CN101701852A - 一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于太赫兹光学领域，提供了一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置及测量方法；该装置包括起偏器、电光取样晶体、分束器、第一相位补偿器、第二相位补偿器、第一检偏器、第二检偏器和平衡探测器。在本发明提供的装置中，被太赫兹光脉冲调制后的探测光被分成两路；一路经第一相位补偿器、第一检偏器被第一接收器接收；另一路经第二相位补偿器、第二检偏器被第二接收器接收；这样导入平衡探测器的两束光脉冲的噪声特性相似，有利于消除背景噪声；调节第一相位补偿器使一路光工作在最佳光学调制度处，调节第二相位补偿器使得两路光的静态双折射相位值互为相反数，使得线性工作范围不受静态双折射相位的影响，信噪比也得到最佳化。

Description

一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置及测量方法

技术领域

本发明属于太赫兹光学领域，涉及一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置及测量方法。

背景技术

太赫兹(THz)光是指频率在0.1THz～10THz之间的光波，其波段在微波和红外之间。太赫兹光可以透过各种生物体、电介质材料以及气相物质，这些介质在太赫兹波段具有丰富的吸收和色散特性，通过测量并分析样品的太赫兹信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息。在太赫兹光学技术中，太赫兹时域光谱技术是较为重要和常用的技术之一；常见的太赫兹测量方法主要有两种：光导开光法和电光取样法；其中太赫兹电光取样法因具有响应频谱宽、结构简单、操作方便和相对廉价的特点而广为使用。

图1示出了现有技术提供的太赫兹电光取样装置的结构，短脉冲激光器1产生激光脉冲，经分束器2后分成两束，其中一束光依次经过高反镜3、光学斩光器4、聚焦光束的聚焦镜5和太赫兹发射晶体6后产生太赫兹光束。另一束作为探测光束经过光束延时器8和起偏器9后进入一电光取样晶体12与经过离轴抛物面镜7、光学元件10以及离轴抛物面镜11后的太赫兹电磁波重合；然后探测光通过零级四分之一波片13和偏振器14被平衡探测器15接收。该平衡探测器15有两个光学探头，在无太赫兹信号入射时，通过调节零级四分之一波片13使进入两光学探头的光功率相等从而平衡探测器15的输出为零。通过扫描探测光和太赫兹信号光的相对延时，就能够测量到不同时刻的太赫兹脉冲电场相对分布，从而得到太赫兹脉冲电场的时域波形，进而获得太赫兹脉冲的频域光谱。

目前，常见的太赫兹电光取样装置有两种工作形式：45°光学偏置和0°光学偏置；图2示出了45°光学偏置的太赫兹电光取样装置的结构，图3示出了0°光学偏置的太赫兹电光取样装置的结构。为了便于说明，仅示出了图1中的一部分，详述如下。

45°光学偏置的太赫兹电光取样装置主要包括起偏器9、电光取样晶体12、零级四分之一波片13、检偏器14、平衡探测器15和用于太赫兹光耦合的光学元件10。这种结构的太赫兹电光取样装置工作在45°光学偏置，因而它具有宽的线性动态范围。由于进入平衡探测器15的两束光束经历非常地相似，理论上具有较好的消背底噪声能力，但是这种结构由太赫兹电场引起的光学调制度较低，这意味着要得到一定幅度的太赫兹信号就需要较强的探测光，于是就会导致系统的较大的热噪声从而降低信噪比。

近0°光学偏置方式的太赫兹电光取样装置主要包括：分束器2、起偏器9、高反镜3、用于太赫兹光耦合的光学元件10、电光取样晶体12、相位补偿器16、检偏器14、可变衰减器17、平衡探测器15；部分探测光信号经起偏器9后直接入射到一块电光取样晶体12与太赫兹光脉冲信号重合；然后探测光再透过一只相位补偿器16后入射到检偏器14上，检偏器14的透过光被平衡探测器15的一个探头接收；探测光的另一部分则直接经可变衰减器17后被平衡探测器15的另一个探头接收。在无太赫兹电场的强度信号输入的情况下，调节可变衰减器17使进入平衡探测器15的两个探头的光功率相等，从而平衡探测器15的输出为零。在有太赫兹光入射平衡探测器15中，太赫兹光对探测光进行相位调制使得从检偏器14透光的光功率发生改变，从而改变平衡探测器15的输出信号。这种设计的消除背景噪声能力较差。另外，近0°光学偏置结构的线性动态范围较窄，综合性能比45°光学偏置结构差，比较少为人所采用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种消背景噪声能力强、调制度大以及线性动态范围宽的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置。

本发明实施例是这样实现的，一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置，包括起偏器和电光取样晶体，所述电光取样装置还包括：分束器、第一相位补偿器、第二相位补偿器、第一检偏器、第二检偏器以及平衡探测器；探测光经过所述起偏器后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在所述电光取样晶体内部重合；所述分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过所述第一相位补偿器以及所述第一检偏器被所述平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过所述第二相位补偿器以及所述第二检偏器被所述平衡探测器的第二接收器接收；所述平衡探测器的输出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差、且正比于所述太赫兹光脉冲的光场振幅。

其中，所述第一检偏器与所述第二检偏器分别与所述起偏器呈近正交设置。

其中，通过所述第一相位补偿器以及第一检偏器后的探测光的静态双折射相位值与通过所述第二相位补偿器以及第二检偏器后的探测光的静态双折射相位值互为相反数。

其中，所述分束器为偏振无关宽带分束器，所述偏振无关宽带分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光等分成两路。

本发明实施例的目的还在于提供一种采用上述电光取样装置测量太赫兹光脉冲的方法，所述方法包括下述步骤：

探测光经过所述起偏器后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在所述电光取样晶体内部重合；

分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过所述第一相位补偿器以及所述第一检偏器被所述平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过所述第二相位补偿器以及所述第二检偏器被所述平衡探测器的第二接收器接收；

通过调节第一相位补偿器使通过其探测光工作在最佳光学调制度点处；并通过调节所述第二相位补偿器使得经过所述第一检偏器的探测光的静态双折射相位值与经过所述第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数；

平衡探测器的输出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差、且正比于所述太赫兹光脉冲的光场振幅。

其中，所述方法进一步包括步骤：通过扫描探测光与所述太赫兹光脉冲的相对延时获得太赫兹光脉冲的光场时域特性，进而得到相应的频域特性。

其中，所述第一检偏器与所述第二检偏器分别与所述起偏器呈近正交设置。

在本发明实施例提供的电光取样装置中，被太赫兹光脉冲调制后的探测光被分束器分成两路；一路依次经过第一相位补偿器以及第一检偏器被平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过第二相位补偿器以及第二检偏器被平衡探测器的第二接收器接收；这样导入平衡探测器的两束光脉冲的噪声特性非常相似，从而有利于消除背景噪声；同时通过调节第一相位补偿器使一路光工作在最佳光学调制度处，调节第二相位补偿器使得经过第一检偏器的探测光的静态双折射相位值与经过第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数，从而使得电光取样装置的线性工作范围不受静态双折射的影响，电光取样装置工作的信噪比也得到最佳化。

附图说明

图1是现有技术提供的太赫兹电光取样装置的结构示意图；

图2是现有技术提供的45°光学偏置的太赫兹电光取样装置的结构示意图；

图3是现有技术提供的近0°光学偏置的太赫兹电光取样装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置的结构示意图；

图5是采用本发明实施例提供的电光取样装置测量太赫兹光脉冲的方法流程图；

图6是本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置应用在宽带太赫兹材料检测技术中的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置应用在宽带太赫兹扫描成像技术中的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，被太赫兹光脉冲调制后的探测光由分束器进行分束后分别经过相位补偿器以及检偏器后被平衡探测器吸收，由于入射到平衡探测器的两束光的噪声特性相似，从而有利于消除背景噪声；通过调节第一相位补偿器使第一路光工作在最佳光学调制度处，调节所述第二相位补偿器使得经过所述第一检偏器的探测光的静态双折射相位值与经过所述第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数，从而使得电光取样装置的线性工作范围不受静态双折射的影响，电光取样装置工作的信噪比也得到最佳化。

本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置可应用于材料光学特性测量、成像和大气污染检测等领域。图4示出了用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。

用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置包括起偏器21、电光取样晶体23、分束器24、第一相位补偿器25、第二相位补偿器28、第一检偏器26、第二检偏器29以及平衡探测器30；探测光经过起偏器21后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在电光取样晶体23内部重合；分束器24将透过电光取样晶体23的被太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过第一相位补偿器25以及第一检偏器26被平衡探测器30的第一接收器301接收；另一路依次经过第二相位补偿器28以及第二检偏器29被平衡探测器30的第二接收器302接收；平衡探测器30输出的信号正比于第一接收器301以及第二接收器302接收的被太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差的且正比于太赫兹光脉冲的光场振幅。

作为本发明的一个实施例，第一检偏器26与第二检偏器29分别与起偏器21呈近正交设置。在本发明实施例中，可以通过第一相位补偿器25使第一路光工作在最佳光学调制度处，通过调节第二相位补偿器28使经第一检偏器26后的探测光的静态双折射相位值与通过第二相位补偿器28以及第二检偏器29后的探测光的静态双折射相位值互为相反数。

在本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置中，第一相位补偿器25和第二相位补偿器28应选用尽量相同的技术指标；第一检偏器26与第二检偏器29也应具有尽量相同的技术指标；这样使得进入平衡探测器30接收端的两光束脉冲的经历尽量一致，从而减少测量噪声。

作为本发明的一个实施例，分束器24为偏振无关宽带分束器，其中偏振无关宽带分束器将透过电光取样晶体23的被太赫兹光脉冲调制后的探测光等分成两路。

在本发明实施例中，用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置还包括：第一光学元件22，置于起偏器21与电光取样晶体23之间，将线性偏振光与太赫兹光脉冲耦合后反射输出给电光取样晶体23。

作为本发明的一个实施例，电光取样装置还包括第二光学元件27，置于分束器24与第二相位补偿器28之间，将分束器24输出的另一路反射输出给第二相位补偿器28。

作为本发明的一个实施例，第一光学元件22以及第二光学元件27可以为高反镜。

在本发明实施例中，导入的太赫兹光脉冲信号和经起偏器21后的探测光在太赫兹电光取样晶体23内重合，然后探测光被偏振无关宽带分束器24分成两束，每束光各自经过一只相位补偿器25、28和一只线性偏振器26、29后被平衡探测器30的接收探头接收。工作时，先在没有太赫兹光脉冲信号只有探测光信号入射的情况下，调节两只相位补偿器25、28使得平衡探测器30的输出信号为零；当耦合进太赫兹光脉冲后，平衡探测器30输出的信号的振幅正比于太赫兹光脉冲的电场振幅。与现有技术相比，本发明提供的用于探测太赫兹光脉冲的电光取样装置具有以下三个优点：(1)消背景噪声的能力明显增强；这主要是因为本发明提供的电光取样装置的探测光透过取样晶体23后才进行分束，而且该两束光分别经过一相位补偿器(25或28)和一检偏器(26或29)，使得入射平衡探测器30的两束光脉冲所经光路非常相似，因而入射到平衡探测器30的两束光的噪声特性也非常相似，从而利于噪声消除。(2)本发明提供的电光取样装置可以通过调节两只相位补偿器25、28来实现工作在最佳调制度点处，使得实际工作调制度比现有结构得到显著提高。(3)本发明提供的电光取样装置的线性工作范围不受静态双折射的影响，线性工作范围大大优于现有的近0°光学偏置设计，可与现有的45°光学偏置的电光取装置仪相比拟。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置；现结合图4从理论上详述本发明实施例提供的电光取样装置与现有技术相比存在的优势。

假设探测光信号的场强为E₀＝[E_x0，E_y0]，那么相应的光强为I₀＝|E_x0|²+|E_y0|²＝I_x0+I_y0。为了便于说明，定义依次经过第一相位补偿器25以及第一检偏器26被平衡探测器30的第一接收器301接收的一路光为光束1，依次经过第二相位补偿器28以及第二检偏器29被平衡探测器30的第二接收器302接收的另一路光为光束2。

利用矩阵光学的琼斯矩阵可知，光束1的光强为：

$I_1=\frac{P_x{P}_y{I}_0}{2}{\cos }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2}+\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0})}{2}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2}---\left(1\right)$

其中，P_x和P_y为第一检偏器26的最大和最小透过率。

而双折射相位δ₁＝δ_S+δ_T+δ_C1，在本发明实施例提供的太赫兹电光取样装置中，双折射相位由三部分组成：太赫兹光脉冲信号产生的部分δ_T、由电光晶体23的静态双折射效应产生的部分δ_S和由相位补偿器25、28引入的部分δ_C1。

同理，光束2的光强为：

$I_2=\frac{P_x{P}_y{I}_0}{2}{\cos }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2}+\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0})}{2}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2}---\left(2\right)$

这里δ₂＝δ_S+δ_T+δ_C2。如果选择δ_C1、δ_C2使下列条件成立

δ_s+δ_C1＝-(δ_s+δ_C2)＝α      (3)

显然，当δ_T＝0时，

δ₁＝δ₂＝α，→I₁＝I₂         (4)

即达到两臂光强平衡。

如果δ_T≠0，则平衡探测器30输出的探测光为：

$\mathrm{\ΔI}=I_1-I_2=\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}-P_x{P}_y{I}_0)}{2}\sin ({\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_{C1})\sin {\mathrm{\δ}}_T---\left(5\right)$

按照调制度的定义：

$V=\frac{I_{{\mathrm{\δ}}_T\≠0}-I_{{\mathrm{\δ}}_T=0}}{I_{{\mathrm{\δ}}_T\≠0}+I_{{\mathrm{\δ}}_T=0}}---\left(6\right)$

可得本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置的两束光调制度均为：

$V=\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}-P_x{P}_y{I}_0)\sin (\mathrm{\α}+{\mathrm{\δ}}_T/2)\sin ({\mathrm{\δ}}_T/2)}{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}+P_x{P}_y{I}_0)-(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}-P_x{P}_y{I}_0)\cos (\mathrm{\α}+{\mathrm{\δ}}_T/2)\cos ({\mathrm{\δ}}_T/2)}---\left(7\right)$

为了便于比较，现给出现有技术图3所示的零度光学偏置的电光取样装置中的结果；其平衡探测器15输出的探测光为：

$\mathrm{\ΔI}=I_1-I_2=\mathrm{\η}(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}-P_x{P}_y{I}_0)\sin ({\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_{C1}+{\mathrm{\δ}}_T/2)\sin {\mathrm{\δ}}_T---\left(8\right)$

经过电光晶体的那束光的调制度可用(7)式表示，此时α＝δ_S+δ_C，而只经过可变衰减器就直接被平衡探测器15接收的那束光的调制度为零。(8)式中η为图3中分束器2的透过率，所以0＜η＜1。下式为图(2)所示的45°光学偏置电光取样装置的平衡探测器15输出信号

ΔI＝I₁-I₂＝-(P_xI_x0-P_yI_y0)sin(α+δ_T/2)sin(δ_T/2)     (9)

这里α/2＝π/4。相应地进入平衡探测器15的两束光的调制度为

$V\≈\frac{\sin {\mathrm{\δ}}_T}{2}---\left(10\right)$

计算表明当δ_T为10^-3量级时，(7)式的V值要比(10)式大一个量级。

为保证测量系统足够的线性度，图3所示的电光取样装置必须符合条件

δ_S+δ_C？δ_T/2       (11a)

以及

sinδ_T/2≈δ_T/2      (11b)

而在本发明实施例中和45°光学偏置电光取样装置一样，只需满足

sinδ_T≈δ_T          (12)

即可。

在同样的太赫兹光脉冲的条件下，利用同样的偏振器、电光取样晶体和相位补偿器，(11b)式和(12)式似乎说明图3所示的电光取样装置的线性范围比本发明实施例提供的电光取样装置的线性范围大，但实际上，在超短脉冲激光泵浦产生的太赫兹波装置中，由于太赫兹发射效率比较低，所以(11b)式和(12)式都不构成破坏线性度的首要威胁。相反，在近0°光学偏置结构中，由于δ_S+δ_C1本身就接近于零，所以(11a)式主要限制了装置线性范围，即本发明提供的电光取样装置与现有技术图3所示的电光取样装置相比具有较宽的线性范围。

另外，(12)式说明本发明实施例提供的电光取样装置中线性度要求与δ_S和δ_C1、δ_C2无关，允许通过调节δ_C1和δ_C2来调节α，使得太赫兹电光取样装置工作在最大调制度点处。而现有技术图3所示的电光取样装置往往为保证测量系统足够的线性度而使静态双折射相位显著大于最大调制度点处。

从(7)式和(9)式可知：在同等条件下，本发明实施例提供的电光取样装置的调制度大于图3所示的电光取样装置的调制度。同时，由于本发明实施例提供的电光取样装置可工作在最大调制度点处，因此在实际工作中，本发明实施例提供的电光取样装置的调制度与图3所示的电光取样装置的调制度相比要高出约5倍。

下面从理论上进一步分析本发明实施例提供的电光取样装置在消除背景噪声方面的性能。

假设在时间t₀处调整电光取样装置使得平衡探测器30输出信号为零，即有(δ_T＝0时)

$(I_1-I_2){|}_{t=t_0}=(\frac{P_x{p}_y{I}_0}{2}{\cos }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2}+\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0})}{2}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2}$

$-\frac{P_x{P}_y{I}_0}{2}{\cos }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2}+\frac{(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0})}{2}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2}){|}_{t=t_0}=0---\left(13\right)$

而对于图3所示的现有技术提供的电光取样装置，在时间t₀处调整太赫兹电光取样装置使得平衡探测器15输出信号为零，其表达式为：

$(I_1-I_2){|}_{t=t_0}=(\mathrm{\η}{P}_x{P}_y{I}_0{\cos }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}+\mathrm{\η}(P_x^2{I}_{x0}+P_y^2{I}_{y0}){\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}$

$-(1-\mathrm{\η})\mathrm{\γ}{I}_0){|}_{t=t_0}=0---\left(14\right)$

式中γ表示图3中可变衰减器17的衰减系数。在(13)式中，在时间t₀处调节太赫兹电光取样装置使得平衡探测器15输出信号为零。当离开t₀时间点，由于探测光的强度或偏振波动或者由于入射光方向飘移引起的P_x和P_y变化等因素都不能改变探测1输出信号为零的状态。另外由于入射光方向飘移和晶体的不均匀性引起的静态双折射相位改变的影响也能部分消除。(14)式中只能消除纯振幅涨落的影响，其它的涨落都会改变平衡状态。另外由于本发明实施例提供的电光取样装置中光束1和光束2光路的相似度比图3所示的现有技术提供的电光取样装置中的两束光要高得多，所以本发明实施例提供的太赫兹电光取样装置消除背景噪声的能力强很多。

本发明实施例提供的用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置可以应用于材料科学、医学、环境检测、大气传感等领域。图5示出了采用本发明实施例提供的采用电光取样装置测量太赫兹光脉冲的方法流程，现结合图4、图5详述如下：

在步骤S51中，探测光经过所述起偏器21后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在电光取样晶体23内部重合；

在步骤S52中，分束器24将透过电光取样晶体23的被太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过第一相位补偿器25以及第一检偏器26被平衡探测器30的第一接收器301接收；另一路依次经过第二相位补偿器28以及第二检偏器29被平衡探测器30的第二接收器302接收

在步骤S53中，通过调节第一相位补偿器25使通过其探测光工作在最佳光学调制度点处；并通过调节第二相位补偿器28使得经过第一检偏器26的探测光的静态双折射相位值与经过第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数

在步骤S54中，平衡探测器30的输出正比于第一接收器301以及第二接收器302接收的被太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差、且正比于太赫兹光脉冲的光场振幅。

作为本发明的一个实施例，采用电光取样装置测量太赫兹光脉冲的方法进一步包括步骤S55，通过扫描探测光与太赫兹光脉冲的相对延时获得太赫兹光脉冲的光场时域特性，进而得到相应的频域特性。

在本发明实施例中，当没有太赫兹光脉冲入射时，探测光经过起偏器21后形成线性偏振光并透过电光取样晶体23；分束器24将透过电光取样晶体23的线性偏振光分成两路，一路依次经过第一相位补偿器25以及第一检偏器26被探测器30的第一接收器301接收；另一路依次经过第二相位补偿器28以及第二检偏器29被探测器30的第二接收器302接收；通过调节第一相位补偿器25以及第二相位补偿器28使得探测器30的第一接收器301接收的光信号的功率与第二接收器302接收的光信号的功率相等，探测器30的输出为零。当有太赫兹光脉冲入射时，太赫兹光脉冲与线性偏振光耦合后透过电光取样晶体23；分束器24将透过电光取样晶体23的被太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路，一路依次经过第一相位补偿器25以及第一检偏器26被探测器30的第一接收器301接收；另一路依次经过第二相位补偿器28以及第二检偏器29被探测器30的第二接收器302接收；探测器30的输出信号正比于第一接收器301接收的光功率和第二接收器302接收的光功率之差，也与太赫兹脉冲光场振幅成正比。

图6示出了本发明实施例提供的太赫兹电光取样装置应用在宽带太赫兹材料检测技术中的结构示意图；详述如下。

超短脉冲激光器1(如钛宝石短脉冲激光器)输出的飞秒脉冲群被分束器2分为两束：其中强的一束作为泵浦光经高反镜3、光学斩光器4后经聚焦镜5聚焦到太赫兹发射晶体6(如<110>切割的ZnTe晶体)上；该太赫兹发射晶体6发出的太赫兹脉冲被一90°离轴抛物面镜7准直后被另一90°离轴抛物面镜11聚焦到一块太赫兹电光取样晶体23上；较弱的一束则经过可调的光束延时器8和起偏器21后也入射到电光取样晶体23(如<110>切割的ZnTe晶体)与太赫兹光波重合；透过电光取样晶体23的探测光被一宽带偏振无关的分束器24分成强度相等的两束光：其中一束光分别经过第一相位补偿器25、第一检偏器26被平衡探测器30的第一接收器301接收，另一束光分别经过第二相位补偿器28、第二检偏器29被平衡探测器30的第二接收器302接收。其中，第一检偏器26和第二检偏器29均与起偏器21呈正交设置(实现近0°光学偏置)。平衡探测器30输出的电信号经一只锁相放大器后输送到PC机处理，通过扫描时间延迟线实现探测光对太赫兹电场不同时间点的取样从而得到太赫兹的电场信号；待测样品200置于两块90°离轴抛物面镜7、11之间；通过测量比较有和没有待测样品200插入两块90°离轴抛物面镜7、11之间时的太赫兹信号，就可测出待测样品200的厚度以及在太赫兹区的折射率以及吸收特性等。

图7是本发明实施例提供的太赫兹电光取样装置应用在宽带太赫兹扫描成像技术中的结构示意图；详述如下。

宽带太赫兹激光经四块90°离轴抛物面镜7、18、19、11后聚焦在另一电光晶体23上；探测光经一可调的光束延时器8与宽带太赫兹光一起会聚在电光取样晶体23上，通过扫描时间延迟线8实现探测光对太赫兹电场不同时间点的取样达到电光取样的目的。在太赫兹光在第二90°离轴抛物面镜18和第三块90°离轴抛物面镜19有一聚焦点，将待测样品200置于该焦点处，横向二维移动样品可实现太赫兹光扫描成像。

在本发明实施例提供的电光取样装置中，被太赫兹光脉冲调制后的探测光被分束器分成两路；一路依次经过第一相位补偿器以及第一检偏器被平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过第二相位补偿器以及第二检偏器被平衡探测器的第二接收器接收；这样导入平衡探测器的两束光脉冲的噪声特性非常相似，从而有利于消除背景噪声；同时通过调节第一相位补偿器使一路光工作在最佳光学调制度处，调节第二相位补偿器使得经过第一检偏器的探测光的静态双折射相位值与经过第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数，从而使得电光取样装置的线性工作范围不受静态双折射的影响，电光取样装置工作的信噪比也得到最佳化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量太赫兹光脉冲的电光取样装置，包括起偏器和电光取样晶体，其特征在于，所述电光取样装置还包括：分束器、第一相位补偿器、第二相位补偿器、第一检偏器、第二检偏器以及平衡探测器；

探测光经过所述起偏器后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在所述电光取样晶体内部重合；

所述分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过所述第一相位补偿器以及所述第一检偏器被所述平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过所述第二相位补偿器以及所述第二检偏器被所述平衡探测器的第二接收器接收；

所述平衡探测器的输出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差、且正比于所述太赫兹光脉冲的光场振幅。

2.如权利要求1所述的电光取样装置，其特征在于，所述第一检偏器与所述第二检偏器分别与所述起偏器呈近正交设置。

3.如权利要求1所述的电光取样装置，其特征在于，通过所述第一相位补偿器以及第一检偏器后的探测光的静态双折射相位值与通过所述第二相位补偿器以及第二检偏器后的探测光的静态双折射相位值互为相反数。

4.如权利要求1所述的电光取样装置，其特征在于，所述分束器为偏振无关宽带分束器，所述偏振无关宽带分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光等分成两路。

5.一种采用权利要求1所述的电光取样装置测量太赫兹光脉冲的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

探测光经过所述起偏器后变成线性偏振光并与太赫兹光脉冲在所述电光取样晶体内部重合；

分束器将透过所述电光取样晶体的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光分成两路；一路依次经过所述第一相位补偿器以及所述第一检偏器被所述平衡探测器的第一接收器接收；另一路依次经过所述第二相位补偿器以及所述第二检偏器被所述平衡探测器的第二接收器接收；

通过调节第一相位补偿器使通过其探测光工作在最佳光学调制度点处；并通过调节所述第二相位补偿器使得经过所述第一检偏器的探测光的静态双折射相位值与经过所述第二检偏器的探测光的静态双折射相位值互为相反数；

平衡探测器的输出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫兹光脉冲调制后的探测光的功率差、且正比于所述太赫兹光脉冲的光场振幅。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括步骤：

通过扫描探测光与所述太赫兹光脉冲的相对延时获得太赫兹光脉冲的光场时域特性，进而得到相应的频域特性。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一检偏器与所述第二检偏器分别与所述起偏器呈近正交设置。

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