CN102169016A - 连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法，该装置包括光源部分、光路部分和探测部分；光源部分包括冷头、安装于冷头内的热沉、安装于热沉上的太赫兹量子级联激光器、安装于冷头上用以使太赫兹光射出的聚乙烯窗片；光路部分包括第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜；第一离轴抛物镜收集经聚乙烯窗片射出的太赫兹光；第二离轴抛物镜接收经第一离轴抛物镜反射的太赫兹光；探测部分包括热探测器和示波器；热探测器接收第二离轴抛物镜反射的太赫兹光，并产生相应的电压信号；示波器对电压信号进行提取和显示获得电压信号幅度。本发明光路部分和探测部分可以在常温下进行测量，便于安装和测试。

Description

连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，涉及一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012Hz)波段是指频率介于红外与毫米波之间的一段电磁波区域，人们称之为“THz空隙”。近年来，THz技术及其应用发展迅速，作为THz波段重要辐射源的太赫兹量子级联激光器(Terahertz Quantum Cascade Laser，THz QCLs)得到了广泛而深入的研究，并取得了重要的进展。它具有能量转换效率高、体积小、易集成以及使用寿命长等特点。到目前为止，THz QCLs的最高工作温度为脉冲模式下186K、连续模式下117K；在最优的工作条件下其最高输出功率可达248mW(脉冲模式)和130mW(连续模式)，最低工作频率为1.2THz，在磁场辅助下可达0.68THz。随着上述器件工作性能的快速发展，上述器件的应用也倍受关注。目前THz QCLs已经成功应用于亚毫米波段外差接收的局域振荡源、THz无线通信、THz波实时成像等THz应用技术中。
作为器件应用的重要性能指标，器件输出功率一直是器件表征的重要方面，器件输出功率的大小直接决定了其应用领域和范围。因此，如何精确地测量出器件的有效输出功率是器件应用过程的关键环节。由于脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出激光的重复频率通常为5kHz(对应为0.2毫秒)左右，而普通热探测器(如Golay Cell)的时间常数通常为20毫秒左右，因此采用普通的热探测器来测量脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出激光的功率是难以实现的。目前，国际上对连续激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量主要采用液氦杜瓦冷却的bolometer探测器和常温Golay Cell探测器，但二者的价格非常昂贵，很难获得普遍应用。另外，bolometer探测器的使用需要一整套液氦传输系统，测量过程耗时较长，使用过程不方便，也不快捷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量方法，该测量方法中使用的光路部分和探测部分可以在常温下实现；
此外，本发明还提供一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，包括光源部分、光路部分和探测部分；所述光源部分包括冷头、安装于所述冷头内的热沉、安装于热沉上的太赫兹量子级联激光器、以及聚乙烯窗片；所述聚乙烯窗片安装于所述冷头上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光通过聚乙烯窗片射出；所述光路部分包括第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜；所述第一离轴抛物镜收集经所述聚乙烯窗片射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分；所述探测部分包括热探测器和示波器；所述热探测器用以接收第二离轴抛物镜反射过来的太赫兹光，并产生相应的电压信号；所述示波器用以对所述电压信号进行提取和显示，得到所述电压信号的幅度。
作为本发明的一种优选方案，所述热探测器为基于钽酸锂晶体的热释电探测器。
作为本发明的另一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为4.02-4.13THz。
作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的有源区是通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成的。
作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的有源区为四阱共振声子结构，其共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料。
作为本发明的再一种优选方案，所述聚乙烯窗片采用高强度聚乙烯材料。
作为本发明的再一种优选方案，所述聚乙烯窗片通过将灌制的高强度聚乙烯圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成。
作为本发明的再一种优选方案，所述第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜均为镀金反射面。
作为本发明的再一种优选方案，所述示波器为数字示波器，包括4个可测量通道；所述示波器的测量带宽为500MHz，采样速率为4Gsa/s，存储深度为8Mpts。
一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量方法，包括以下步骤：
步骤一，给太赫兹量子级联激光器施加一个周期性的驱动电压或电流，使其辐射出周期性的太赫兹光，所述周期性太赫兹光经过聚乙烯窗片后到达第一离轴抛物镜上；
步骤二，所述第一离轴抛物镜接收经所述聚乙烯窗片射出的周期性太赫兹光，并使该周期性太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的周期性太赫兹光，并使该周期性太赫兹光反射至所述探测部分的热探测器的敏感面上；
步骤三，所述热探测器对入射的周期性太赫兹光响应后产生相应的周期性电压信号，采用所述示波器对上述电压信号进行提取和显示，得到上述电压信号的幅度，根据热探测器的功率标定曲线，得到到达热探测器敏感面的太赫兹光功率，再根据整个测量装置的收集效率计算出太赫兹量子级联激光器从聚乙烯窗片射出的太赫兹光功率，进而完成了对连续激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量。
本发明的有益效果在于：本发明采用了钽酸锂热释电探测器，可以在常温下进行探测，便于安装和测试；此外，本发明所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置在太赫兹光频段有很好的反射(或透射)特性，可以使测量装置达到尽可能大的太赫兹光收集效率。
附图说明
图1为本发明所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置的结构示意图；
图2为厚度为5mm的聚乙烯窗片在太赫兹光频段的透射谱示意图；
图3为大气在太赫兹光频段的透射谱示意图；
图4为太赫兹量子级联激光器的外加偏压信号波形和热探测器对相应太赫兹光的响应信号波形的示意图。
主要组件符号说明：
A、光源部分；      B、光路部分；
C、探测部分；      1、冷头；
2、热沉；          3、聚乙烯窗片；
4、第一离轴抛物镜；5、第二离轴抛物镜；
6、热探测器；       7、示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明公开了一种测量连续激射型太赫兹量子级联激光器输出激光功率的装置及其功率测量方法，其包括：光源部分(冷头、热沉、安装于热沉上的太赫兹量子级联激光器、及聚乙烯窗片)、光路部分(两个离轴抛物镜和大气)和探测部分(热探测器、示波器)。本发明的优点在于：采用了技术成熟、性能稳定的热探测器和低损耗的镀金离轴抛物镜来搭建连续激射型太赫兹量子级联激光器输出激光功率的测量装置，从而可以准确地测量出连续激射型太赫兹量子级联激光器不同驱动电流下输出激光的功率，为器件的应用提供准确的功率性能描述。
实施例一
本实施例提供一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，如图1所示。
该装置包括光源部分A、光路部分B和探测部分C。
【光源部分A】
光源部分A包括：冷头1、安装于所述冷头1内的热沉2、安装于热沉2上的太赫兹量子级联激光器，以及聚乙烯窗片3；所述聚乙烯窗片3安装于所述冷头1上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光通过聚乙烯窗片3射出。
其中，所述的热沉均为铜质材料，在低温技术领域常用于微型器件的导热体中。所述太赫兹量子级联激光器的有源区为“四阱共振声子”结构，采用分子束外延的方法在半绝缘的GaAs衬底上交替生长GaAs/Al0.15Ga0.85As的多量子阱结构层而形成，有源区总共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料，器件尺寸为1mm×40μm(长×宽)，激射频率范围为4.02-4.13THz，器件工作时的温度为10K。提供低温环境的冷头1为闭循环脉冲管式低温制冷机的一部分，其最低温度可以达到9K；聚乙烯窗片3为高强度聚乙烯(HDPE)材料，窗片通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成，直径60mm，厚度为5.0mm，其对4.13THz波的透过率为56％，如图2所示。
【光路部分B】
光路部分B包括：第一离轴抛物镜4和第二离轴抛物镜5以及太赫兹光所经过的大气；所述第一离轴抛物镜4接收经所述第一聚乙烯窗片3射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至第二离轴抛物镜5；所述第二离轴抛物镜5接收经所述第一离轴抛物镜4反射过来的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分C。
其中，第一离轴抛物镜4和第二离轴抛物镜5的焦距均为101.6mm，且均为镀金反射面，其对4.13THz电磁波的反射率均为98％；上述太赫兹光所经过的大气距离为400mm，根据相同相对湿度(RH47％)下对1480mm厚度大气透过率(T)的测量结果如图3所示，以及透过率与介质厚度(L)的关系(T∝e-αL，α为吸收系数)，计算得到400mm厚度的大气对4.13THz电磁波的透过率为83％。
【探测部分C】
探测部分C包括：热探测器6和示波器7；所述第二离轴抛物镜5反射过来的太赫兹光会聚于热探测器6的敏感面上，热探测器6对太赫兹光进行响应后产生相应的电压信号，所述示波器7对上述电压信号进行提取和显示后可得到该电压信号的幅度。
其中，所述热探测器6为基于钽酸锂晶体的热释电探测器，其探测的光波长可覆盖30μm-15mm(对应频率范围为10-0.02THz)，探测器在4.13THz处的响应率为550V/W(0.25Hz斩波频率)，其工作时的噪声水平为1.0mV；探测器敏感面为2mm×3mm的长方形钽酸锂晶体，探测器晶体的工作温度范围为：5-40℃。用于热探测器6电压信号提取和显示的示波器7为数字示波器，其主要参数为：4个可测量通道，500MHz测量带宽，4Gsa/s采样速率以及标准的8Mpts存储深度。
本装置用于连续激射型太赫兹波段激光器发射功率的测量，具体为太赫兹量子级联激光器发射功率的测量，频段对应为4.13THz，测量装置中采用了对太赫兹光吸收较弱的聚乙烯材料作为窗片以及采用了对太赫兹光反射率较高的镀金离轴抛物镜作为太赫兹光的收集和反射装置。
实施例二
本实施例描述的是实施例一所述的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，给安装于光源部分的热沉上的太赫兹量子级联激光器施加周期为4s的方波电压信号(见图4)后，所述太赫兹量子级联激光器辐射出周期也为4s的太赫兹光(频率为4.13THz)。具有周期变化的太赫兹光经过聚乙烯窗片后到达第一离轴抛物镜4上。
步骤二，所述第一离轴抛物镜接收经所述聚乙烯窗片射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分的热探测器的敏感面上；
步骤三，所述探测部分的热探测器对所述第二离轴抛物镜反射过来的太赫兹光进行响应后产生相应的周期性电压信号，如图4所示；所述示波器对上述周期性电压信号进行提取和显示后可得到该电压信号的幅度；
步骤四，根据热探测器的标定曲线和整个太赫兹光功率测量装置的收集效率计算得到从冷头的聚乙烯窗片处出射的太赫兹光功率值，从而完成了对上述连续激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量。
实施例三
本实施例对实施例一所述的测量装置的收集效率进行了检测，需要检测的内容有四个部分：
(1)冷头的聚乙烯窗片对4.13THz光的透过率；
(2)第一离轴抛物镜对聚乙烯窗片处出射太赫兹光的收集效率；
(3)第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜对4.13THz光的反射效率；
(4)整个光路中的大气对4.13THz光的透过率。
以对4.13THz光的收集效率为例获得的实验测量结果如下：
(1)安装于冷头上的聚乙烯窗片的透过率为56％；
(2)第一离轴抛物镜对4.13THz光的收集效率为10％；
(3)两个抛物镜组合起来对4.13THz光的反射率为96％；
(4)整个光路部分(400mm距离)对4.13THz光的透过率为83％。
因此，整个测量装置对4.13THz光的收集效率为4.5％。
此外，本实施例还提供了连续激射型太赫兹量子级联激光器出射功率的计算方法，该方法的主要内容为：
首先根据钽酸锂热释电探测器对接收到的太赫兹光进行响应后产生的电压信号的幅度和探测器本身的电压响应率曲线，计算获得到达探测器敏感面上的太赫兹光功率值；
然后再根据整个测量装置的收集效率计算获得连续激射型太赫兹量子级联激光器从冷头的聚乙烯窗片处出射的太赫兹光功率。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (10)

1.一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：包括光源部分(A)、光路部分(B)和探测部分(C)；
所述光源部分(A)包括冷头(1)、安装于所述冷头(1)内的热沉(2)、安装于热沉(2)上的太赫兹量子级联激光器、以及聚乙烯窗片(3)；所述聚乙烯窗片(3)安装于所述冷头(1)上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光通过聚乙烯窗片(3)射出；
所述光路部分(B)包括第一离轴抛物镜(4)和第二离轴抛物镜(5)；所述第一离轴抛物镜(4)收集经所述聚乙烯窗片(3)射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至第二离轴抛物镜(5)；所述第二离轴抛物镜(5)接收经所述第一离轴抛物镜(4)反射过来的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分(C)；
所述探测部分(C)包括热探测器(6)和示波器(7)；所述热探测器(6)用以接收第二离轴抛物镜(5)反射过来的太赫兹光，并产生相应的电压信号；所述示波器(7)用以对所述电压信号进行提取和显示，得到所述电压信号的幅度。
2.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述热探测器(6)为基于钽酸锂晶体的热释电探测器。
3.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为4.02-4.13THz。
4.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的有源区是通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成的。
5.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的有源区为四阱共振声子结构，其共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料。
6.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述聚乙烯窗片(3)采用高强度聚乙烯材料。
7.根据权利要求6所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述聚乙烯窗片(3)通过将灌制的高强度聚乙烯圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成。
8.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述第一离轴抛物镜(4)和第二离轴抛物镜(5)均为镀金反射面。
9.根据权利要求1所述的连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，其特征在于：所述示波器(7)为数字示波器，包括4个可测量通道；所述示波器(7)的测量带宽为500MHz，采样速率为4Gsa/s，存储深度为8Mpts。
10.一种连续激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，给太赫兹量子级联激光器施加一个周期性的驱动电压或电流，使其辐射出周期性的太赫兹光，所述周期性太赫兹光经过聚乙烯窗片(3)后到达第一离轴抛物镜(4)上；
步骤二，所述第一离轴抛物镜(4)接收经所述聚乙烯窗片(3)射出的周期性太赫兹光，并使该周期性太赫兹光反射至第二离轴抛物镜(5)；所述第二离轴抛物镜(5)接收经所述第一离轴抛物镜(4)反射过来的周期性太赫兹光，并使该周期性太赫兹光反射至所述探测部分(C)的热探测器(6)的敏感面上；
步骤三，所述热探测器(6)对入射的周期性太赫兹光响应后产生相应的周期性电压信号，采用所述示波器(7)对上述电压信号进行提取和显示，得到上述电压信号的幅度，根据热探测器(6)的功率标定曲线，得到到达热探测器(6)敏感面的太赫兹光功率，再根据整个测量装置的收集效率计算出太赫兹量子级联激光器从聚乙烯窗片(3)射出的太赫兹光功率，进而完成了对连续激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量。
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