检测元件的时间被延迟，从而测量出太赫波在振幅电场中所具有的时间波形。时间波形经傅立叶转换，从而确定太赫波的频谱。
已经提出了使用太赫波时域光谱的装置(例如，参见WO01/06915)。在该装置中，从分束器延伸到太赫波生成元件的用于泵浦光束的光径以及从分束器延伸到延迟单元的用于探测光束的光径都是光纤。
已经提出了应该用光纤来替代光纤激光器中的一些空间光学元件(例如，偏振光束分光器(PBS)、波长板和准直透镜)，以使光纤激光器小型化。同样，在太赫场中，非常需要更小的分光计。然而，太赫分光计趋向于变大，这是因为它们需要用于将脉冲光束从光纤激光器导向分束器的光学元件。
发明内容
考虑到上述情况作出本发明，本发明提出了一种具有简单配置并且还可以测量样品的太赫分光计。
鉴于以上情况，根据本发明的一个方面的太赫分光计包括：光纤，从构成超短脉冲振荡器的增益光纤中分支；以及发射器，被配置为利用从增益光纤通过光纤导入的脉冲光束生成太赫波。
在本发明中，可以将脉冲光束(泵浦光束)从超短脉冲振荡器通过光纤导向发射器而无需在自由空间中传播。太赫分光计可以比使用外部光学部件的情况做得更小。此外，可以防止脉冲光束在从超短脉冲振荡器延伸到发射器的自由空间中传播。因此，可以通过减少脉冲光束的衰减来增加测量精度。因此，本发明可以提供一种能够用简单配置以比目前可能都高的精度来测量样品的太赫分光计。
当结合附图来阅读时，根据以下的详细描述将显而易见本发明的性质、原理和效用，在附图中，相同的部件用相同的参考数字或符号表示。
附图说明
在附图中：
图1是示出根据本发明实施例的太赫分光计的整体配置的示意图；
图2是示出波导的示例性配置的示意图；
图3是阐述通过连接不同特性的光纤实现的色散补偿(dispersion compensation)的示意图；以及
图4是阐述如何通过改变光纤的温度来调整时间延迟的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来描述本发明的实施例。
(1)太赫分光计的整体配置
图1示出了根据本发明实施例的太赫分光计10的整体配置。该太赫分光计10包括超短脉冲光纤激光器11、发射器12、检测器13和计算机14。
超短脉冲光纤激光器11发射具有例如约100fs的脉冲宽度和约800nm的中心波长的脉冲光束。超短脉冲光纤激光器11优于固态钛蓝宝石激光器，这是因为它不需要冷却、便宜、尺寸小且以高效率发射脉冲。
从超短脉冲光纤激光器11发射的脉冲光束被分为泵浦光束和探测光束。泵浦光束被导向发射器12。探测光束相对于泵浦光束被时间延迟，然后被导向检测器13。
发射器12生成具有与泵浦光束的时间微分成比例的电场振幅的太赫波。具体地，例如，发射器12是光电导天线或由ZnTe等制成的非线性光学结晶薄膜。光电导天线包括Si、Ge、GaAs等的光电导薄膜、用于加速由光电导薄膜激励的自由电子的电极以及用于向电极施加偏压的电压施加单元。
检测器13检测从发射器12发射且来自样品SPL(通过样品或被样品反射)的太赫波。即，检测器13生成等同于进入样品SPL的太赫波的电场。如果此处施加相对于泵浦光束延迟的探测光束，那么检测器13就生成表示太赫波的电场强度的时间波形的信号。例如，检测器13是光电导天线、非线性光学结晶薄膜等。
计算机14获取在作为测量目标的样品SPL维持在规定位置处时检测器13输出的信号、以及在作为测量基准的样品SPL维持在规定位置处时检测器13输出的信号。计算机14从这些信号的每一个中提取出关于太赫波的振幅数据和相位数据。基于振幅数据项之间的差异和相位数据项之间的差异，计算机14获取关于样品SPL(即，待测量的目标)的信息。由于计算机14可以同时获取振幅数据和相位数据，所以太赫分光计10在测量精度方面优于使用远红外光束的傅里叶光谱。
(2)波导的配置
太赫分光计10具有从超短脉冲光纤激光器11延伸到发射器12和检测器13并由光纤构成的波导。
图2示出了波导的示例性配置。在图2所示的超短脉冲光纤激光器11中，激励源11A通过波长划分复用单元11B连接至含有诸如铒(Er)的稀土元素的增益光纤11C，并且光耦合器11D在输入端连接至增益光纤11C的末端。
光纤OF1的一端连接至光耦合器11D的第一输出端，而另一端连接至模式锁定元件11E。模式锁定元件11E生成与发射器的垂直模式同步且具有稳定模式同步的功能的脉冲光束。
光纤OF2的一端连接至光耦合器11D的第二输出端，而另一端连接至发射器12。因此，从增益光纤11C输出的脉冲光束在光耦合器11D中被分支，并被直接施加给光纤OF2。光纤OF2将脉冲光束导向发射器12。
在太赫分光计10中，可以由此防止从增益光纤11C输出至发射器12的脉冲光束在自由空间中传播。
光纤OF3的一端连接至光耦合器11D的第三输出端，而另一端连接至检测器13。因此，从增益光纤11C输出的脉冲光束在光耦合器11D中被分支，并被直接引入到光纤OF3中。光纤OF3将脉冲光束导向检测器13。
在太赫分光计10中，可以由此防止从增益光纤11C输出至检测器13的脉冲光束在自由空间中传播。
各种类型的光连接器CN都是可用的，诸如SC型、FC型、MU型、LC型和SMA型。选择和使用适合于所使用光纤形状的任何类型的光连接器。光耦合器11D可以是熔融耦合器，其中，光纤被熔融并连接以具有锥形形状。在这种情况下，从增益光纤11C输出的脉冲光束可以被同时传输至光纤OF2和OF3。因此，可以相对于泵浦光束在时间方面容易地调整探测光束。
如现有技术已知，光纤具有使脉冲光束分散的特性，这是因为它们的折射率随输入的脉冲光束的波长而改变。脉冲光束的色散通过由光学系统(由棱镜、光栅、啁啾镜等组成)构成的色散补偿单元来补偿。
在根据本实施例的太赫分光计10中，脉冲光束的补偿并不是由光学系统构成的色散补偿单元来补偿的，而是由光纤OF2和OF3来补偿的。光纤OF2和OF3包括在规定频带中呈现出不同光束色散特性的多个光纤。因此，光纤OF2和OF3可以补偿从增益光纤11C输出的脉冲光束的色散。
如图3具体所示，在上述规定频带中呈现出正群速色散的光纤(图3中标记为“正”的实线)和在规定频带中呈现出负群速色散的光纤(图3中标记为“负”的实线)交替配置，并与光学连接器(由图3中的矩形表示)耦合，从而形成光纤OF2和OF3。注意，“规定频带”基于从超短脉冲光纤激光器11中的增益光纤11C输出的输入脉冲光束的中心波长。在由此得到的每个光纤(OF2或OF3)的输入和输出端，脉冲光束具有相同的脉冲宽度。
呈现出正群速色散的光纤和呈现出负群速色散的光纤具有相同的长度，且交替配置并耦合在一起，从而提供了光纤OF2和OF3。本发明并不限于此配置。根据所使用光纤材料的特性、光纤的长度和色散温度，这些光纤可以以任何其他方式耦合在一起，只要光纤OF2和OF3补偿脉冲光束的色散即可。
因此，在太赫分光计10中，耦合了色散特性不同的多个光纤，从而补偿了色散。因此，无需使用物理上独立的任何色散补偿单元。
(3)时间调整单元的配置
在根据本实施例的太赫分光计10中，探测光束到达检测器13的时间并不是通过具有诸如反向反射器的外部光学元件的时间延迟单元延迟的，而是通过向光纤OF3施加温度负载来延迟的。
更具体地，如图4具体示出，光纤OF3用护套单元20覆盖。护套单元20由深层护套20A和安装在深层护套20A上的表层护套20B组成。深层护套20A由塑料等制成，而表层护套20B由尼龙等制成。由这些材料制成，深层护套20A和表层护套20B向光纤OF3赋予了机械强度和抗水性。护套单元20的表层护套20B部分或全部被温度负载供给单元30覆盖。温度负载供给单元30施加由结合到计算机14中的负载变化单元14A所设定的温度负载。从而，光纤OF3维持在比光纤OF2低的温度。
在太赫分光计10中，光纤OF3进行耦合以补偿在温度负载供给单元30所维持的恒定温度下的色散。因此，温度负载供给单元30充当时间延迟单元。因此，从光耦合器11D分布到光纤OF3的脉冲光束(探测光束)相对于从光耦合器11D分布到光纤OF2的脉冲光束(泵浦光束)被延迟而到达检测器13。
为了方便，在图4中示出了单模式光纤。尽管如此，仍可以用与调整单模式光纤的时间延迟相同的方式来调整多模式光纤的时间延迟。
如上所述，通过向光纤OF3施加温度负载来延迟探测光束到达检测器13的时间。因此，无需使用物理上独立的任何独立时间延迟单元。
(4)操作和效果
在如上所述配置的太赫分光计10中，光纤OF2通过光耦合器11D耦合至设置在超短脉冲光纤激光器11中的增益光纤11C。通过光纤OF2将从增益光纤11C输出的脉冲光束(泵浦光束)导向发射器12(图2)。
因此，在太赫分光计10中，无需使用光学透镜就可以将脉冲光束(泵浦光束)通过超短脉冲光纤激光器11引入到光纤OF2中。因此，太赫分光计10可以比使用光学透镜情况下更小。此外，可以防止从超短脉冲光纤激光器11输出到发射器12的脉冲光束在自由空间中传播。因此，可以通过减少脉冲光束的衰减来增加测量精度。
在本实施例中，光纤OF2由在规定频带中呈现出不同色散特性并彼此耦合的多个光纤构成，使得从增益光纤11C输出的脉冲光束的色散可以得到补偿(图3)。
因此，无需使用由外部光学元件构成的色散补偿单元，太赫分光计10就可以实现色散的补偿。太赫分光计10可以比使用色散补偿单元情况下更小。此外，与使用色散补偿单元的情况相比，可以大大降低维护成本。此外，当改变激光器的中心波长时，可以根据需要容易地调整色散的补偿。
另外，在根据此实施例的太赫分光计10中，光纤OF3直接耦合到光耦合器11D并将从增益光纤11C输出的脉冲光束(探测光束)通过光纤OF3(图2)导向检测器13。太赫分光计10具有时间调整单元(即，温度负载供给单元30和负载变化单元14A)，时间调整单元向光纤OF3的一部分或全部施加温度负载，使得光纤OF3可以维持在比光纤OF2更低的温度(图4)。
因此，在太赫分光计10中，无需使用光学透镜，就可以将脉冲光束(探测光束)从超短脉冲光纤激光器11引入到光纤OF3中，并且无需使用诸如反向反射器透镜的光学透镜，就可以延迟脉冲光束(探测光束)到达检测器13的时间。因此，太赫分光计10可以比使用光学透镜的情况下小得多。此外，可以防止输出的脉冲光束在从超短脉冲光纤激光器11延伸到检测器13的自由空间中传播。因此，可以通过减少脉冲光束的衰减来增加测量精度。
因为从超短脉冲光纤激光器11延伸到发射器的一个波导和从超短脉冲光纤激光器11延伸到检测器13的另一个波导都是光纤，所以本实施例可以实现能够很小的太赫分光计10。
(5)其他实施例
在上述实施例中，光纤OF3直接从增益光纤11C中分支。然而，本发明并不限于此。替代地，光纤OF3可以从光纤OF2分支。例如，可以在光纤OF2的波导上设置光耦合器(或分离器)。在这种情况下，可以获得与从增益光纤11C中直接分支光纤OF3的情况相同的优点。
在上述实施例中，温度负载供给单元30覆盖护套单元20，护套单元20又覆盖光纤OF3。本发明并不限于此。替代地，温度负载供给单元30覆盖护套单元20的深层护套20A。可选地，温度负载供给单元30可以直接覆盖光纤OF3。在这种情况下，可以部分或全部省去护套单元20。这可以使太赫分光计10更小。
如上所述，施加温度负载的位置为光纤OF3。替代地，可以向光纤OF2施加温度负载。在这种情况下，温度负载是通过结合到计算机14中的负载变化单元14A设定并使光纤OF3保持高温的负载。因此，获得与上述实施例相同的优点。即，如果脉冲光束在通过波导之后到达检测器13的时间相对于光束从光耦合器11D(即，设置在光纤OF2的波导上的光耦合器)到达发射器12的时间被延迟，那么可以根据需要改变施加温度负载的位置。可以将负载施加给波导中的一个或两个。
在上述实施例中将温度作为负载施加。替代地，可以施加诸如压力、电场或商业光纤延迟系统的任何其他类型的负载。
在上述实施例中，将被施加负载的光纤被施以负载，以使其可以维持不被施加负载的任何其他光纤的状态不同的“唯一”负载状态。然而，本发明并不限于此。可以切换负载，使得光纤可以被加载到多种状态中的“选择”状态。如果是这种情况，就可以切换脉冲光束到达检测器13的时间。因此，可增加测量精度。
在上述实施例中，图2所示的超短脉冲光纤激光器11用作超短脉冲振荡器。本发明并不限于此。可以替代地使用其他多种超短脉冲振荡器中的任一种。
本发明可以用于诸如工业、医疗、生物技术、农业、安全、数据通信和电子的多种技术领域。
本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在随附权利要求或等同物的范围之内。
Claims (5)
1.一种太赫分光计，包括：
光纤，从构成超短脉冲振荡器的增益光纤中分支；以及
发射器，被配置为利用从所述增益光纤通过所述光纤导入的脉冲光束生成太赫波。
2.根据权利要求1所述的太赫分光计，其中，所述光纤由在基于所述脉冲光束的中心频率的规定频带中呈现出不同色散特性的多个光纤构成，并被配置为抵消从所述增益光纤输出的所述脉冲光束的脉冲宽度色散。
3.根据权利要求1所述的太赫分光计，还包括：
另一光纤，从所述增益光纤或所述光纤分支；
检测器，被配置为通过使用通过所述另一光纤从所述增益光纤导入的脉冲光束来检测太赫波；以及
时间调整单元，被配置为向将被施以负载的所述光纤或所述另一光纤施加负载，以使所述光纤或所述另一光纤维持在与将不被施以负载的所述光纤或所述另一光纤的状态不同的负载状态，并最终延迟所述脉冲光束到达所述检测器的时间。
4.根据权利要求3所述的太赫分光计，其中，被施加负载的所述光纤或所述另一光纤由在基于所述脉冲光束的中心频率的规定频带中并在被所述时间调整单元维持的负载状态下呈现出不同色散特性的多个光纤构成，并被配置为抵消从所述增益光纤输出的所述脉冲光束的脉冲宽度色散。
5.根据权利要求3所述的太赫分光计，其中，所述时间调整单元施加负载以维持所述负载状态中与未选状态不同的选择状态，从而延迟所述脉冲光束到达所述检测器的时间。
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