CN102680099A

CN102680099A - 一种太赫兹脉冲产生和检测的方法和系统

Info

Publication number: CN102680099A
Application number: CN2012101374811A
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 赵欣; 刘磊; 孙松松
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种太赫兹脉冲产生和检测的方法。该测量方法包括：步骤1，多波长脉冲激光器产生具有两个以上不同中心波长和不同脉冲重复频率的光脉冲序列的输出信号；步骤2，多波长脉冲激光器的输出信号经过脉冲分束及处理器件的处理产生泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列，泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列具有不同的脉冲重复频率；步骤3，将泵浦光脉冲序列输入到太赫兹发射器件，产生太赫兹信号；步骤4，将探测光脉冲序列和太赫兹信号共同输入到太赫兹接收器件，检测得到与太赫兹波时域波形有关的检测信号，经过数据处理后得到太赫兹时域波形信号和/或时域光谱信息。本发明能够利用多波长脉冲激光器产生和检测太赫兹脉冲，是一种快速的太赫兹脉冲产生和检测的方法。

Description

一种太赫兹脉冲产生和检测的方法和系统

技术领域

本发明涉及太赫兹产生和检测的技术领域，尤其涉及一种太赫兹脉冲产生和检测的方法和系统。

背景技术

太赫兹波（或称太赫兹辐射）通常指的是频率在0.1-10太赫兹（波长在3毫米-30微米）范围内的电磁辐射。

太赫兹时域光谱技术(THz-TDs)是太赫兹技术应用的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。

太赫兹时域光谱技术的技术原理包括以下步骤：

1、以超短光脉冲通过非线性光学效应产生周期的电磁振荡，

2、产生的宽带太赫兹信号经过被测物体的透射或反射

3、再采用超短光脉冲对太赫兹信号的波形进行采样测量

4、获得被测物体的宽谱太赫兹信息。

太赫兹时域光谱技术的独特优势，使其在近10年间得到了快速的发展和应用。

在工业质量和产品安全方面，可用来检测条形码、检测药物质量，也可用来进行飞行导航和航天组件的缺陷检测。

在医学成像技术方面，由于水能强烈吸收太赫兹辐射，所以可以通过太赫兹技术对不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异产生成像对比度。与X成像技术相比，太赫兹技术可对龋齿完整成像，也可以对骨组织进行三维成像。与核磁共振成像相比，太赫兹技术能够对表面或很薄的上皮组织成像。因此，太赫兹成像技术能够显著的提高医疗水平，促进人类对病理学的研究。

在国土安全领域，由于太赫兹的非电离性，及强穿透性，所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离大范围的预警，这是其他技术所不能比拟的优势。

太赫兹时域光谱技术需要通过泵浦光和探测光的时间延迟扫描进行太赫兹波的检测，传统的扫描方法利用步进电机驱动的线性微位移平台控制的光学背向反射器光学延迟线实现时间延迟扫描，本发明利用重复频率有一定差值的两台锁模激光器分别作为泵浦光和探测光，通过利用两个频率之间的微小的频率差实现与采样示波器原理类似的高精度“等效采样”，在检测过程中，系统中不需要实时改变各脉冲序列的延时，不需要快速延时扫描装置，就可以得到太赫兹时域波形信号和时域光谱信息。而且由于泵浦光和探测光为同一个激光腔内的输出，外界温度、气压等变化带来的光腔长度变化只会导致各个波长脉冲光重复频率的绝对变化，由于光腔色散带来的其重复频率的差值变化基本可以忽略不计，而且系统较采用多个独立的激光器大大简化，系统成本大大降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太赫兹脉冲产生和检测的方法和系统。

本发明提供了一种太赫兹脉冲产生和检测的方法，包括：

步骤1，多波长脉冲激光器产生具有两个以上不同中心波长和不同脉冲重复频率的光脉冲序列的输出信号；

步骤2，多波长脉冲激光器的输出信号经过脉冲分束及处理器件的处理产生泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列，泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列具有不同的脉冲重复频率；

步骤3，将泵浦光脉冲序列输入到太赫兹发射器件，产生太赫兹信号；

步骤4，将探测光脉冲序列和太赫兹信号共同输入到太赫兹接收器件，检测得到与太赫兹波时域波形有关的检测信号，经过数据处理后得到太赫兹时域波形信号和/或时域光谱信息。

在一个示例中，步骤2中，对多波长脉冲激光器的输出信号进行的处理包括将多波长脉冲激光器的输出信号根据中心波长的不同分为泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列，泵浦光脉冲序列的中心波长为泵浦光波长，泵浦光脉冲序列的重复频率为泵浦频率，探测光脉冲序列的中心波长为探测光波长，探测光脉冲序列的重复频率为探测频率。

在一个示例中，步骤2中，对多波长脉冲激光器的输出信号进行的处理还包括对输出信号或其一部分进行功率放大、功率控制、脉冲波形变换、偏振控制、通过非线性光学过程进行光谱变换的光学处理，以形成泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列。

在一个示例中，步骤3中，太赫兹发射器件产生太赫兹波的方法包括光电导方法、光整流方法和表面效应方法。

在一个示例中，步骤4中，太赫兹接收器件检测太赫兹波的方法包括光电导采样和电光采样方法。

在一个示例中，步骤4中，检测信号和太赫兹时域波形之间的时间步长换算关系为ΔT=ΔτΔf/f_p，其中Δf为泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列的重复频率之差，f_p为探测光脉冲序列的重复频率，Δτ为检测信号的时间步长，ΔT为太赫兹时域波形的时间步长。

本发明提供了一种太赫兹脉冲产生和检测的系统，包括：

多波长脉冲激光器，产生两种以上具有不同中心波长和不同重复频率的光脉冲序列的输出信号；

脉冲分束及处理器件，用于由多波长脉冲激光器的输出信号产生泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列；

太赫兹发射器件，用于在泵浦光脉冲序列的泵浦下辐射太赫兹信号；

太赫兹接收器件，用于测量太赫兹时域波形信号和/或时域光谱信息。

在一个示例中，所述多波长脉冲激光器为多波长主动锁模激光器、多波长被动锁模激光器或多波长混合锁模激光器。

在一个示例中，所述脉冲分束及处理器件包括光纤耦合器、分束棱镜、分束片、滤光片、带通滤波器或波分复用器。

在一个示例中，所述脉冲分束及处理器件还包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件。

在一个示例中，所述的太赫兹发射器件为辐射太赫兹波的电光材料器件、光电导开关器件或表面效应器件。

在一个示例中，所述的太赫兹接收器件包括由电光材料器件和光电探测器构成的电光采样器件、或光电导开关器件。

在一个实例中，电光材料器件包括InAs、GaAs、InSb、ZnTe、LiTaO₃、DAST、电光聚合物材料等。

在一个实例中，光电探测器是PIN检测器、APD检测器、光电倍增管或平衡检测器。

本发明的太赫兹脉冲产生和检测的系统中，泵浦光波长和探测光波长可以相同也可以不同。泵浦光波长和/或探测光波长可以与多波长脉冲激光器的输出信号中的某个脉冲序列的波长相同，也可以通过对多波长脉冲激光器的输出信号中的某个脉冲序列的波长变换到另一波长，但泵浦频率和探测频率必须不同，且泵浦频率和探测频率不是整数倍关系。

本发明在检测过程中，系统中不需要实时改变各脉冲序列的延时，不需要快速延时扫描装置，系统简单可行。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是太赫兹脉冲产生和检测的系统结构图；

图2是第一种太赫兹脉冲产生和检测的系统实例图；

图3是第二种太赫兹脉冲产生和检测的系统实例图；

图4是第三种太赫兹脉冲产生和检测的系统实例图；

具体实施方式

以下各实例中使用的双波长锁模激光器采用掺铒光纤作为增益介质，通过控制腔内的损耗调节腔内增益谱的形状，实现在1530和1560nm的双波长脉冲激光输出。由于在光纤腔中光纤等器件存在的色散，两个波长的群速度不同，所以两个波长脉冲输出的重复频率也不同。设1530nm波长脉冲序列的重复频率是f₁，而1560m波长脉冲序列的重复频率是f₂，频率差为Δf。

实例一

采用上述双波长脉冲激光器的太赫兹时间分辨光谱的系统图如图2所示。双波长被动锁模光纤激光器经过波分复用器将中心波长分别为1530nm和1560nm的脉冲激光分开。将1560nm的脉冲光经过光放大器进行功率放大和脉冲压缩，经过偏振片后作为水平偏振态的泵浦光。波长为1530nm的脉冲光经过偏振片后为45度线偏振，作为探测光。泵浦光45度入射到带有外加磁场的InAs晶体上，通过磁场增强的光丹伯尔效应，以反射的方式辐射出太赫兹脉冲，太赫兹波束经过第一个离轴抛物面镜准直后在空间传输一段距离，并经过第二个离轴抛物面镜聚焦后，与探测光共同入射到用于太赫兹检测的电光聚合物薄膜上，透过电光聚合物薄膜的探测光入射到沃拉斯顿棱镜上，分为两束光，分别入射到平衡光电探测器的两个探头上，使用示波器检测平衡探测器输出的信号，并将该信号的时间步长变换Δf/f₁倍，得到太赫兹时域波形信号，经过傅里叶变换可以得到太赫兹光谱信息。

实例二

采用上述双波长脉冲激光器的太赫兹时间分辨光谱的系统图如图3所示。双波长被动锁模光纤激光器经过波分复用器件，将中心波长分别为1530nm和1560nm的脉冲激光分开。1560nm的脉冲光经过偏振片后为水平偏振，作为泵浦光。1530nm的脉冲光经过光放大器和具有非线性的普通单模光纤进行功率放大和脉冲压缩，并入射到倍频晶体BBO上，产生765nm的倍频光，作为探测光。泵浦光45度入射GaAs晶体上，通过光整流的方法辐射出太赫兹脉冲，太赫兹波束经过第一个离轴抛物面镜准直后在空间传输一段距离，并经过第二个离轴抛物面镜聚焦后，与探测光共同入射到用于太赫兹检测的ZnTe晶体上，通过电光采样的方法检测太赫兹信号，透过ZnTe晶体的探测光入射到沃拉斯顿棱镜上，分为两束光，分别入射到平衡光电探测器的两个探头上，使用示波器检测平衡探测器输出的信号，并将该信号的时间步长变换Δf/f₁倍，得到太赫兹时域波形信号，经过傅里叶变换可以得到太赫兹光谱信息。

实例三

采用上述双波长脉冲激光器的太赫兹时间分辨光谱的系统图如图4所示。双波长被动锁模光纤激光器经过波分复用器件，将中心波长分别为1530nm和1560nm的脉冲激光分开。1560nm的脉冲光经过光放大器和具有非线性的普通单模光纤进行功率放大和脉冲压缩，并入射到倍频晶体BBO上，产生780nm的倍频光，作为泵浦光。1530nm的脉冲光经过光放大器和具有非线性的普通单模光纤进行功率放大和脉冲压缩，并入射到倍频晶体BBO上，产生765nm的倍频光，作为探测光。泵浦光入射在ZnTe光电导开关上，辐射出太赫兹脉冲，太赫兹波束经过第一个离轴抛物面镜准直后在空间传输一段距离，并经过第二个离轴抛物面镜聚焦后，与探测光共同入射到用于太赫兹检测的ZnTe光电导开关上，通过光电导采样的方法检测太赫兹信号，透过ZnTe光电导的探测光入射到沃拉斯顿棱镜上，分为两束光，分别入射到平衡光电探测器的两个探头上，使用示波器检测平衡探测器输出的信号，并将该信号的时间步长变换Δf/f₁倍，得到太赫兹时域波形信号，经过傅里叶变换可以得到太赫兹光谱信息。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，步骤2中，对多波长脉冲激光器的输出信号进行的处理包括将多波长脉冲激光器的输出信号根据中心波长的不同分为泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列，泵浦光脉冲序列的中心波长为泵浦光波长，泵浦光脉冲序列的重复频率为泵浦频率，探测光脉冲序列的中心波长为探测光波长，探测光脉冲序列的重复频率为探测频率。

3.如权利要求1所述的太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，步骤2中，对多波长脉冲激光器的输出信号进行的处理还包括对输出信号或其一部分进行功率放大、功率控制、脉冲波形变换、偏振控制、通过非线性光学过程进行光谱变换的光学处理，以形成泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列。

4.如权利要求1所述的太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，步骤3中，太赫兹发射器件产生太赫兹波的方法包括光电导方法、光整流方法和表面效应方法。

5.如权利要求1所述的太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，步骤4中，太赫兹接收器件检测太赫兹波的方法包括光电导采样和电光采样方法。

6.如权利要求1所述的太赫兹脉冲产生和检测的方法，其特征在于，步骤4中，检测信号和太赫兹时域波形之间的时间步长换算关系为△T=△τ△f/f_p，其中Δf为泵浦光脉冲序列和探测光脉冲序列的重复频率之差，f_p为探测光脉冲序列的重复频率，Δτ为检测信号的时间步长，ΔT为太赫兹时域波形的时间步长。

7.一种太赫兹脉冲产生和检测的系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的太赫兹脉冲产生和检测的系统，其特征在于，所述脉冲分束及处理器件包括光纤耦合器、分束棱镜、分束片、滤光片、带通滤波器或波分复用器。

9.如权利要求7所述的太赫兹脉冲产生和检测的系统，其特征在于，所述脉冲分束及处理器件还包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件。

10.如权利要求7所述的太赫兹脉冲产生和检测的系统，其特征在于，所述的太赫兹发射器件为辐射太赫兹波的电光材料器件、光电导开关器件或表面效应器件。