CN104330154A - 窄线宽的太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种窄线宽的太赫兹探测器包括第一激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一光开关(3)、第一移频环(4)、第二关开关(5)或第一滤波器、第三光纤耦合器(6)和太赫兹探测部；其中，所述第一激光器(1)连接所述第一光纤耦合器(2)；所述第一光纤耦合器(2)一方面通过所述第三光纤耦合器(6)连接所述太赫兹探测部，另一方面依次通过第一移频环(4)、第二关开关(5)或第二滤波器、所述第三光纤耦合器(6)连接所述太赫兹探测部。本发明探测灵敏度高，由于采用相干探测，灵敏度较高；本发明结构简单，所用器件成熟、性能稳定、体积小，经组装后，整个装置体积小，重量轻。
Description
技术领域
本发明涉及探测器，具体地，涉及一种窄线宽的太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹波是频率0.1～10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波，它对应的波长范围为3mm～30μm，位于毫米波(亚毫米波)与红外波之间。太赫兹光子对应能量范围为0.414～41.4meV，与分子和材料的低频振动和转动能量范围相匹配。这些决定了太赫兹波在电磁频谱中的特殊位置以及在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面与毫米波、红外线显著不同的特点和应用。而太赫兹技术也将为人们对物质的表征和操控提供很大的自由空间。例如太赫兹辐射具有良好的时空相干特性，这为实现量子相干和量子控制提供了新的手段。而在高分辨率连续测量和时域测量两个方面的能力也极大地扩展了太赫兹光谱在天体物理和大气科学中的作用。此外，太赫兹技术在军事领域的应用前景广阔，主要包括目标探测(太赫兹雷达)、保密通信、对抗、敌我识别、隐藏武器探测、武器精确制导、军用工具测试和安全检测等方面。在太赫兹波段的开发和利用中，检测太赫兹信号具有举足轻重的意义。因为，一方面，与较短波长的光学波段电磁波相比，太赫兹波光子能量低，背景噪声通常占据显著地位；另一方面，随着太赫兹技术在各领域特别是军事领域中的应用的深入开展，不断提高接收灵敏度成为必然的要求。
目前，太赫兹信号探测技术从原理上可分为相干脉冲时域连续波探测技术和非相干直接能量探测技术两类。基于相干技术的太赫兹脉冲时域连续波探测技术采用与太赫兹脉冲生成相类似的方式进行相干检测，一类探测方法称为太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)，另一类在太赫兹波低频端选用超外差式检测器。太赫兹非相干能量探测技术是基于热辐射吸收的直接能量检测，一般只能测出太赫兹辐射强度，而不能提供其相位信息，属非相干测量，是一类宽带检测技术。由于探测的灵敏度受限于背景辐射，在太赫兹波段的高频端一般采用直接检测器。
基于外差法，利用带太赫兹探测天线的光电转换器可以实现太赫兹的探测。此种探测方法具有窄线宽、灵敏度高、结构简单、室温工作及价格低等优点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种窄线宽的太赫兹探测器。
根据本发明的一个方面提供的窄线宽的太赫兹探测器包括第一激光器1、第一光纤耦合器2、第一光开关3、第一移频环4、第二关开关5或第一滤波器、第三光纤耦合器6和太赫兹探测部；
其中，所述第一激光器1连接所述第一光纤耦合器2；所述第一光纤耦合器2一方面通过所述第三光纤耦合器6连接所述太赫兹探测部，另一方面依次通过第一光开关3、第一移频环4、第二关开关5或第二滤波器、所述第三光纤耦合器6连接所述太赫兹探测部。
所述第一激光器1用于输出光，所述第一光纤耦合器2用于将光分为第一路光和第二路光；第一光开关3用于将第一路光转换为光脉冲并输入第一移频环4；第一移频环4用于将光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲；第二光开5或第二滤波器用于将输入的一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
优选地，所述太赫兹探测部包括第二光学延迟线7、第三光学延迟线8、第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10、第一太赫兹聚焦元件11、第二太赫兹聚焦元件12、第四光学延迟线13以及第一太赫兹分光器14；
其中，所述第三光纤耦合器6一方面依次通过第二光学延迟线7、第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第一太赫兹聚焦元件11、第四光学延迟线13连接所述第一太赫兹分光器14，另一方面进依次通过第三光学延迟线8、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10、第二太赫兹聚焦元件12连接所述第一太赫兹分光器14；
所述第三光纤耦合器6用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9和第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上，从而产生光生载流子；所述第一太赫兹分光器14用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第四光学延迟线13、第一太赫兹聚焦元件11辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9上，第二路太赫兹波经第二太赫兹聚焦元件12辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上。
优选地，所述第一移频环4包括第二光纤耦合器41、第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第二滤波器45以及第一光隔离器46；
所述第二光纤耦合器41的输出端一方面依次通过所述第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第二滤波器45以及第一光隔离器46连接所述第二光纤耦合器41的输入端，另一方面连接所述第二光开5；所述第二光纤耦合器41的输入端连接所述第一光开关3。
优选地，第一路太赫兹波到达第一带太赫兹探测天线的光电转换器9时与第二路太赫兹波到达第二带太赫兹探测天线的光电转换器10时的相位相差π/2+2nπ，n为整数。
优选地，所述第一移频环4包括第二光纤耦合器41和包括第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第二滤波器45以及第一光隔离器46任意依次连接构成的处理电路；
所述第二光纤耦合器41的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第二光纤耦合器41的输入端，另一方面连接所述第二光开5；所述第二光纤耦合器41的输入端连接所述第一光开关3。
优选地，所述第一光开关2和第二光开关5采用机械式光开关、微电子机械系统式光开关、半导体光开关、液晶光开关、电光开关、声光开关、磁光开关或热光开关；
第一滤波器采用光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
第一光放大器43采用半导体放大器、掺铒光纤放大器或者拉曼光纤放大器；
所述第一移频器44采用电光移频器或者声光移频器；
所述第二滤波器45采用干涉型带通滤波器、光纤光栅型带通滤波器、F-P腔型带通滤波器、光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
所述的第一光学延迟线42采用光纤固定延迟线或基于电动平移台的固定延迟线；
所述第二光学延迟线7和所述第三光学延迟线8均采用光纤可调谐延迟线、基于电动平移台的可调谐延迟线或基于电光晶体的可调谐延迟线；
第四光学延迟线13采用基于电动平移台的可调谐延迟线；
所述的第一带太赫兹探测天线的光电转换器9和所述第二带太赫兹探测天线的光电转换器10均采用带太赫兹探测天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹探测天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹探测天线的基于光变电阻效益的光电导单元；
所述的第一太赫兹聚焦元件11和第二太赫兹聚焦元件12均采用金属抛物面镜、聚四氟乙烯透镜、TPX透镜或高阻Si透镜。
根据本发明的另一个方面提供的窄线宽的太赫兹探测器包括第二激光器15、第三光开关16、第四光纤耦合器17、第二移频环18、第三移频环19、第七光纤耦合器20、第四光开关21以及太赫兹探测部；
其中，所述第二激光器15通过所述第三光开关16连接所述第四光纤耦合器17；所述第四光纤耦合器17一方面顺次连接第二移频环18、第七光纤耦合器20、第四光开关21和太赫兹探测部，另一方面顺次连接第三移频环19、第七光纤耦合器20、第四光开关21和太赫兹探测部；
所述第二激光器15用于输出光，第三光开关16用于将光生成光脉冲，所述第四光纤耦合器17用于将光分为第一路光脉冲和第二路光脉冲；第二移频环18用于将第一光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲；第三移频环19用于将第二光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲；所述第四光开关21用于将所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲和所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
优选地，所述太赫兹探测部包括第八光纤耦合器22第七光学延迟线23、第八光学延迟线24、第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26、第三太赫兹聚焦元件27、第四太赫兹聚焦元件28、第九光学延迟线29以及第二太赫兹分光器30；
其中，所述第八光纤耦合器22一方面依次通过第七光学延迟线23、第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第三太赫兹聚焦元件27、第九光学延迟线29连接所述第二太赫兹分光器30，另一方面进依次通过第八光学延迟线24、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26、第四太赫兹聚焦元件28连接所述第二太赫兹分光器30；所述第八光纤耦合器22连接所述第四光开关21。
所述第八光纤耦合器22用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上，从而产生光生载流子；所述第二太赫兹分光器30用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第九光学延迟线29、第三太赫兹聚焦元件27辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25上，第二路太赫兹波经第四太赫兹聚焦元件28辐射在第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上。
优选地，所述第二移频环18包括第五光纤耦合器181和包括第五光学延迟线182、第二光放大器183、第二移频器184、第三滤波器185以及第二光隔离器186任意依次连接构成的处理电路；
所述第五光纤耦合器181的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器181的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器20；所述第五光纤耦合器181的输入端连接所述第四光纤耦合器17的输出端；
所述第三移频环19包括第六光纤耦合器191和包括第三光学延迟线192、第三光放大器193、第三移频器194、第四滤波器195以及第三光隔离器196任意依次连接构成的处理电路；
所述第六光纤耦合器191的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器191的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器20；所述第六光纤耦合器191的输入端连接所述第四光纤耦合器17的输出端。
优选地，第一路太赫兹波到达第三带太赫兹探测天线的光电转换器25时与第二路太赫兹波到达第四带太赫兹探测天线的光电转换器26时的相位相差π/2+2nπ，n为整数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明探测灵敏度高，由于采用相干探测，灵敏度较高；
2、体积小、便携、稳定，本发明结构简单，所用器件成熟、性能稳定、体积小，经组装后，整个装置体积小，重量轻；
3、窄线宽、频率稳定性高，本发明中移频器的移频量非常稳定，可以控制在MHz或者更小的KHz量级，从而本发明辐射的THz线宽和频率稳定性也在MHz或者更小的KHz量级；
4、价格低廉且室温工作，本发明中所有器件都工作在室温环境，适合室温工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中一种窄线宽的太赫兹探测器的结构示意图；
图2为本发明中另一种窄线宽的太赫兹探测器的结构示意图；
图3为本发明中一种窄线宽的太赫兹探测器的时序图；
图4为本发明中另一种窄线宽的太赫兹探测器的时序图。
图中：1为第一激光器1；2为第一光纤耦合器；3为第一光开关；4为第一移频环；5为第二光开关或第一滤波器；6为第三光纤耦合器；7为第二光学延迟线；8为第三光学延迟线；9为第一带太赫兹探测天线的光电转换器；10为第二带太赫兹探测天线的光电转换器1；11为第一太赫兹聚焦元件；12为第二太赫兹聚焦元件；13为第四光学延迟线；14为第一太赫兹分光器；41为第二光纤耦合器；42为第一光学延迟线；43为第一光放大器；44为第一移频器；45为第二滤波器；46为第一光隔离器；15为第二激光器；16为第三光开关；17为第四光纤耦合器；18为第二移频环；19为第三移频环；20为第七光纤耦合器；21为第四光开关；22为第八光纤耦合器；23为第七光学延迟线；24为第八光学延迟线；25为第三带太赫兹探测天线的光电转换器；26为第四带太赫兹探测天线的光电转换器；27为第三太赫兹聚焦元件；28为第四太赫兹聚焦元件；29为第九光学延迟线；30为第二太赫兹分光器；181为第五光纤耦合器；182为第五光学延迟线；183为第二光放大器；184为第二移频器；185为第三滤波器；186为第二光隔离器；191为第六光纤耦合器；192为第六光学延迟线；193为第三光放大器；194为第三移频器；195为第四滤波器；196为第三光隔离器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，在本实施例中，本发明提供的窄线宽的太赫兹探测器，包括第一激光器1、第一光纤耦合器2、第一光开关3、第一移频环4、第二关开关5或第一滤波器、第三光纤耦合器6和太赫兹探测部；其中，所述第一激光器1连接所述第一光纤耦合器2；所述第一光纤耦合器2一方面通过所述第三光纤耦合器6连接所述太赫兹探测部，另一方面依次通过第一光开关3、第一移频环4、第二关开关5或第二滤波器、所述第三光纤耦合器6连接所述太赫兹探测部。所述第一激光器1用于输出光，所述第一光纤耦合器2用于将光分为第一路光和第二路光；第一光开关2用于将第一路光转换为光脉冲并输入第一移频环4；第一移频环4用于将光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲；第二光开5或第二滤波器用于将输入的一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
所述太赫兹探测部包括第二光学延迟线7、第三光学延迟线8、第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10、第一太赫兹聚焦元件11、第二太赫兹聚焦元件12、第四光学延迟线13以及第一太赫兹分光器14；
其中，所述第三光纤耦合器6一方面依次通过第二光学延迟线7、第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第一太赫兹聚焦元件11、第四光学延迟线13连接所述第一太赫兹分光器14，另一方面进依次通过第三光学延迟线8、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10、第二太赫兹聚焦元件12连接所述第一太赫兹分光器14；
所述第三光纤耦合器6用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9和第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上，从而产生光生载流子；所述第一太赫兹分光器14用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第四光学延迟线13、第一太赫兹聚焦元件11辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9上，第二路太赫兹波经第二太赫兹聚焦元件12辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上。
所述第一移频环4包括第二光纤耦合器41、第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第二滤波器45以及第一光隔离器46；所述第二光纤耦合器41的输出端一方面依次通过所述第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第二滤波器45以及第一光隔离器46连接所述第二光纤耦合器41的输入端，另一方面连接所述第二光开5；所述第二光纤耦合器41的输入端连接所述第一光开关3。
如图3所示，第一激光器1的光频率为f1，光脉冲的持续时间为Tp1，脉冲间隔时间为T01，第一光学延迟线42延迟时间为Tring1，第一移频器44的开启为Tfson1、关闭时间为Tfsoff1、移频量为Δf1，第一移频器44与第一光开关3的开启时间相同。如果令第一光开关3的开启时间为0、T01、2 T01、3 T01…，关闭时间为Tp1、T01+Tp1、2T01+Tp1、3T01+Tp1…，那么第二光开关5的开启时间为xTring1、T01+xTring1、2 T01+xTring1、3 T01+xTring1…，关闭时间为xTring1+Tp1、T01+xTring1+Tp1、2T01+xTring1+Tp1、3T01+xTring1+Tp1…，其中x为整数(当被探测太赫兹波频率既定时，x既定)。第一激光器1输出的连续光(频率f1)经第一光纤耦合器2分为第一路光和第二路光，第一路光输入第一光开关3产生光脉冲，通过第二光纤耦合器41输入第一移频环后4产生一系列在时间上等间隔(Tring1)且在频率上等间隔(Δf1)增加的光脉冲，然后通过第二光开关或第二滤波器产生一系列固定频率(频率为f1+xΔf1)的光脉冲，进而通过第三光纤耦合器6与第二路光(频率为f1)一起分别经过第二光学延迟线7和第三光学延迟线8，在同一时刻辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上，产生光生载流子；被探测的太赫兹波(频率为xΔf1)经过第一太赫兹分光器14分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波，第一路太赫兹波经第四光学延迟线13、第一太赫兹聚焦元件11辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9上，第二路太赫兹波经第二太赫兹聚焦元件12辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器上10，两路太赫兹波分别到达第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、第二带太赫兹探测天线的光电转换器10的相位相差为π/2+2nπ，n为整数，且这第一路太赫兹波换给第一带太赫兹探测天线的光电转换器9提供电场、第二路太赫兹波换分别给第二带太赫兹探测天线的光电转换器10提供电场；在太赫兹电场的加速下，太赫兹探测天线中的光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹波的电场幅值；分别测得电流，然后平方后求和，记为太赫兹波的辐射功率。
带太赫兹探测天线的光电转换器测得电流与光脉冲和太赫兹波到达带太赫兹探测天线的光电转换器的相位差有关，即A为探测到太赫兹电场的幅值，为相位差，为了避免测得的电流为零，使用两个相同的带太赫兹探测天线的光电转换器。调节第二光学延迟线7、第三光学延迟线8，使光脉冲在同一时刻分别经过第二光学延迟线7辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9和第三光学延迟线8辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器10上。第一路太赫兹波到达第一带太赫兹探测天线的光电转换器9与第二路太赫兹波到达第二带太赫兹探测天线的光电转换器10的相位相差为π/2+2nπ，n为整数，那么测得的电流的平方和为即为探测到太赫兹波的功率。
第一路光经过第一光开关3和第一移频环4后输出为光脉冲，第二路光为连续光，两路光在时间上一直是相干的，所以在第一带太赫兹探测天线的光电转换器9和第二带太赫兹探测天线的光电转换器10可以实现混频探测太赫兹波。
使用脉冲光是为了保证在时间T01内，只有一个频率的光信号在第一移频环4内作用，避免不同频率的光信号之间的干扰，确保第一移频环4的稳定性。
第一光学延迟线42的作用是增加两个光脉冲的间隔时间，确保器件能响应光脉冲。第一光放大器43的作用是补偿光脉冲能量的损失，使光脉冲可以多次通过第一移频环4，而能量基本保持稳定。第一滤波器45的作用是抑制第一光放大器43的噪声，增加光脉冲在移频环内的循环次数。
如图2所示，在本实施例中，本发明提供的窄线宽的太赫兹探测器包括第二激光器15、第三光开关16、第四光纤耦合器17、第二移频环18、第三移频环19、第七光纤耦合器20、第四光开关21以及太赫兹探测部；其中，所述第二激光器15通过所述第三光开关16连接所述第四光纤耦合器17；所述第四光纤耦合器17一方面顺次连接第二移频环18、第七光纤耦合器20、第四光开关21和太赫兹探测部，另一方面顺次连接第三移频环19、第七光纤耦合器20、第四光开关21和太赫兹探测部；
所述第二激光器15用于输出光，第三光开关16用于将光生成光脉冲，所述第四光纤耦合器17用于将光分为第一路光脉冲和第二路光脉冲；第二移频环18用于将第一光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲；第三移频环19用于将第二光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲；所述第四光开关21用于将所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲和所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
所述太赫兹探测部包括第八光纤耦合器22第七光学延迟线23、第八光学延迟线24、第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26、第三太赫兹聚焦元件27、第四太赫兹聚焦元件28、第九光学延迟线29以及第二太赫兹分光器30；其中，所述第八光纤耦合器22一方面依次通过第七光学延迟线23、第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第三太赫兹聚焦元件27、第九光学延迟线29连接所述第二太赫兹分光器30，另一方面进依次通过第八光学延迟线24、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26、第四太赫兹聚焦元件28连接所述第二太赫兹分光器30；所述第八光纤耦合器22连接所述第四光开关21。所述第八光纤耦合器22用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上，从而产生光生载流子；所述第二太赫兹分光器30用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第九光学延迟线29、第三太赫兹聚焦元件27辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25上，第二路太赫兹波经第四太赫兹聚焦元件28辐射在第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上。
所述第二移频环18包括第五光纤耦合器181和包括第五光学延迟线182、第二光放大器183、第二移频器184、第三滤波器185以及第二光隔离器186任意依次连接构成的处理电路；所述第五光纤耦合器181的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器181的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器20；所述第五光纤耦合器181的输入端连接所述第四光纤耦合器17的输出端；所述第三移频环12包括第六光纤耦合器191和包括第三光学延迟线192、第三光放大器193、第三移频器194、第四滤波器195以及第三光隔离器196任意依次连接构成的处理电路；所述第六光纤耦合器191的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器191的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器20；所述第六光纤耦合器191的输入端连接所述第四光纤耦合器17的输出端。
如图4所示，第二激光器15的光频率为f2，光脉冲的持续时间为Tp2，脉冲间隔时间为T02，第五光学延迟线182、第六光学延迟线192的延迟时间为Tring2，第二移频器184、第三移频器194的开启为Tfson2、关闭时间为Tfsoff2、移频量分别为Δf2、-Δf2，第二移频器184、第三移频器194与第三光开关16的开启时间相同。如果令第三光开关16的开启时间为0、T02、2 T02、3 T02…，关闭时间为Tp2、T02+Tp2、2T02+Tp2、3T02+Tp2…，那么第四光开关21的开启时间为yTring2、T02+yTring2、2 T02+yTring2、3 T02+yTring2…，关闭时间为yTring2+Tp2、T02+yTring2+Tp2、2T02+yTring2+Tp2、3T02+yTring2+Tp2…，其中y为整数.当被探测太赫兹波频率既定时，y既定。第二激光器输出的连续光(频率为f2)经第三光开关16产生光脉冲，经过第四光纤耦合器17分为第一路光脉冲和第二路光脉冲，第一路光脉冲通过第五光纤耦合器181输入第二移频环184后产生一系列在时间上等间隔(Tring2)且在频率上等间隔(Δf2)增加的第一光脉冲，第二路光脉冲通过第六光纤耦合器191输入第三移频环19后产生一系列在时间上等间隔(Tring2)且在频率上等间隔(Δf2)减小的第二光脉冲，第一光脉冲和第二光脉冲通过第七光纤耦合器20进而第四光开关21输出一系列固定频率的光脉冲，包括两个光频率，f2+yΔf2和f2-yΔf2,频率差为探测的太赫兹频率2yΔf2，一系列固定频率的光脉冲通过第八光纤耦合器22，然后分别经过第七光学延迟线23、第八光学延迟线24，在同一时刻辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上，产生光生载流子；被探测的太赫兹波(频率为2yΔf2)经过第二太赫兹分光器30分为第一路和第二路太赫兹波，第一路太赫兹波经第九光学延迟线29、第三太赫兹聚焦元件27辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25上，第二路太赫兹波经第四太赫兹聚焦元件28辐射在第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上，两路太赫兹波到达第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26的相位相差为π/2+2mπ，m为整数，且这两路太赫兹波分别给第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26提供电场；在太赫兹电场的加速下，太赫兹探测天线中的光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹波的电场幅值；分别测得电流，然后平方后求和，记为太赫兹波的辐射功率。
带太赫兹探测天线的光电转换器测得电流与光脉冲和太赫兹波到达带太赫兹探测天线的光电转换器的相位差有关，即Bcos(φ)，B为探测到太赫兹电场的幅值，φ为相位差，为了避免测得的电流为零，使用两个相同的带太赫兹探测天线的光电转换器。调节第七光学延迟线23、第八光学延迟线24，使光脉冲同一时刻分别经过第七光学延迟线23辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第八光学延迟线24辐射在第四带太赫兹探测天线的光电转换器26上。两路太赫兹波到达第三带太赫兹探测天线的光电转换器25、第四带太赫兹探测天线的光电转换器26的相位相差为π/2+2mπ，m为整数。那么测得的电流的平方和为B2cos2(φ)+B2cos2(φ+π/2)＝B2，即为探测到太赫兹波的功率。
所述的光脉冲分别经过第二移频环18、第三移频环19后在同一时刻到达第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26，所以在第三太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26可以实现混频探测太赫兹波。
使用脉冲光是为了保证在时间T02内，只有一个频率的光信号在第二移频环18、第三移频环19内作用，避免不同频率的光信号之间的干扰，确保第二移频环18、第三移频环19的稳定性。
第五光学延迟线182、第六光学延迟线192的作用是增加两个光脉冲的间隔时间，确保器件能响应光脉冲。第二光放大器183、第三光放大器193的作用是补偿光脉冲能量的损失，使光脉冲可以多次通过第二移频环18、第三移频环19，而能量基本保持稳定。第三滤波器185和第四滤波器195的作用分别是抑制第二光放大器183、第三光放大器的噪声193，增加光脉冲在移频环内的循环次数。
第一激光器1和第二激光器15采用工作波长在300～2100nm的连续激光器；所述第一光开关2、第二光开关5、第三光开关16和第四光开关21均采用机械式光开关、微电子机械系统式光开关、半导体光开关、液晶光开关、电光开关、声光开关、磁光开关或热光开关；
第一滤波器采用光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
第一光放大器43、第二光放大器183和第三光放大器193采用半导体放大器、掺铒光纤放大器或者拉曼光纤放大器；
所述第一移频器44、第二移频器184和第三移频器194采用电光移频器或者声光移频器；
所述第二滤波器45、第三滤波器185和第四滤波器195均采用干涉型带通滤波器、光纤光栅型带通滤波器、F-P腔型带通滤波器、光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
所述的第一光学延迟线42、第五光学延迟线182和第六光学延迟线192均采用光纤固定延迟线或基于电动平移台的固定延迟线；
所述第二光学延迟线7、所述第三光学延迟线8、第七光学延迟线23和第八光学延迟线24均采用光纤可调谐延迟线、基于电动平移台的可调谐延迟线或基于电光晶体的可调谐延迟线；
第四光学延迟线13和第九光学延迟线29采用基于电动平移台的可调谐延迟线；
所述的第一带太赫兹探测天线的光电转换器9、所述第二带太赫兹探测天线的光电转换器10、第三带太赫兹探测天线的光电转换器25和第四带太赫兹探测天线的光电转换器26均采用带太赫兹探测天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹探测天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹探测天线的基于光变电阻效益的光电导单元；
所述的第一太赫兹聚焦元件11、第二太赫兹聚焦元件12、第三太赫兹聚焦元件27和第四太赫兹聚焦元件28均采用金属抛物面镜、聚四氟乙烯透镜、TPX透镜或高阻Si透镜。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，包括第一激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一光开关(3)、第一移频环(4)、第二关开关(5)或第一滤波器、第三光纤耦合器(6)和太赫兹探测部；
其中，所述第一激光器(1)连接所述第一光纤耦合器(2)；所述第一光纤耦合器(2)一方面通过所述第三光纤耦合器(6)连接所述太赫兹探测部，另一方面依次通过第一光开关(3)、第一移频环(4)、第二关开关(5)或第二滤波器、所述第三光纤耦合器(6)连接所述太赫兹探测部；
所述第一激光器(1)用于输出光，所述第一光纤耦合器(2)用于将光分为第一路光和第二路光；第一光开关(3)用于将第一路光转换为光脉冲并输入第一移频环(4)；第一移频环(4)用于将光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲；第二光开(5)或第二滤波器用于将输入的一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
2.根据权利要求1所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述太赫兹探测部包括第二光学延迟线(7)、第三光学延迟线(8)、第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)、第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)、第一太赫兹聚焦元件(11)、第二太赫兹聚焦元件(12)、第四光学延迟线(13)以及第一太赫兹分光器(14)；
其中，所述第三光纤耦合器(6)一方面依次通过第二光学延迟线(7)、第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)、第一太赫兹聚焦元件(11)、第四光学延迟线(13)连接所述第一太赫兹分光器(14)，另一方面进依次通过第三光学延迟线(8)、第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)、第二太赫兹聚焦元件(12)连接所述第一太赫兹分光器(14)；
所述第三光纤耦合器(6)用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)和第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)上，从而产生光生载流子；所述第一太赫兹分光器(14)用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第四光学延迟线(13)、第一太赫兹聚焦元件(11)辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)上，第二路太赫兹波经第二太赫兹聚焦元件(12)辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)上。
3.根据权利要求1或所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述第一移频环(4)包括第二光纤耦合器(41)、第一光学延迟线(42)、第一光放大器(43)、第一移频器(44)、第二滤波器(45)以及第一光隔离器(46)；
所述第二光纤耦合器(41)的输出端一方面依次通过所述第一光学延迟线(42)、第一光放大器(43)、第一移频器(44)、第二滤波器(45)以及第一光隔离器(46)连接所述第二光纤耦合器(41)的输入端，另一方面连接所述第二光开(5)；所述第二光纤耦合器(41)的输入端连接所述第一光开关(3)。
4.根据权利要求2所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，第一路太赫兹波到达第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)时与第二路太赫兹波到达第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)时的相位相差π/2+2nπ，n为整数。
5.根据权利要求1所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述第一移频环(4)包括第二光纤耦合器(41)和包括第一光学延迟线(42)、第一光放大器(43)、第一移频器(44)、第二滤波器(45)以及第一光隔离器(46)任意依次连接构成的处理电路；
所述第二光纤耦合器(41)的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第二光纤耦合器(41)的输入端，另一方面连接所述第二光开(5)；所述第二光纤耦合器(41)的输入端连接所述第一光开关(3)。
6.根据权利要求1所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述第一光开关(2)和第二光开关(5)采用机械式光开关、微电子机械系统式光开关、半导体光开关、液晶光开关、电光开关、声光开关、磁光开关或热光开关；
第一滤波器采用光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
第一光放大器(43)采用半导体放大器、掺铒光纤放大器或者拉曼光纤放大器；
所述第一移频器(44)采用电光移频器或者声光移频器；
所述第二滤波器(45)采用干涉型带通滤波器、光纤光栅型带通滤波器、F-P腔型带通滤波器、光纤光栅型可调谐滤波器、F-P腔型可调谐滤波器或声光可调谐滤波器；
所述的第一光学延迟线(42)采用光纤固定延迟线或基于电动平移台的固定延迟线；
所述第二光学延迟线(7)和所述第三光学延迟线(8)均采用光纤可调谐延迟线、基于电动平移台的可调谐延迟线或基于电光晶体的可调谐延迟线；
第四光学延迟线(13)采用基于电动平移台的可调谐延迟线；
所述的第一带太赫兹探测天线的光电转换器(9)和所述第二带太赫兹探测天线的光电转换器(10)均采用带太赫兹探测天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹探测天线的基于内光电效应的光电二极管单元、带太赫兹探测天线的基于光变电阻效益的光电导单元；
所述的第一太赫兹聚焦元件(11)和第二太赫兹聚焦元件(12)均采用金属抛物面镜、聚四氟乙烯透镜、TPX透镜或高阻Si透镜。
7.一种窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，包括第二激光器(15)、第三光开关(16)、第四光纤耦合器(17)、第二移频环(18)、第三移频环(19)、第七光纤耦合器(20)、第四光开关(21)以及太赫兹探测部；
其中，所述第二激光器(15)通过所述第三光开关(16)连接所述第四光纤耦合器(17)；所述第四光纤耦合器(17)一方面顺次连接第二移频环(18)、第七光纤耦合器(20)、第四光开关(21)和太赫兹探测部，另一方面顺次连接第三移频环(19)、第七光纤耦合器(20)、第四光开关(21)和太赫兹探测部；
所述第二激光器(15)用于输出光，第三光开关(16)用于将光生成光脉冲，所述第四光纤耦合器(17)用于将光分为第一路光脉冲和第二路光脉冲；第二移频环(18)用于将第一光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲；第三移频环(19)用于将第二光脉冲转换为一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲；所述第四光开关(21)用于将所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第一光脉冲和所述一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的第二光脉冲生成一系列固定频率的光脉冲；所述太赫兹探测部用于探测太赫兹波的辐射功率。
8.根据权利要求7所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述太赫兹探测部包括第八光纤耦合器(22)第七光学延迟线(23)、第八光学延迟线(24)、第三带太赫兹探测天线的光电转换器(25)、第四带太赫兹探测天线的光电转换器(26)、第三太赫兹聚焦元件(27)、第四太赫兹聚焦元件(28)、第九光学延迟线(29)以及第二太赫兹分光器(30)；
其中，所述第八光纤耦合器(22)一方面依次通过第七光学延迟线(23)、第三带太赫兹探测天线的光电转换器(25)、第三太赫兹聚焦元件(27)、第九光学延迟线(29)连接所述第二太赫兹分光器(30)，另一方面进依次通过第八光学延迟线(24)、第四带太赫兹探测天线的光电转换器(26)、第四太赫兹聚焦元件(28)连接所述第二太赫兹分光器(30)；所述第八光纤耦合器(22)连接所述第四光开关(21)。
所述第八光纤耦合器(22)用于将一系列固定频率的光脉冲和第二路光耦合后分为两路在同一时刻分别辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器(25)和第四带太赫兹探测天线的光电转换器(26)上，从而产生光生载流子；所述第二太赫兹分光器(30)用于将被探测的太赫兹波分为第一路太赫兹波和第二路太赫兹波；第一路太赫兹波经第九光学延迟线(29)、第三太赫兹聚焦元件(27)辐射在第三带太赫兹探测天线的光电转换器(25)上，第二路太赫兹波经第四太赫兹聚焦元件(28)辐射在第四带太赫兹探测天线的光电转换器(26)上。
9.根据权利要求7所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，所述第二移频环(18)包括第五光纤耦合器(181)和包括第五光学延迟线(182)、第二光放大器(183)、第二移频器(184)、第三滤波器(185)以及第二光隔离器(186)任意依次连接构成的处理电路；
所述第五光纤耦合器(181)的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器(181)的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器(20)；所述第五光纤耦合器(181)的输入端连接所述第四光纤耦合器(17)的输出端；
所述第三移频环(19)包括第六光纤耦合器(191)和包括第三光学延迟线(192)、第三光放大器(193)、第三移频器(194)、第四滤波器(195)以及第三光隔离器(196)任意依次连接构成的处理电路；
所述第六光纤耦合器(191)的输出端一方面连接所述处理电路的输入端，所述处理电路的输出端连接所述第五光纤耦合器(191)的输入端，另一方面连接所述第七光纤耦合器(20)；所述第六光纤耦合器(191)的输入端连接所述第四光纤耦合器(17)的输出端。
10.根据权利要求9所述的窄线宽的太赫兹探测器，其特征在于，第一路太赫兹波到达第三带太赫兹探测天线的光电转换器(25)时与第二路太赫兹波到达第四带太赫兹探测天线的光电转换器(26)时的相位相差π/2+2nπ，n为整数。
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