CN102119359A - 太赫兹辐射源以及用于生成太赫兹辐射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹辐射源，其包含有一个脉冲飞秒光纤激光器（1）、一个脉冲形成器（2）、一个光学放大器（3）、以及一个非线性晶体（4），其中该激光器（1）、脉冲形成器（2）、光学放大器（3）和非线性晶体（4）如此来构造和/或设置，使得由该激光器（1）所生成的激光脉冲I,II,III,IV首先经过该脉冲形成器（2），然后经过该光学放大器（3），并然后经过该非线性晶体（4）；一种成像系统和/或光谱系统；用于生成太赫兹辐射的一种方法；用于利用这种系统来探测和/或检查生物、物体和材料的一种方法；以及这种源和这种系统的使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹辐射源、一种成像系统和/或光谱系统、一种用于生成太赫兹辐射的方法、一种用于利用这种系统对生物、物体和材料进行探测和/或检查的方法以及这种源和这种系统的使用。
背景技术
电磁频谱在太赫兹频带范围内可以提供与物质的复杂化学成分以及与物体的介电特性有关的信息。在这方面首先关注的是在不直接接触的情况下来识别爆炸物。在此一个太赫兹辐射源照射到相应的样品上，并分析所反射的、透射的以及散射的辐射。
用于频谱识别爆炸物的系统可以基于一个太赫兹辐射源和一个宽带太赫兹探测器，其中该太赫兹辐射源生成在宽的频范围内可调的太赫兹辐射。在这种系统中通过太赫兹频率的连续调谐以及同时对相应所接收强度的记录来实现频谱分解。与时域光谱相反，其中在时域光谱中需要尤其宽带的太赫兹辐射源，这种系统需要窄带的并且可连续调谐的太赫兹辐射源。
已知的是，对于这种窄带的、可调谐的太赫兹辐射源可以采用非线性的光学效应、比如差频（Differenzfrequenz）生成。
但是，为了能够利用差频生成，需要至少两个不同频率的光学脉冲。
通常这种不同频率的光学脉冲通过一种光学参数振荡器来生成，并在一个非线性晶体中通过差频生成而转换为太赫兹辐射，其中该太赫兹频率对应于脉冲的差频。然而在此成问题的是，光学参数振荡器对于温度波动和冲击是极其敏感的。
发明内容
根据本发明的太赫兹辐射源包含有
-一个脉冲飞秒光纤激光器，
-一个脉冲形成器，
-一个光学放大器，尤其光纤放大器，以及
-一个非线性晶体，
它的激光器、脉冲形成器、光学放大器和非线性晶体被构造和/或被设置为使得由该激光器所生成的激光脉冲首先经过该脉冲形成器，然后是光学放大器，然后是非线性晶体，这一方面所具有的优点是，全部部件具有尤其对于温度波动和冲击的更微小的干扰敏感性。此外，全部部件都可以是在电信频带内在1550nm处运行的部件，其从长期考虑可以在低的单位生产成本下来制造，这实现了在大规模生产中的应用。
附图说明
本发明的主题的其他优点和有利的扩展通过附图来示出并在下文说明中来解释。在此要注意的是，附图仅具有描述性特征并且其意图并不在于将本发明局限于任何的形式。其中：
图1示出了根据本发明的一种太赫兹辐射源的示意性框图；以及
图2示出了用于描绘激光脉冲在经过具有高斯形滤波特征的脉冲形成器之前和之后的频域图。
具体实施方式
图1示出，根据本发明的太赫兹辐射源包含有脉冲飞秒光纤激光器1、脉冲形成器2、光学放大器3和非线性晶体4。根据本发明，其如图1所示如此来构造和/或布置，使得由该激光器1所生成的激光脉冲I、II、III、IV首先经过脉冲形成器2、然后经过光学放大器3，然后经过非线性晶体4。
在本发明的范畴内，光纤激光器理解为一种固体激光器，其激光激发介质形成了一个比如铒、镱和/或钕掺杂的玻璃纤维。这种激光器有利地生成了高辐射强度的光线，并具有稳定的构造、转换过程的高效率以及通过纤维大表面的良好冷却。
在本发明的范畴内，飞秒光纤激光器理解为一种光纤激光器，其生成时长在飞秒范围内的激光脉冲。在此该飞秒范围理解为从≥50fs到≤500fs的范围。
在本发明的范畴内，脉冲形成器理解为一种装置，其把激光脉冲I转换为其频谱在不同频率处具有至少两个最大值的激光脉冲II，和/或其把一个激光脉冲I转换为至少两个不同频率的激光脉冲II。比如脉冲形成器理解为一种装置，其把激光脉冲I转换为其频谱在不同频率上具有两个最大值的激光脉冲II，或者其把一个激光脉冲I转换为两个不同频率的激光脉冲II。这种装置还尤其被称作“脉冲成形器”。该脉冲形成器可以但不必须包含有光学元件或组件以进行脉冲扩展、脉冲压缩或啁啾声补偿。在本发明的范畴内，所述概念“啁啾声”理解为由于光学元件（光纤、棱镜等）的分散特征而产生的脉冲的时间失真。
在本发明的范畴内，光学放大器理解为一种装置，其把一个波长或一个波长范围的输入光学信号进行放大，并作为同一波长或同一波长范围的光学信号来再现。该光学放大器可以但不必须包含有光学元件或组件以进行脉冲扩展、脉冲压缩或啁啾声补偿。
通过本发明的太赫兹辐射源可以有利地生成窄带的、在一个宽的频率范围内可调的太赫兹辐射。在此在本发明的范畴内，太赫兹辐射理解为在≥15μm至≤1000μm范围内的电磁辐射。作为窄带可以理解为具有≥1千兆赫兹至≤1太赫兹宽度、尤其≥20千兆赫兹至≤200千兆赫兹宽度的一种太赫兹辐射。≥0.3太赫兹至≤20太赫兹、比如≥0.3太赫兹或≥0.5太赫兹或≥1太赫兹至≤3太赫兹或至≤5太赫兹或至≤10太赫兹的频率范围可以理解为宽的。
在本发明的一个优选实施方案的范畴内，该光学放大器3是一种比如铒掺杂的光纤放大器。在此在本发明的范畴内，光纤放大器理解为用于在玻璃光纤光波导（光导）中传导的光信号的光学泵式（gepumpter）功率放大器。
在本发明的另一优选实施方案的范畴内，该光纤激光器1生成时长从≥50fs至≤500fs、比如为100fs的激光脉冲。
在本发明的另一优选实施方案的范畴内，该光纤激光器1的中心波长处于从≥1500nm至≤1600nm的范围内，比如从≥1530nm至≤1570nm。比如该激光器的中心波长可以为1550nm。另外该光纤激光器1可以是一种双套光纤激光器。
在本发明的范畴内，该脉冲形成器2可以把该激光脉冲I不仅对称地、而且非对称地划分为不同频率的至少两个激光脉冲II。如果由该光纤激光器1所生成的激光脉冲I是对称的，那么就比如可以采用对称划分的脉冲形成器2。如果由该光纤激光器1所生成的激光脉冲I是非对称的，那么就可以有利地如此来采用非对称划分的脉冲形成器2，使得它通过它的非对称性来消除由该光纤激光器1所生成的激光脉冲I的非对称性。
在本发明的另一优选实施方案的范畴内，该脉冲形成器2是一种基于光栅的脉冲形成器、基于棱镜的脉冲形成器或具有集成的法布里-珀罗(Fabry-Pérot)过滤器的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪。
优选地该马赫-曾德干涉仪在此包含有一个第一分束器（也称作“分光镜”）、比如一个第一Y光纤耦合器，以把该激光脉冲I划分为一个第一和一个第二激光脉冲，还包含有一个第一法布里-珀罗过滤器，以从该第一激光脉冲中滤出一个频率，还包含有一个第二法布里-珀罗过滤器，以从该第二激光脉冲中滤出另一频率，并包含有一个第二分束器（“分光镜”）、比如一个第二Y光纤耦合器，以把该第一和第二激光脉冲相叠加。
在本发明的范畴内，分束器理解为一种装置，该装置把入射的光束划分为两个光束，或者把两个入射光束相叠加。在本发明的范畴内，Y光纤耦合理解为一种元件，该元件把位于玻璃光纤中的光信号划分到两个玻璃光纤，或者把来自两个玻璃光纤的信号叠加到一个唯一的玻璃光纤中。
在这种马赫-曾德干涉仪中，最初的激光脉冲I通过该第一分束器被划分到马赫-曾德干涉仪的两个干涉仪分支中。在这两个分支中存在各一个法布里-珀罗过滤器，该过滤器分别从激光光谱中滤出一个频率。这两个比如洛伦兹形的线接着在第二分束器中又被叠加，并传输到该光学放大器3。
该法布里-珀罗过滤器在此可以是常规的、比如基于固体介电结构的法布里-珀罗过滤器。在这种情况下，在两个被划分的激光脉冲之间的频差比如可以通过法布里-珀罗过滤器的倾斜来调节。
在本发明的一个尤其优选的实施方案的范畴内，该法布里-珀罗过滤器是微电机械法布里-珀罗过滤器或者MEMS谐振器（MEMS:microelectro mechanical System，微电机械系统）。在这种情况下，在两个被划分的激光脉冲之间的频差比如可以通过在法布里-珀罗过滤器的镜面单元之间距离的、尤其电控的变化来调节。
该微电机械法布里-珀罗过滤器在此可以集成在一个玻璃光纤元件中。在一个实施方案的范畴内，该马赫-曾德干涉仪比如包含有一个第一Y光纤耦合器，以把该激光脉冲I划分为一个第一和一个第二激光脉冲，并包含有一个第一微电机械的、集成在一个玻璃光纤元件中的法布里-珀罗过滤器，以从该第一激光脉冲中滤出一个频率，还包含有一个第二微电机械的、集成在玻璃光纤元件中的法布里-珀罗过滤器，以从该第二激光脉冲中滤出另一频率，还包含有一个第二Y光纤耦合器，以把该第一和第二激光脉冲相叠加。
在本发明的范畴内，作为非线性晶体比如可以采用一种DAST晶体（DAST: 4’-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）、ZnTe晶体、CdTe晶体或GaAs晶体。
本发明的另一主题是用于利用根据本发明的一种太赫兹辐射源来生成太赫兹辐射的一种方法，其中该方法包含有以下的方法步骤：
1．通过该激光器1来生成尤其具有宽频分布的激光脉冲I，
2．通过该脉冲形成器2把该激光脉冲I转换为
-激光脉冲II，其频谱具有至少两个在不同的频率上的最大值，和/或
-至少两个不同频率的激光脉冲II；
3．通过该光学放大器3来放大
-该激光脉冲II，成为一个放大的激光脉冲III，其中该激光脉冲II的频谱具有至少两个在不同频率上的最大值，和/或
-不同频率的激光脉冲II，成为放大的激光脉冲III，以及
4．通过该非线性晶体4
-通过在放大的激光脉冲III的不同频率的最大值之间差频fTHz进行差频生成，和/或
-通过在放大的激光脉冲III的不同频率之间差频fTHz进行差频生成，
来生成太赫兹辐射IV。
具有“宽频分布”的激光脉冲I比如可以理解为具有从≥5THz至≤10THz宽度的频率分布的激光脉冲。
该激光脉冲I比如可以利用基于光栅的或基于棱镜的脉冲形成器2而被转换为一个激光脉冲II，该激光脉冲II的频谱具有至少两个在不同频率上的最大值。通过作为脉冲形成器2的具有集成法布里-珀罗过滤器的马赫-曾德干涉仪，该激光脉冲I可以被转换为至少两个不同频率的激光脉冲II。
该太赫兹辐射IV的频率可以通过该脉冲形成器2的连续调谐、尤其通过差频fTHz的连续调谐而被调节。
如图2中所示，优选地不仅被转换的激光脉冲II、而且被放大的激光脉冲III都具有对称的脉冲形状。由于光学放大器3的可能非线性而出现的脉冲形状的失真都可以通过该脉冲形成器2通过对输入到该光学放大器3中的脉冲形状II所进行的相应匹配而被均衡。比如该频谱分布III、尤其在该光学放大器3之后所测量的脉冲形状可以通过一个未示出的逻辑装置、比如微处理器来计算出为获得对称脉冲形状III所需的脉冲形状II，并通过该逻辑装置的输出如此来调节该脉冲形成器2，使得该脉冲形成器生成为获得对称脉冲形状III所需的、尤其非对称的脉冲形状II。
根据本发明的方法从而有利地适于生成窄带的、在宽的频率范围内可调的太赫兹辐射。
图1示出，在本发明方法的范畴内，由该飞秒光纤激光器1来生成比如具有时长在100fs范围内的激光脉冲I。该激光脉冲I被输入到一个脉冲形成器2中。该脉冲形成器2相应地把激光脉冲I转换为激光脉冲II，其中该激光脉冲II的频谱具有至少两个在不同频率上的最大值，和/或转换为至少两个不同频率的激光脉冲II。
在图2中示出了激光脉冲I的这种转换。图2在此示出了利用基于高斯的脉冲形成器在频域中对激光脉冲I的转换。
图2示出，从该光纤激光器所生成的激光脉冲I中通过该脉冲形成器2来选择具有宽度γ的两个频谱线，其中心频率相差频率fTHz。图2还示出，这两个频谱线在所示的优选实施方案的范畴内对称地布置于最初的中心激光波长I附近。但是，在本发明的另一实施方案的范畴内也可以是一种非对称的分布，尤其非对称的布置。该差频fTHz可以借助脉冲形成器2的连续调谐来达到，其中该差频对应于接着所生成的太赫兹辐射IV的频率。在经过该脉冲形成器2之后，由该脉冲形成器2所构造的脉冲形状II在该光学放大器3、尤其光纤放大器中如此被放大，使得在非线性晶体4的非线性材料中的电场足以通过该非线性晶体4来激发非线性效应。被放大的激光脉冲III最后到达该非线性晶体4，通过该非线性晶体借助非线性效应来生成具有太赫兹fTHz的太赫兹辐射IV。该非线性效应在此尤其可以是差频生成。
在此该太赫兹辐射IV的线宽度γ基本等于在该脉冲形成器中所过滤的两个频率II的宽度γ。通过改变一个或两个频谱线的频率，可以在一个非常宽的范围内改变该差频fTHz，并从而改变该太赫兹辐射IV的频率。根据本发明的太赫兹辐射源的最小频率在此近似通过该宽度γ来给出。根据本发明的太赫兹辐射源的最大频率按照数量级由最初的激光脉冲I在频率空间中的宽度而得出。
另外本发明还涉及一种成像系统和/或光谱系统，该系统包含有根据本发明的一种太赫兹辐射源和用作探测器的一种太赫兹辐射传感器。在此根据本发明的太赫兹辐射源和太赫兹辐射传感器针对要检查的对象不仅被设置为使得该太赫兹辐射传感器对透射过该对象之后所剩余的辐射进行探测，而且该太赫兹辐射传感器还对由该对象所反射的和/或散射的辐射进行探测。因此该太赫兹辐射源、太赫兹辐射传感器以及该对象不仅可以沿着一个轴来布置，其中该对象设置在该太赫兹辐射源和太赫兹辐射传感器之间，而且还可以相互不沿着一个轴对着设置。根据本发明的系统有利地实现了在太赫兹范围中的实时光谱以及在太赫兹范围内的成像探测。
在根据本发明的成像系统和/或光谱系统的一个实施方案的范畴内涉及一种多频谱成像系统和/或光谱系统，该系统除了太赫兹辐射传感器之外还包含有其他的辐射传感器、尤其是用于不可见的、近红外、和/或红外范围的辐射的传感器。
此外本发明还涉及一种用于利用本发明的系统来探测和/或检查生物、尤其人和动物、物体和材料的方法。该方法尤其可以基于频率范围光谱。优选地根据本发明的太赫兹辐射源在根据本发明的方法中辐射出一个窄的太赫兹带，该太赫兹带比如具有从≥1千兆赫兹至≤1太赫兹、尤其从≥20千兆赫兹至≤200千兆赫兹的宽度，该太赫兹带在一个宽的频率范围内、比如在≥0.3太赫兹至≤20太赫兹的范围内、比如从≥0.3太赫兹或从≥0.5太赫兹或者从≥1太赫兹至≤3太赫兹或至≤5太赫兹或至≤10太赫兹的范围内进行变化，其中透射的、反射的和/或散射的辐射通过尤其宽带的太赫兹辐射传感器而被探测、尤其被测量。在此宽带太赫兹辐射传感器比如理解为一种太赫兹辐射传感器，其探测间隔为≥0.3太赫兹至≤20太赫兹，尤其≥0.3太赫兹或≥0.5太赫兹或者≥1太赫兹或者≥1.5太赫兹至≤2.5太赫兹或至≤3太赫兹或至≤5太赫兹或至≤10太赫兹。该太赫兹辐射传感器的测量结果在本发明方法的范畴内可以通过一个输出设备、比如显示器、屏幕或打印机而被输出。
另外本发明还涉及根据本发明的太赫兹辐射源、根据本发明的系统和/或根据本发明方法在监控/安保技术、运输、生产、包装、生命、科学和/或医疗领域中的应用。本发明尤其涉及根据本发明的太赫兹辐射源、根据本发明的系统和/或根据本发明的方法为了探测和/或检查生物尤其人和动物、物体和材料尤其爆炸物、比如在边界安全控制中、在过境建筑物如机场和车站中、在交通工具如火车、汽车、飞机和/或轮船中、和/或在大型活动中、为了建筑、房间和移动工具的防盗保险、为了医疗目的和/或为了无损检验工件（“无损检验”）、尤其由塑料构成的工件而进行的应用。比如根据本发明的太赫兹辐射源、根据本发明的系统和/或根据本发明的方法可以应用在一种多频谱照相机中以用于敏感基础设施和边界的出入控制、用于无损工件检验、用于监控包装机器或用于确定生物组织的化学成分。
Claims (14)
1.一种太赫兹辐射源，尤其用于生成窄带的、在宽的频率范围内可调的太赫兹辐射，其包含有
-脉冲飞秒光纤激光器（1），
-脉冲形成器（2），
-光学放大器（3），以及
-非线性晶体（4），
其中该激光器（1）、脉冲形成器（2）、光学放大器（3）和非线性晶体（4）被构造和/或设置为使得由该激光器（1）所生成的激光脉冲（I,II,III,IV）首先经过该脉冲形成器（2）、然后经过该光学放大器（3），并然后经过该非线性晶体（4）。
2.根据权利要求1所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该光学放大器（3）是光纤放大器。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该激光器（1）生成时长从≥50fs至≤500fs的激光脉冲。
4.根据权利要求1至3之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该激光器（1）的中心波长位于从≥1500nm至≤1600nm的范围内。
5.根据权利要求1至4之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该脉冲形成器（2）是基于光栅的脉冲形成器、基于棱镜的脉冲形成器或者具有集成的法布里-珀罗过滤器的马赫-曾德干涉仪。
6.根据权利要求1至5之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该马赫-曾德干涉仪包含有：
-第一分束器，用于把该激光脉冲划分为一个第一和一个第二激光脉冲，
-第一法布里-珀罗过滤器，用于从该第一激光脉冲中滤出一个频率，以及第二法布里-珀罗过滤器，用于从该第二激光脉冲中滤出另一频率，以及
-第二分束器，用于把该第一和第二激光脉冲相叠加。
7.根据权利要求1至6之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该第一和/或第二分束器是Y光纤耦合器。
8.根据权利要求1至7之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该法布里-珀罗过滤器是微电机械法布里-珀罗过滤器。
9.根据权利要求1至8之一所述的太赫兹辐射源，其特征在于，该太赫兹辐射源生成宽度从≥1千兆赫兹至≤1太赫兹的太赫兹辐射，其中该太赫兹辐射在从≥0.3太赫兹至≤20太赫兹的频率范围内是可调的。
10.利用根据权利要求1至9之一所述的太赫兹辐射源来生成太赫兹辐射、尤其来生成窄带的、在宽的频率范围内可调的太赫兹辐射的方法，该方法所包含的方法步骤是：
1．通过该激光器（1）来生成该激光脉冲（I），
2．通过该脉冲形成器（2）把该激光脉冲（I）转换为
-激光脉冲（II），其频谱具有至少两个在不同频率上的最大值，和/或
-至少两个不同频率的激光脉冲（II）；
3．通过该光学放大器（3）来放大
-该激光脉冲（II）成为放大的激光脉冲（III），其中该激光脉冲（II）的频谱具有至少两个在不同频率上的最大值，和/或
-不同频率的激光脉冲（II）成为放大的激光脉冲（III），以及
4．通过该非线性晶体（4）
-通过在放大的激光脉冲（III）的不同频率处的最大值之间的差频（fTHz）进行差频生成，和/或
-通过在放大的激光脉冲（III）的不同频率之间的差频（fTHz）进行差频生成，
来生成太赫兹辐射（IV）。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该太赫兹辐射（IV）的频率通过该脉冲形成器（2）的连续调谐、尤其通过该差频（fTHz）的连续调谐而被调节。
12.一种成像系统和/或光谱系统，其包含有根据权利要求1至9之一所述的太赫兹辐射源和太赫兹辐射传感器。
13.利用根据权利要求12所述的系统，用于探测和/或检查生物、尤其人和动物、物体和材料的方法，其中该太赫兹辐射源辐射出一个窄的太赫兹带，该太赫兹带在宽的频率范围内被改变，其中所透射的、反射的和/或散射的辐射通过该太赫兹辐射传感器而被探测。
14.根据权利要求1至9之一所述的太赫兹源和/或根据权利要求12所述的系统在监控/安保技术、运输、生产、包装、生命科学和/或医疗领域中的应用，尤其用于探测和/或检查生物、物体和材料、比如在边界安全控制中、在过境建筑物中、在交通工具中、和/或在大型活动中、用于建筑、房间和移动工具的防盗保险、用于医疗目的和/或用于无损检验工件。
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