CN102589713A - 太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及方法 - Google Patents

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曹俊诚
郭旭光
陈镇
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Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及方法，该装置包括激光器部分和激光探测部分；激光器部分包括驱动电源、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、安装于冷头上的聚乙烯窗片；激光探测部分包括热像仪。本发明的优点在于采用了制作技术成熟、性能稳定可靠且具有实时显示功能的热像仪作为太赫兹量子级联激光器输出激光光束的探测装置，该装置可实时地测量得到距离激光器出射端面一定距离范围内的激光光束截面的二维分布情况，从而为太赫兹量子级联激光器在成像应用方面的性能测试提供一种很好的技术手段。

Description

太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种基于热像仪的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及测量方法。
背景技术
太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum-cascade laser，THz QCL)是一种紧凑的基于半导体材料的电子器件，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。随着能带工程和材料生长技术的飞速发展，THz QCL自2002年首次被研制成功以来，在器件性能的提高和器件应用拓展方面均有很大发展。到目前为止，有文献报道的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分别可达248mW(脉冲模式)和130mW(连续模式)，最低工作频率为1.2THz，在磁场辅助下可低达0.68THz。随着器件性能的快速提高，器件在太赫兹通信、成像等领域的应用也倍受关注。目前THz QCL已经成功应用于太赫兹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。
众所周知，太赫兹激光器激光光束的品质是影响其实际应用的重要因素。尽管THz QCL的激光光束性能已获得很好的改善，但目前还没有与之频率匹配的光电探测器阵列，只能采用热探测器阵列来表征其激光光束图形。尽管热探测器阵列的峰值响应频率不在THz波段，且在测量过程中还会受到背景辐射的影响，但用其表征THz QCL的激光光束是目前比较好的一个选择，如果能配上THz波段的带通滤波装置，则可获得更好的表征结果，从而为太赫兹量子级联激光器在成像应用方面的性能测试提供一种很好的技术手段。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及方法，该测量装置及测量方法可实时地表征太赫兹量子级联激光器输出激光光束的场形分布，为其在太赫兹成像方面应用性能的测量提供一种很好的技术手段。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，所述测量装置至少包括激光器部分和激光探测部分，其中：所述激光器部分包括用以提供电信号的驱动电源，用以提供低温环境的冷头，装设于所述冷头内用以导热的热沉，安装于所述热沉上并在所述驱动电源输出的电信号驱动下辐射出太赫兹光的太赫兹量子级联激光器，以及装设在所述冷头上并位于所述太赫兹光的射出路径上的聚乙烯窗片；以及所述激光探测部分包括具有探测模块的热像仪，用以实时接收经所述聚乙烯窗片射出的太赫兹光，并将接收到的太赫兹光束的场形分布情况实时显示，所述探测模块为基于微型热探测器单元的焦平面阵列，且所述探测模块的焦平面阵列竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器激光出射端面预设的距离范围内。
在本发明的测量装置中，所述热像仪探测模块的焦平面阵列的二维像数为320×240，像元材料为氧化钒，探测频率范围覆盖3～50THz，探测器的热灵敏度为50mK，探测模块的成像帧率为8.5Hz。
在本发明的测量装置中，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围覆盖1.2～5.0THz。
在本发明的测量装置中，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层和AlGaAs层的方式形成的。
在本发明的测量装置中，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，所述四阱共振声子结构包括179个周期结构，每个周期结构包含交替生长的GaAs层和Al0.15Ga0.85As层各4层。于一优选的实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为4.76～4.78THz。
在本发明的测量装置中，所述聚乙烯窗片采用高强度聚乙烯材料；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、研磨和抛光而制成。所述驱动电源为可编程电压源或电流源。所述冷头为一闭循环机械制冷系统的低温输出部分。
本发明还提供一种应用测量装置的方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：步骤一，根据对太赫兹量子级联激光器出射激光光束发散特性的分析结果，将热像仪探测模块的焦平面阵列竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器激光出射端面预设的距离范围内；步骤二，采用驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加周期变化的电压或电流，使所述太赫兹量子级联激光器辐射出具有同样周期变化的太赫兹光，所述周期变化的太赫兹光经过聚乙烯窗片后到达所述热像仪探测模块的焦平面阵列上；以及步骤三，所述热像仪探测模块的焦平面阵列对周期变化的太赫兹光进行响应，产生相应的电信号，使周期变化的太赫兹光在焦平面上的强度分布实时地显示在所述热像仪的显示屏幕中，通过分析该显示屏幕中显示的图像所对应的数据得到所述太赫兹量子级联激光器在距其出射端面预设距离处激光场形的二维分布结果，以完成了对所述太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量。
如上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明利用商业化的阵列探测技术来表征太赫兹量子级联激光器输出激光的场形分布，可有效提高探测结果的准确性和可靠性。
(2)本发明装置可实时地表征太赫兹量子级联激光器输出激光的场形分布，测量手段快速而直观，使激光器在太赫兹成像领域的应用优势得以提高。
(3)本发明采用了在太赫兹频段有很好透射特性的光学附件，可以使测量结果尽可能地反映激光器输出激光的真实情况。
附图说明
图1显示为本发明的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置示意图。
图2显示为本发明中为厚度为5.0mm的聚乙烯窗片在2.0-7.0THz频段的透射光谱示意图。
图3为本发明中热像仪测量得到的太赫兹量子级联激光器输出激光的二维分布图像，其中黑色线所示区域为激光光束截面的整体轮廓。
元件标号说明
1     激光器部分
11    驱动电源
12    冷头
13    热沉
14    太赫兹量子级联激光器
15    聚乙烯窗片
2     激光探测部分
211   探测模块
212   焦平面阵列
213   显示屏幕
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，显示为本发明的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置示意图，如图所示，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，至少包括激光器部分1和激光探测部分2。
其中，所述激光器部分1包括驱动电源11，冷头12，热沉13，太赫兹量子级联激光器14，以及聚乙烯窗片15。所述激光探测部分2包括热像仪21。
所述驱动电源11用以提供电信号，在本实施例中，所述驱动电源11为可编程直流稳压电源，可输出电压或电流，电压/电流信号输出范围为：0～6A(对应电压为0～30V)，0～3.3A(对应电压为0～60V)；输出电压上升沿≤100ms，输出电压下降沿≤100ms；定电压操作下，负载调节率≤0.01％+2mV；定电流操作下，负载调节率≤0.01％+250μA。
所述冷头12用以提供低温环境，在本实施例中，所述冷头12为一闭循环机械制冷系统的低温输出部分，具体地，所述冷头12提供的低温环境最低温度可以达到9K。
所述热沉13装设于所述冷头12内用以导热，在本实施例中，所述热沉13为铜质材料，在低温技术领域常作为微型器件的导热体。
所述太赫兹量子级联激光器14安装于所述热沉13上并在所述驱动电源11输出的电信号驱动下辐射出太赫兹光。在具体的实施例中，所述太赫兹量子级联激光器14的激射频率范围覆盖1.2～5.0THz。更详而言之，所述太赫兹量子级联激光器14的有源区为“四阱共振声子”结构，通过分子束外延方法在半绝缘的GaAs衬底上交替生长GaAs层和Al0.15Ga0.85As层的方式形成。有源区总共有179个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al0.15Ga0.85As层各4层，所述太赫兹量子级联激光器14的尺寸为1.97mm×100μm(长×宽)，器件可激射频率的范围为4.76～4.78THz。在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器14的激射频率优选为4.78THz，其工作时的温度为17K。
所述聚乙烯窗片15装设在所述冷头12上并位于所述太赫兹光的射出路径上。在本实施例中，所述聚乙烯窗片15为高强度聚乙烯(HDPE)材料，聚乙烯窗片15是通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而制成，窗片直径为60mm，厚度为5.0mm，其对4.78THz电磁波的透过率为50％，如图2所示，显示为本发明中为厚度为5.0mm的聚乙烯窗片15在2.0～7.0THz频段的透射光谱示意图。
所述激光探测部分2包括具有探测模块211的热像仪21，用以实时接收经所述聚乙烯窗片15射出的太赫兹光，并将接收到的太赫兹光束的场形分布情况实时显示，所述探测模块211为基于微型热探测器单元的焦平面阵列212，且所述探测模块211的焦平面阵列212竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器14激光出射端面预设的距离范围内，具体地，将热像仪21探测模块211的焦平面阵列212竖直放置于距太赫兹量子级联激光器14激光出射端面40mm的位置，且所述热像仪21探测模块211二维阵列的中心区域与太赫兹量子级联激光器14的激光出射端面对准。在本实施例中，所述热像仪21为工作于常温下的热探测器阵列，其探测模块211为基于微型热探测器单元的焦平面阵列212，焦平面阵列212的二维像数为320×240，像元材料为氧化钒(VOx)，探测频率范围覆盖3-50THz，探测器的最优热灵敏度为50mK，探测模块211的成像帧率为8.5Hz。
本发明所述的太赫兹量子级联激光器14输出激光场形的测量装置可用于测量太赫兹量子级联激光器14输出激光光束截面的二维分布，其采用了制作技术成熟、性能稳定，且在太赫兹波段仍可以响应的热探测器阵列作为激光的探测装置，采用了对太赫兹光吸收弱的聚乙烯材料作为窗片。本发明所述的太赫兹量子级联激光器14输出激光场形的测量装置可实现对变化的太赫兹量子级联激光器14输出激光的实时测量，并可得到不同时刻下激光光束截面的二维分布情况。
实施例二
请配合参阅图1，本实施例提供上述实施例一所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置的一种激光场形的测量方法，所述方法至少包括以下步骤：
步骤一，根据对太赫兹量子级联激光器14出射激光光束发散特性的分析结果，将热像仪21探测模块211的焦平面阵列212竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器14激光出射端面预设的距离范围内。在本实施例中，所述预设的距离范围为热像仪21探测模块211的焦平面阵列212竖直放置于距太赫兹量子级联激光器14激光出射端面40mm的位置。
步骤二，采用驱动电源11给所述太赫兹量子级联激光器14施加周期变化的电压或电流，使所述太赫兹量子级联激光器14辐射出具有同样周期变化的太赫兹光，所述周期变化的太赫兹光经过聚乙烯窗片15后到达所述热像仪21探测模块211的焦平面阵列212上。在本实施例中，采用驱动电源11给太赫兹量子级联激光器14施加1s开启、1s关闭的周期变化的电流，电流幅度为0.85A，此时对应的施加在太赫兹量子级联激光器14两端的电压为13.21V，使激光器辐射出具有同样周期变化的频率为4.78THz的太赫兹光，所述变化的太赫兹光经过聚乙烯窗片15后到达热像仪21探测模块211的焦平面阵列212上，其中，所述聚乙烯窗片15厚度为5mm，其对4.78THz光的透过率为50％(呈如图2所示)。
步骤三，所述热像仪21探测模块211的焦平面阵列212对周期变化的太赫兹光进行响应，产生相应的电信号，使周期变化的太赫兹光在焦平面上的强度分布实时地显示在所述热像仪21的显示屏幕213中，通过分析该显示屏幕213中显示的图像所对应的数据得到所述太赫兹量子级联激光器14在距其出射端面预设距离处激光场形的二维分布结果，进而完成了对所述太赫兹量子级联激光器14输出激光场形的测量。在本实施例中，通过分析显示屏幕213中显示的图像所对应的数据可得到太赫兹量子级联激光器14在距其出射端面40mm处激光场形的二维分布结果，从而完成了对太赫兹量子级联激光器14输出激光场形的测量，如图3所示，显示为本发明中热像仪21测量得到的太赫兹量子级联激光器输出激光的二维分布图像，其中黑色线所围区域为激光光束截面的整体轮廓。
本发明的测量装置及方法采用了制作技术成熟、性能稳定可靠且具有实时显示功能的热像仪作为太赫兹量子级联激光器输出激光光束的探测装置，可以实时地测量得到距离激光器出射端面一定距离范围内的激光光束截面的二维分布情况。另外，本发明采用了在太赫兹频段有很好透射特性的光学附件，可以使测量结果尽可能地反映激光器输出激光的真实情况。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于，所述测量装置至少包括激光器部分和激光探测部分，其中：
所述激光器部分包括用以提供电信号的驱动电源，用以提供低温环境的冷头，装设于所述冷头内用以导热的热沉，安装于所述热沉上并在所述驱动电源输出的电信号驱动下辐射出太赫兹光的太赫兹量子级联激光器，以及装设在所述冷头上并位于所述太赫兹光的射出路径上的聚乙烯窗片；以及
所述激光探测部分包括具有探测模块的热像仪，用以实时接收经所述聚乙烯窗片射出的太赫兹光，并将接收到的太赫兹光束的场形分布情况实时显示，所述探测模块为基于微型热探测器单元的焦平面阵列，且所述探测模块的焦平面阵列竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器激光出射端面预设的距离范围内。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于：所述热像仪探测模块的焦平面阵列的二维像数为320×240，像元材料为氧化钒，探测频率范围覆盖3～50THz，探测器的热灵敏度为50mK，探测模块的成像帧率为8.5Hz。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围覆盖1.2～5.0THz。
4.根据权利要求3所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，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层和AlGaAs层的方式形成的。
5.根据权利要求4所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，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，所述四阱共振声子结构包括179个周期结构，每个周期结构包含交替生长的GaAs层和Al0.15Ga0.85As层各4层。
6.根据权利要求5所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，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4.76～4.78THz。
7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于：所述聚乙烯窗片采用高强度聚乙烯材料；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、研磨和抛光而制成。
8.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于：所述驱动电源为可编程电压源或电流源。
9.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量装置，其特征在于：所述冷头为一闭循环机械制冷系统的低温输出部分。
10.一种应用权利要求1～9中任意一项所述的测量装置的方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：
步骤一，根据对太赫兹量子级联激光器出射激光光束发散特性的分析结果，将热像仪探测模块的焦平面阵列竖直放置于距所述太赫兹量子级联激光器激光出射端面预设的距离范围内；
步骤二，采用驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加周期变化的电压或电流，使所述太赫兹量子级联激光器辐射出具有同样周期变化的太赫兹光，所述周期变化的太赫兹光经过聚乙烯窗片后到达所述热像仪探测模块的焦平面阵列上；以及
步骤三，所述热像仪探测模块的焦平面阵列对周期变化的太赫兹光进行响应，产生相应的电信号，使周期变化的太赫兹光在焦平面上的强度分布实时地显示在所述热像仪的显示屏幕中，通过分析该显示屏幕中显示的图像所对应的数据得到所述太赫兹量子级联激光器在距其出射端面预设距离处激光场形的二维分布结果，进而完成了对所述太赫兹量子级联激光器输出激光场形的测量。
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