CN103278893B - 一种太赫兹波发射/接收集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构简单、稳定性好、成本低廉的新型太赫兹发射集成模块。该太赫兹波发射/接收集成模块，包括依次设置的保偏单模光纤、光纤耦合天线模块、以及太赫兹透镜；其中，光纤耦合天线模块包括光电导天线基片、超半球硅透镜、天线电极，天线电极和超半球硅透镜采用光学胶分别粘合固定于光电导天线基片的前端面和后端面，该光学胶的折射率与保偏单模光纤材料的折射率相同；保偏单模光纤的尾纤对准天线电极间隙，天线电极间隙的宽度对应所述尾纤的纤芯直径；尾纤的输出端面、天线电极间隙、超半球硅透镜与太赫兹透镜共轴。该集成模块既可用于产生太赫兹，亦可用于探测太赫兹，只需调整与外部设备的连接方式和应用环境即可。

Description

一种太赫兹波发射/接收集成模块

技术领域：

本发明涉及一种宽频谱太赫兹波发射/接收模块。

背景技术：

目前，太赫兹时域光谱系统在很多领域都具有很大的发展潜力和应用前景，例如生物医学、分子结构分析、无损检测、安全检查，以及毒品鉴别等。其中典型的太赫兹时域光谱系统主要由四个部分组成：飞秒脉冲激发源、时间延迟系统、太赫兹辐射源，以及太赫兹探测器。目前，这套系统由于体积庞大、系统复杂、稳定性差、成本昂贵，以及容易受环境的影响等自身缺陷，主要局限于实验室条件下使用，很大程度上限制了其产品化以及社会推广。因此，很多专家学者提出利用光纤替代系统中的光学传递元件，将空间光传输转为光纤传输，很大程度上缩小了系统体积，提高了系统稳定性以及抗环境干扰能力，此系统也俗称为光纤化太赫兹时域光谱系统。

本发明主要涉及时域光谱系统中的太赫兹发射器，这类发射器的辐射方式是借助光电导天线辅助辐射的方式。目前，已经有专家学者提出“猪尾巴式”（pig-tail）太赫兹发射器，这种发射器利用光纤将飞秒激光传递到光电导天线上，然后通过机械元件调节激光与天线电极间隙的对准，最后将其封装。这种发射器一定程度上增强了整套系统的灵活性，对于产业化也有积极意义。但是，这种“猪尾巴式”太赫兹发射器存在很多不足之处，比如光纤与天线的对准是通过调节机械元件实现的，直接影响了系统的稳定性，而且很容易受到外界机械振动的影响；同时，其对准过程需要借助聚焦透镜进行聚焦，而数值孔径的限制又进一步影响到天线gap位置处的聚焦光斑尺寸，加上自身的吸收损耗，最终影响到天线gap内的实际辐射能量密度。另一方面，这种发射器的输出端并没有引入光学聚焦系统，只是单纯利用超半球硅透镜进行光束整形，这种方式直接影响到太赫兹波辐射的能量收集效率以及光学传递特性。

发明内容：

为了解决“猪尾巴式”太赫兹发射器稳定性差、光路难调，以及结构复杂等固有缺陷，本发明提供一种结构简单、稳定性好、成本低廉的新型太赫兹发射集成模块。

本发明技术方案如下：

一种太赫兹波发射/接收集成模块，包括依次设置的保偏单模光纤、光纤耦合天线模块、以及太赫兹透镜；其中，光纤耦合天线模块包括光电导天线基片、超半球硅透镜、天线电极，所述天线电极和超半球硅透镜采用光学胶分别粘合固定于光电导天线基片的前端面和后端面，该光学胶的折射率与保偏单模光纤材料的折射率相同；保偏单模光纤的尾纤对准天线电极间隙，所述天线电极间隙的宽度对应所述尾纤的纤芯直径；尾纤的输出端面、天线电极间隙、超半球硅透镜与太赫兹透镜共轴。

基于上述基本方案，本发明还作如下优化改进和限定：

作为太赫兹波发射集成模块时，上述天线电极接有偏置电压（偏置电极）；作为太赫兹波接收集成模块时，上述天线电极电连接至微电流放大器。

在上述天线电极的前端面沿轴向设置有用以加固尾纤与光电导天线基片粘合的光纤固定卡箍。

上述光电导天线基片的材料选用低温生长GaAs半导体，几何尺寸为10mm×10mm。该材料对于800nm的激光辐射有较强吸收，且具有非常短的载流子寿命和载流子迁移率。

上述光学胶采用UV光学胶，折射率为1.54；保偏单模光纤的尾纤的工作中心波长为780nm，尾纤长度为20cm，可采用型号：Nufern PM780—HP。

上述超半球硅透镜的材料为高阻硅，直径为7mm，厚度为4.2mm，光电导天线基片厚度为0.5mm。（这样构成的光学耦合系统可有效地将天线电极间隙处类似于点光源发射的太赫兹辐射能量集中在近光轴方向，提高了太赫兹辐射收集效率。）

太赫兹透镜材料选用高密度聚乙烯材料（HDPE），该材料对太赫兹辐射基本透明，透镜孔径为7mm，焦距为100mm。

本发明的有益效果如下：

1.该集成模块结构简单，成本低廉，模块各组成部件均为普通元件，易于加工。

2.该集成模块既可用于产生太赫兹，亦可用于探测太赫兹，只需调整与外部设备的连接方式和应用环境即可。

3.该集成模块中的光纤耦合天线模块采用UV光学胶（n=1.54）直接将光纤端面与光电导天线基片直接粘合，省去了光学聚焦系统以及机械对准系统，提高了激光辐射天线gap的能量密度，增强了系统的稳定性，且不易受到外界环境的干扰。

4.与传统的偶极天线电极相比，该集成模块采用的天线gap（天线电极间隙）宽度为5μm，属于窄隙天线。

5.该集成模块的输出端引入了太赫兹聚焦透镜，可以有效地将太赫兹波聚焦到样品点，且具有非常高的透过率，提高了太赫兹能量收集效率。

6.该集成模块的使用，直接提高了太赫兹时域光谱系统的灵活性，可实现移动测量，在生物医学、分子结构分析、无损检测、安全检查，以及毒品鉴别等领域具有广泛的应用前景。

附图说明：

图1为太赫兹时域光谱系统的结构示意图；

图2为本发明的新型太赫兹发射集成模块结构示意图；

图3为本发明的新型太赫兹发射集成模块结构截面俯视示意图；

图4为本发明的新型太赫兹发射集成模块外观示意图；

图5为本发明的发射模块改造成探测模块的结构示意图；

图6为本发明中光电导天线金属电极形状结构示意图；

图7为本发明中天线固定盘正面结构示意图；

图8为本发明中天线固定盘侧面结构示意图

图9为本发明的太赫兹辐射时域波形图；

图10为本发明的太赫兹辐射频域波形图；

附标记说明：

1—飞秒激光源；2—光纤分路器；3—时间延迟系统；4—保偏单模光纤；5—太赫兹发射器；6—太赫兹探测器；7—光电导天线基片；8—超半球硅透镜；9—天线电极；10—太赫兹透镜；11—天线固定盘；12—偏压电极；13—光纤固定卡箍;14—光纤尾纤；15—光纤加持平台；16—偏压线；17—金属封装盒；18—固定螺丝；19-螺帽；20—BNC接头；21—尾纤固定管；22—微电流放大器；23—天线固定槽；24—固定螺孔；25—透镜固定套筒；

具体实施方案：

图1是一套完整的太赫兹时域光谱系统示意图。首先，飞秒激光源1提供飞秒激光脉冲输出，该输出脉冲进入光纤分路器2被分为两个脉冲，一路为泵浦光，另一路为探测光。两路光均是利用单模光纤4进行传输，并将激光脉冲分别传递到太赫兹发射模块5和探测模块6，其中探测光路中需要引入一套时间延迟系统3，此设备用于实现太赫兹信号的时间采样。在系统外部给发射器5提供一个偏置电压，测量探测器6产生的光电流信号，此光电流信号正比于太赫兹辐射脉冲信号。

图2是本发明的新型太赫兹发射集成模块部件组成示意图，主要部件包括光电导天线基片7、超半球硅透镜8、太赫兹透镜10、天线固定盘11、光纤尾纤14、偏压线16等，光电导天线基片7和天线电极9合起来称为光电导天线。其中光电导天线基片7为低温生长GaAs（110）晶体，此晶体具有非常短的载流子寿命和较高的载流子迁移率；超半球硅透镜8紧贴GaAs晶体背面，位于晶体几何中心处，硅透镜直径为7mm，深度为4.2mm，作用是将更多的太赫兹辐射能量集中到近光轴附近。模块末端使用焦距100mm的太赫兹透镜10，材料为高密度聚乙烯，此材料具有非常高的透过率，可以有效的对太赫兹光束进行聚焦，焦点处为样品测试点；偏压线16使用长度为10cm的方形铜柱，并与金属封装盒进行绝缘处理，此铜柱一方面作为偏压引线，另一方面可以起到热沉的作用。

图3为本发明的新型太赫兹发射集成模块安装后的各部件配合图。发射模块的基本原理是利用光纤14将激光脉冲引导至天线电极gap，产生光生载流子运动，再利用偏压线16给光电导天线提供一个单向偏压，形成光电流并向外辐射太赫兹波。然后通过天线背面的超半球硅透镜8和太赫兹透镜10将辐射能量集中到近光轴方向并聚焦，焦点处为样品点。图4为本发明的新型太赫兹发射集成模块的外观图，尺寸为100mm×80mm×60mm，结构简单，成本低廉，灵巧轻便，稳定性搞，且不易受到外界环境的影响。

本发明的另一个特点就是，此发射器亦可改造为太赫兹波探测器，作为探测器时偏压电极不加电，直接与微电流放大器22相连，测量光电流信号，此光电流信号正比于太赫兹辐射信号，结构示意图见图5。探测器的基本原理是发射器工作过程的一个逆过程，其利用太赫兹透镜10和超半球硅透镜8收集太赫兹辐射波，收集到的太赫兹场作用在光电导天线7上，引起光生载流子运动，形成光电流，然后通过微电流放大器22进行测量，所测量的电流信号与太赫兹辐射场强度成正比关系，最后利用时间延迟系统3进行等效时间采样，最后测得太赫兹辐射时域信号。

参见图6本发明的太赫兹发射器中的光纤耦合天线模块，此模块将直接决定发射器的辐射特性以及模块的稳定特性。该部件涉及光电导天线基片7、超半球硅透镜8、天线电极9、光纤固定卡箍13、以及光纤尾纤14。为了获得最大能量的辐射输出，首先必须满足光纤输出端面、天线gap、超半球硅透镜球心共轴，这个可利用共轴加工辅助完成。其次，为了获得更高的系统稳定性以及抗外界干扰能力，需要将光纤、天线、硅透镜稳定地固定在一起。本发明采取了与以往机械连接不同的手段，直接使用UV光学胶将三者直接粘合，这种胶的折射率为1.54，刚好与光纤材料折射率相同，此方法可以有效减小粘合处的反射损耗。实现一次成型，使用时无需再进行调节，稳定性高且不易受到外界环境的影响。其中金属电极为典型的结型电极，电极gap宽度为5μm，此宽度正好对应光纤的纤芯直径；光纤固定卡箍13的作用是加固光纤与光电导天线基片的粘合。

图7和图8分别为天线固定盘11的正面结构图和侧面结构图，外圆盘半径为25mm，天线固定槽23的尺寸为10mm×10mm，透镜固定镜筒25的直径为10mm。安装时使用UV光学固化胶（n=1.54）直接将光电导天线基片7粘合到天线固定槽23底部，粘合时注意涂抹均匀且具有较高的平整度，厚度小于0.1mm。然后通过螺孔24将天线固定盘固定到封装盒上，最后将PE透镜固定到透镜镜筒29顶部。工作时直接将天线电极9与偏压电极12进行焊接并固定。

基本工作原理以及相关结果：

钛蓝宝石飞秒激光器1向外输出飞秒激光脉冲，该激光脉冲经过光纤分路器2分为两路光，一路为泵浦光，另一路为探测光，两路的光程差不超过5cm，泵浦光经过保偏单模光纤4传入太赫兹发射模块5，在外加偏压电场的作用下向外辐射太赫兹波。同时，在另一端太赫兹探测器6收集到此太赫兹辐射电场，引起光电导天线上光生载流子的运动形成光电流，光电流信号进入微电流放大器22进行放大，最后通过锁相放大器进行信号提取。利用时间延迟系统3进行等效时间采样，可得到太赫兹辐射的时域波形图，如图9所示。然后对所得到的时域波形图进行快速傅里叶变换，即可得到太赫兹辐射的频域光谱图，频谱范围为0.1THz—10THz，如图10所示。相对于传统的“猪尾巴式”太赫兹发射器和探测器（<4THz），光谱宽度得到了很大的扩展，可以实现宽谱测量。因此，本发明的新型太赫兹发射/探测集成模块在生物医学、分子结构分析、无损检测、安全检查，以及毒品鉴别等领域具有很好的发展潜力和应用前景。

Claims (7)

1.一种太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：包括依次设置的保偏单模光纤、光纤耦合天线模块、以及太赫兹透镜；其中，光纤耦合天线模块包括光电导天线基片、超半球硅透镜、天线电极，所述天线电极和超半球硅透镜采用光学胶分别粘合固定于光电导天线基片的前端面和后端面，该光学胶的折射率与保偏单模光纤材料的折射率相同；保偏单模光纤的尾纤对准天线电极间隙，所述天线电极间隙的宽度对应所述尾纤的纤芯直径；尾纤的输出端面、天线电极间隙、超半球硅透镜与太赫兹透镜共轴。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：作为太赫兹波发射集成模块，则所述天线电极接有偏置电压；作为太赫兹波接收集成模块，则所述天线电极电连接至微电流放大器。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：在所述天线电极的前端面沿轴向设置有用以加固尾纤与光电导天线基片粘合的光纤固定卡箍。

4.根据权利要求3所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：所述光电导天线基片的材料选用低温生长GaAs半导体，几何尺寸为10mm×10mm。

5.根据权利要求3所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：所述光学胶采用UV光学胶，折射率为1.54；保偏单模光纤的尾纤的工作中心波长为780nm，尾纤长度为20cm。

6.根据权利要求3所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：所述超半球硅透镜的材料为高阻硅，直径为7mm，厚度为4.2mm，光电导天线基片厚度为0.5mm。

7.根据权利要求3所述的太赫兹波发射/接收集成模块，其特征在于：所述太赫兹透镜的材料为高密度聚乙烯材料（HDPE），该材料对太赫兹辐射基本透明，透镜孔径为7mm，焦距为100mm。