CN104158073B - 减少光纤耦合时域太赫系统中的光纤拉伸诱导定时误差的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减少光纤耦合时域太赫系统中的光纤拉伸诱导定时误差的系统和方法。用于减少与光纤的拉伸相关的影响的系统包括：光学控制源，光学源输出光信号；光学地耦合到光学源的太赫发射器和接收器；以及用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步的装置。该装置防止承载提供给太赫接收器和太赫发射器的光信号的光纤的拉伸，或者允许拉伸光纤，从而仍然通过所述光信号使太赫接收器与太赫发射器同步。

Description

减少光纤耦合时域太赫系统中的光纤拉伸诱导定时误差的系 统和方法

本申请是基于申请号为201080024036.3、申请日为2010年4月27日、发明名称为“减少光纤耦合时域太赫系统中的光纤拉伸诱导定时误差的系统和方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及太赫产生系统，更具体地说，涉及具有泵浦探测配置的太赫产生系统。

背景技术

时域太赫产生系统利用太赫产生和接收器装置，这些装置由亚300飞秒持续时间的激光脉冲触发和供电。太赫装置用0.020到大于10太赫范围内的傅里叶变换处理光谱内容产生和/或检测电磁脉冲或脉冲序列。最通常，这些太赫电磁脉冲是0.050到4太赫范围内的近单循环亚皮秒瞬变。

有几种在泵浦探测配置中使用的普通太赫发射器和接收器装置。这些装置包括非线性电光晶体(诸如ZnTe、GaP等)和光电导半导体装置(在GaAs、InGaAs和其它超高速半导体上制造的“Auston Switches”)。这些装置中的主要区别是泵浦探测设备中的光学驱动器的中心波长(例如，GaAs在大约800nm，InGaAs在1000和1600nm之间)。出于示例性的目的，将描述光电导装置。在光电导太赫发射器中，由飞秒激光脉冲照射偏置光电导开关间隙。产生载流子并且电流流经偏置间隙，随着激发激光脉冲的时间分布快速地上升，并随着载流子的复合快速地下降。通过麦克斯韦尔方程，该随时间变化的电流产生太赫脉冲。

产生的太赫脉冲电磁场通过通常称为泵浦探测方法的高度精确的时间选通(timegating)的方法检测。驱动太赫发射器的第一激光脉冲是泵浦。相对于第一太赫发射器脉冲精确地以飞秒或亚飞秒精度时间延迟的第二激光脉冲是探测，如美国专利No.6,320,191和6,849,852所示，这两个美国专利的全部内容都以引用的方式并入本文中。探测脉冲照射非偏置光电导开关。该开关可以承载亚皮秒持续时间的电流。如果驱动太赫接收器的飞秒激光脉冲在时间上与产生的太赫脉冲电磁场的一部分一致，那么电流将流经该开关。电流在该特定时间与太赫脉冲场的振幅和符号成比例。典型的，泵浦和探测之间的定时被系统地改变，并且时域太赫波形被记录为太赫接收器电流对于泵浦和探测之间的延迟的函数。

不管在泵浦探测设备中利用的太赫发射器或接收器装置如何，泵浦束和探测束的光路长度必须是已知的并且被保持稳定在飞秒或亚飞秒精度。如果光路长度不稳定，则这样会引入短期抖动或长期定时漂移。这种定时误差将以多种方式使测量的太赫波形发生变形。例如，傅里叶变换和时域太赫谱测量将具有分布到不正确的频率的功率。在另一个例子中，抖动和漂移将使穿过诸如纸的材料的太赫脉冲的飞行时间变形，从而导致从太赫后定时导出的不正确的厚度测量。

在之前的实施方式中，时域太赫仪器会在整个自由空间环境中传送泵浦束和探测束。这一自由空间环境的稳定性完全依赖于光学传输的机械稳定性。但是，由于这种依赖性，自由空间传输是高度受限的实施方式。提供光学泵浦和探测的飞秒激光器、以及光学延迟机构必须永久地附接到保持太赫发射器和接收器装置的同一机械结构。在没有拆卸该系统并然后在新的位置中重新组装整个系统的情况下，这些太赫发射器和接收器装置不能相对于彼此和系统的其它部件自由地定位。

可自由地定位的太赫发射器和接收器模块可以通过经由光纤传送泵浦和探测飞秒光学驱动器来构建。光纤通常是单模的或者是单模保偏的。该光纤允许太赫发射器和接收器模块在仪器配置期间或在仪器使用中一起或独立地移动(例如，发射器和接收器可以安装到光栅扫描成像托架(pantry)中—这允许被测试的对象保持不动；自由空间系统通常要求在自由空间太赫系统保持不动时对象移动)。随着光纤弯曲，光纤引导泵浦和探测光学驱动器，而且，大部分地，但通常的时间不够在泵浦和探测光路两者中都保持恒定不变的光路长度。只要光纤的运动由不拉伸或者不将光纤置于拉紧之下的简单的弯曲构成，光路长度就会保持恒定不变。不幸地，在泵浦和探测工序期间的光纤的运动会因疏忽在运动期间拉伸。这可以通过简单的拉紧或者通过弯曲和导致拉紧和拉伸的使光纤在电缆护套、舱壁或其它位置内捆绑的其它运动来实现。

如果光纤被拉伸和/或被拉紧，则穿过光纤的泵浦和/或探测脉冲群行进时间会增加。该群延迟通过一种或多种物理效应导致，所述物理效应主要是纤芯的长度尺度的增加，和/或应变诱导的群速的改变，群速是通过折射率对于频率的一阶导数相关的。可能由拉伸或拉紧导致的这些若干皮秒的无意的延迟会使由泵浦探测方法产生和/或检测的时域太赫波形严重地变形。

发明内容

在克服现有技术的缺点的努力中，描述用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统。该系统包括：光学控制源，该光学源输出光信号；光学地耦合到光学源的太赫发射器和接收器；以及用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步的装置。该装置防止传播被提供给太赫发射器或太赫接收器的光信号的光纤的拉伸；或者提供传播发射器和接收器光脉冲的方法，从而使得在向太赫发射器和太赫接收器提供光信号的每一个路径中的光路长度被基本相等地拉伸。

在防止了光纤的拉伸的情况下，用于提供光信号的装置可以是具有第一端和第二端的挠性管状结构，该挠性管状结构具有限定内部空间的壁部分。挠性管状结构的第一端耦合到光学控制源，而第二端耦合到太赫接收器和/或发射器。本实施例还包括至少一根光纤，其具有光学地耦合到光学源的第一端和光学地耦合到太赫接收器或太赫发射器的第二端。该光纤穿过挠性管状结构的内部空间。光纤以对管状结构的拉紧不拉伸光纤或在光纤上不诱导拉紧的方式通过管状结构；并且对管状结构的弯曲仅仅弯曲光纤，并且不会随着管状结构自身弯曲和移动而无意地诱导拉伸光纤或在光纤上诱导拉紧。这可以通过使用具有比挠性管状结构长的长度的光纤来实现。此外，如果在拉伸时光纤的长度比挠性管状结构长，那么对该管状结构的任何拉伸将不会拉伸光纤。

在穿过光纤的光路被基本上相等地拉伸的情况下，用于提供光信号的装置可以是具有第一芯和第二芯的光纤。该光纤具有光学地耦合到泵浦探测设备光学源的第一端。光纤的第一芯光学地耦合到太赫发射器(泵浦路径)，而光纤的第二芯光学地耦合到太赫接收器(探测路径)。在该光纤被拉伸或拉紧的情况中，通过光纤的两个芯的任何光信号将被拉伸相同的量，从而消除了当单个光纤的仅一个芯被拉伸时导致的任何影响。

在另一个实施例中，在穿过光纤的光路被基本上相等地拉伸的情况下，用于提供光信号的装置可以是具有单个芯的单个光纤。该单个光纤光学地耦合到光学源以及太赫发射器和接收器。在本实施例中，提供给太赫发射器和接收器的信号彼此正交地沿着光纤发送。然后，这些信号可以被分用并提供给太赫发射器和接收器。光纤可以是保偏的，在这样的情况下，泵浦/发射器光信号和探测/接收器光信号可以通过下述方式来复用和分用：发射(launch)并然后分离光的正交偏振态。在另一种可能性中，泵浦/发射器光信号和探测/接收器光信号可以基本上具有光学中心频率，并且信号可以通过使用频率带通滤波器进行复用和分用。由于仅使用了单个光纤，所以对该光纤的任何拉伸会将两个光信号拉伸相同的量，从而消除了在仅对一个光信号进行拉伸时的任何影响。

对于本领域的技术人员来说，在参考构成本说明书的一部分并附录在本说明书中的附图和权利要求书对下面的描述进行阅读之后，本发明的进一步的目的、特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1示出利用两个挠性管状结构的用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统的第一实施例；

图2是大致沿图1的线2-2截取的图1的挠性管状结构的更详细的视图；

图3示出利用具有单个挠性管的光纤的用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统的第二实施例；

图4是大致沿图3的线4-4截取的图3的单个挠性管的更详细的视图；

图5示出包含具有两个芯的光纤的用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统的第三实施例；

图6是大致沿图5的线6-6截取的图5的具有两个芯的光纤的更详细的视图；

图7示出利用被配置为传输复用光信号的单个光纤的用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统的第四实施例；以及

图8是大致沿图7的线8-8截取的图7中示出的光纤的更详细的视图。

具体实施方式

参考图1，示出用于减少与光纤的拉伸有关的影响的系统10a。作为其主要部件，系统10a包括光学控制源12a、太赫发射器14a、太赫接收器15a和用于将由光学控制源12a输出的光信号提供给太赫发射器14a和太赫接收器15a两者的装置16a。用于提供光信号的装置16a是这样的，通过由光学控制源12a发射的光信号使太赫接收器15a与太赫发射器14a同步。另外，装置16a防止对被提供给太赫发射器14a与太赫接收器15a的光信号的拉伸，或者通过光学控制源12a拉伸光信号，使得被提供给太赫发射器14a的光信号与被提供给太赫接收器15a的光信号基本上相等。

通常，光学控制源12a可以利用各种不同的实施例。在一个这样的实施例中，光学控制源12a包括被配置为输出光脉冲的激光源18a。通常，激光源18a产生飞秒输出脉冲。光学地耦合到激光源18a的是补偿器20a。由激光源18a发射的光脉冲被提供给补偿器20a，补偿器20a将相反符号色散添加到光脉冲，以校正在光脉冲通过装置16a时光脉冲的拉伸。补偿器20a和激光源18a可以通过光纤彼此光学地耦合，或者可以以自由空间的方式彼此光学地耦合。

一旦通过补偿器20a将适当量的符号相反色散提供给光脉冲，光脉冲就被提供给分光器22a。分光器22a分离光脉冲并将其提供给第一光纤24a和第二光纤26a。在本实施例中，第一光纤24a是单模光纤，其中，由分光器22a分离的脉冲被提供给光纤24a。类似地，第二光纤26a也是接收由分光器22a分离的脉冲的光纤。

光纤24a耦合到太赫发射器14a。类似地，光纤26a光学地耦合到太赫接收器15a。当太赫发射器14a从光纤24a接收这些光脉冲时，太赫接收器将向样品30a输出太赫辐射28a。当太赫接收器15a从光纤26a接收光脉冲时，光学接收器将接收从太赫发射器14a发射的辐射28a。因此，定时极其重要，从而通过在光纤24a和光纤26a上行进的光脉冲使太赫接收器15a与太赫发射器14a同步。由于这一同步，没有适当地补偿或防止的光纤24a和26a的任何拉伸都可以干扰该定时，从而防止太赫辐射28a以适当的时间间隔被发送或接收。本实施例中的装置16a将消除光纤24a和26a的任何拉伸或拉紧。

一旦辐射30a被太赫接收器15a接收，太赫接收器15a产生可以由数据获取系统17a解释、定标和/或数字化的电信号。数据获取系统17a通常电耦合到太赫接收器15a。

装置16a包括具有第一端36a和第二端38a的挠性管状结构32a。第一端36a耦合到光学控制单元12a的壳体13a。挠性管状结构32a在其内部空间容纳光纤24a的一部分。如图2中最佳地示出的，挠性管状结构32a的长度短于位于挠性管状结构32a的内部空间内的光纤24a的长度，图2为大致沿图1的线2-2截取的挠性管状结构32a的切面图(cutout)。然后，挠性管状结构32a的第二端38a耦合到太赫发射器14a的壳体19a。

挠性管状结构32a和34a通常是内部直径为光纤24a和26a的外部直径的若干倍的挠性塑料管。光纤24a和26a以螺旋方式绕在一条线上，并且这条线用来将光纤24a和26a从挠性管状结构32a和34a拉过去。推动每一个光纤末端抵靠挠性管状结构32a和34a的内部展开螺旋。挠性管状结构32a和34a的内部可以具有保持螺旋的表面，但是不会随着挠性管状结构32a和34a的弯曲而弯曲。

这样制造挠性管状结构32a，使得其不会比位于挠性管状结构32a的内部空间内的光纤24a的未拉伸部分拉伸得更远。由于位于挠性管状结构32a的第一端36a和第二端38a之间的光纤24a的部分比挠性管状结构的长度长，因此挠性管状结构的任何拉伸都不会导致光纤24a的拉伸，因为光纤24a比挠性管状结构32a的长度长。通过这样做，光纤24a在位于挠性管状结构32a内的部分中不会被拉伸，从而防止了光纤的任何拉伸、以及太赫发射器14a和太赫接收器15a的同步的破坏。通过类似的方式，如图2和前述段中所示出和描述的，容纳光纤26a的挠性管状结构34a以与挠性管状结构32a相似的方式构建。

参考图3，示出系统10b的另一个实施例。在本实施例中，除了给每个元件编号附加了字母“b”以外，使用相同的附图标记来表示前面描述的相同元件。

在本实施例中，装置16b包括单个挠性管状结构44b。挠性管状结构44b的更详细的视图在图4中示出，并大致沿图3的线4-4截取。挠性管状结构44b具有第一端36b和第二端38b。第一端耦合到光学控制单元12b的壳体13b，而第二端38b耦合到容纳太赫发射器14b和太赫接收器15b的壳体23b。光纤24b和26b位于挠性管状结构44b的内部空间内。

装入挠性管状结构44b内的光纤24b和26b的长度比挠性管状结构44b的长度长。置于挠性管状结构44b上的任何拉伸或拉紧都将不会拉伸或拉紧光纤24b和26b。通过这样做，消除了光纤24b和26b的任何拉伸。

参考图5，示出系统10c的另一个实施例。在本实施例中，除了给每个元件编号附加了字母“c”以外，使用相同的附图标记来表示前面描述的相同元件。与前面一样，激光源18c向补偿器20c发射光脉冲。然后，补偿器20c将补偿可能在系统10c中发生的任何色散的这些补偿脉冲输出到分光器22c。分光器22c将光信号沿着光缆24c和光缆26c分到两条光路中。

但是，装置16c包括从光缆24c和26c接收光信号的双芯光纤复用器52c。光学复用器52c对来自光缆24c和26c的光信号进行复用，并将其提供给双芯光纤54c。双芯光纤复用器52c利用来自两个独立的自由空间光束的输出；或者两个独立的光纤的输出(在任意一种情况中，一个用于泵浦/发射器，另一个用于探测/接收器)，并将它们耦合到同一光纤的两个芯中。可以通过成像光学器件或熔融光纤锥束组合器进行耦合。

参考图6，示出大致沿图5的线6-6截取的双芯光纤54c的更详细的视图。双芯光纤54c包括用于分别传送从光缆24c和26c发射的光信号的第一芯62c和第二芯64c。围绕双芯62c和64c的是包层66c。围绕包层66c的是缓冲层(buffer)68c。类似于单模光纤，双芯光纤通过利用全内反射的性质经由芯62c和64c传送光信号。两个芯足够地分开，以便它们之间没有光耦合。

返回参考图5，沿双芯光纤54c行进的光信号被光学分用器56c接收，然后光学分用器56c将光信号分别经由光缆56c和60c传送到太赫发射器14c和太赫接收器15c。通过将两个芯成像到独立的自由空间路径上或者通过使用重新建立两个独立光纤路径的熔融光纤锥束分光器，双芯分用器反转复用器的操作。在双芯光纤54c被拉伸或拉紧的情况中，通过两个芯62c和64c的任何光信号将被拉伸相同的量，从而消除当单个光纤的仅一个芯被拉伸时导致的任何影响。

参考图7，示出系统10d的另一个实施例。在本实施例中，除了给每个元件编号附加了字母“d”以外，使用相同的附图标记来表示前面描述的相同元件。在本实施例中，由分光器22d发射的光信号被提供给光缆24d和26d。光缆24d和26d光学地耦合到单芯光纤分用器70d。单芯光学分用器70d将来自光缆24d和26d的信号提供给光纤71d。可以使用偏振复用或频率复用来将泵浦/发射器和探测/接收器光信号组合到单个光纤芯上。在偏振复用的情况中，使用保偏光纤，复用器由自由空间或光纤偏振束组合器构成，该组合器将泵浦/发射器光信号和探测/接收器光信号发射到同一保偏光纤的正交光偏振态上。在频率复用的情况中，泵浦/发射器光信号和探测/接收器光信号具有充分不同的光学中心频率，从而可以使用二向色束组合器来将光信号组合到同一路径或光纤上。

参考图8，光纤71d通常是具有芯74d、包层76d和缓冲层78d的单模光纤。如果使用偏振复用器，那么光纤也必须是保偏的，并且具有在光纤中引入双折射的应力施加部分(未示出)，从而允许快偏振轴和正交的慢偏振轴。正如很好理解的，光信号经由全内反射沿着光纤71的芯74d行进。但是，在本实施例中，光学复用器70d将来自光缆24d和26d之一的一个光信号沿光纤71的单芯74d发送，其中，该光信号处于与来自光缆24d或26d的另一信号纯偏振态相对应的一个纯正交偏振状态或者与来自光缆24d或26d的另一唯一频带相对应的一个唯一频带中。

返回参考图7，在光纤71上发送的正交信号被光学分用器72d接收，光学分用器72d将这两个信号分用，并将信号之一发送到光纤58d，将另一个信号发送到光纤60d。在偏振复用的情况中，偏振束分离光学器件或光纤耦合器被用来将泵浦/发射器光信号与探测/接收器光信号分离。在频率复用的情况中，二向色束分离器或频率带通滤波器被用来将泵浦/发射器光信号与探测/接收器光信号分离。然后，这些信号又被提供给太赫接收器15d和太赫发射器14d。

如此，由于信号沿着同一光纤71d被发送，因此光纤71d的任何拉伸都将以相等的方式影响沿光纤71d发送的信号。因此，不管光纤的运动如何，由拉伸导致的任何变形都将相互补偿，因为两个信号都将被拉伸，从而这两个信号都将在由预期的泵浦和探测定时确定的相同的相对时间处由太赫接收器和太赫发射器接收。只要这些信号在由预期的泵浦和探测定时确定的相同的相对时间处由太赫发射器和太赫接收器接收，光缆71d的任何拉伸都将得到补偿，因此将不会导致任何的相关误差。

上述公开的主题应当被视为示例性的且非限制性的，所附权利要求应当覆盖落入在本发明的真正的精神和范围内的所有的这种修改、增强和其它实施例。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围应当由对下述权利要求及其等同物的最广的可允许的解释确定，而不应当受前面的详细描述的约束或限制。

Claims (6)

1.一种用于减少与光纤的拉伸相关的影响的系统，所述系统包括：

光学源，所述光学源输出光信号；

光学地耦合到光学源的太赫发射器，所述太赫发射器被配置为当由光信号激活时将太赫辐射发射到样品；

光学地耦合到光学源的太赫接收器，所述太赫接收器被配置为检测由样品调节的太赫辐射并产生电信号，该电信号能够由电耦合到太赫接收器的数据获取系统解释、定标和/或数字化；

用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步的装置；并且

其中，所述装置允许对承载被提供给太赫发射器和太赫接收器的光信号的光纤进行拉伸，从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步，

其中，所述装置还包括：

光学地耦合到光学源的复用器；

光学地耦合到复用器的光纤；

光学地耦合到光纤的分用器，

其中，复用器被配置为将基于光信号的第一脉冲提供给光纤；

其中，复用器被配置为将基于光信号的第二脉冲提供给光纤；

其中，第一脉冲和第二脉冲在通过光纤时彼此正交；

其中，分用器被配置为接收第一脉冲和第二脉冲，并将第一脉冲提供给太赫发射器，将第二脉冲提供给太赫接收器。

2.一种用于减少与光纤的拉伸相关的影响的系统，所述系统包括：

光学源，所述光学源输出光信号；

光学地耦合到光学源的太赫发射器，所述太赫发射器被配置为当由光信号激活时将太赫辐射发射到样品；

光学地耦合到光学源的太赫接收器，所述太赫接收器被配置为检测由样品调节的太赫辐射并产生电信号，该电信号能够由电耦合到太赫接收器的数据获取系统解释、定标和/或数字化；

用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步的装置；并且

其中，所述装置允许对承载被提供给太赫发射器和太赫接收器的光信号的光纤进行拉伸，从而通过光信号使太赫接收器与太赫发射器同步，

其中，所述装置还包括：

具有第一芯和第二芯的光纤；

光纤具有光学地耦合到光学源的第一端；

光纤的第一芯光学地耦合到太赫发射器；并且

光纤的第二芯光学地耦合到太赫接收器。

3.根据权利要求2所述的系统，还包括：

光学地定位于光学源和光纤之间的复用器，所述复用器被配置为经由光纤的第一芯和第二芯发送光信号；以及

光学地定位于光纤与太赫接收器和太赫发射器之间的分用器，所述分用器被配置为将来自第一芯的光脉冲提供给太赫接收器并将来自第二芯的光脉冲提供给太赫发射器。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，光学源还包括被配置为输出光脉冲的激光源。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括光学地定位于激光源和用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者的所述装置之间的补偿器，其中，所述补偿器被配置为将相反符号色散添加到由激光源发射的光脉冲，以当光脉冲通过用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者的所述装置时对光脉冲的拉伸进行校正。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括光学地定位于激光源和用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者的所述装置之间的分光器，其中，所述分光器被配置为分开光信号并将分开的光信号提供给用于将光信号提供给太赫发射器和太赫接收器两者的所述装置。