CN104330159B - 一种太赫兹频域光谱仪 - Google Patents

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一种太赫兹频域光谱仪，包括：激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，通过移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲与第二路光一起通过光纤耦合器被分为第三路和第四路，辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，加速运动产生电流，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。本发明测谱时间短，频谱范围宽，频谱分辨率高。

Description

一种太赫兹频域光谱仪
技术领域
本发明涉及一种太赫兹频域光谱仪，特别涉及一种基于光子混频以及带太赫兹天线的光电转换器的太赫兹频域光谱仪。
背景技术
太赫兹(terahertz,THz)波介于毫米波与红外光两者之间，对应的波长从3mm到30μm，通常是指频率从100GHz到10THz的宽频谱电磁波。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹辐射源与传统非相干光源相比，具有相干性好、量子能量低、穿透性强等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境检测、食品检测、射电天文、卫星通讯和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。
太赫兹波对非极性物质具有很高的透射性，通过测量服装、药品、毒品、病毒和建材等非极性材料的透射谱，能够实现对这些材料的无损检测、品质评估和真假甄别，因此基于太赫兹波辐射技术的频谱仪市场前景巨大。当前的太赫兹频谱仪，分为时域频谱系统和频谱频谱系统两大类：
第一类：太赫兹时域光谱系统的核心是首先测量参考(一般为空气)和样品的时域谱，再对测量到的信号进行傅立叶变换，得到参考(一般为空气)和样品的频域谱。对两频谱进行简单的处理即可获得样品的吸收系数和折射率。这种技术的缺陷是：
(1)飞秒激光器的体积大、成本高，限制了系统的普及和推广。使用光纤飞秒激光器的系统可以在一定程度上克服体积大的问题，但成本难以降低；
(2)系统中延迟线的存在，降低了系统的稳定性；
(3)系统的频谱分辨率与测得时域信号的长度成反比，而时域信号的长度由延迟线的可调节长度决定。延迟线的可调节长度较短，所以一般的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低。
第二类：太赫兹频域光谱系统的核心是利用频率可调谐的窄带、相干太赫兹辐射源完成频谱的扫描，用太赫兹波能量/功率计测量不同频率的太赫兹波的能量，实现频谱的直接测量。其缺陷是：
(1)最常见的太赫兹能量/功率计是热辐射计(Si-Bolometer)，必须工作在液氦温度下，使用成本高昂，工作效率低、难以走出实验室，极大的限制了这种技术的使用；
(2)用热辐射计作为探测器，难以使太赫兹频谱仪向小型化、紧凑型。便携式等方向迈进，缺乏市场竞争力。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种太赫兹频域光谱仪，体积小，测谱时间短，频谱范围宽，频谱分辨率高，室温工作。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种太赫兹频域光谱仪，包括：激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经其中一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，然后通过移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲与第二路光一起通过另一个光纤耦合器被分为第三路和第四路，第三路辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲；这些太赫兹脉冲经过两个太赫兹聚焦元件后同第四路光脉冲一起辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上，第四路光脉冲辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
一种太赫兹频域光谱仪，包括：激光器、光开关、两个光纤耦合器、两个移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经光开关产生光脉冲，然后经其中一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路光通过输入其中一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，第二路光通过输入另一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔减小的光脉冲，两路光脉冲通过另一个光纤耦合器被分为第三路和第四路，第三路辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲；这些太赫兹脉冲经过两个太赫兹聚焦元件后同第四路光脉冲一起辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上，第四路光脉冲辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
所述的激光器为工作波长在300～2100nm的连续激光器。
所述的光开关为机械式、微电子机械系统式、半导体、液晶光开关的一种或者电光、声光、磁光、热光开关的一种。
所述的带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元或者带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
所述的带太赫兹探测天线的光电转换器为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或者带太赫兹探测天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
所述的太赫兹聚焦元件为金属抛物面镜或聚四氟乙烯、TPX、高阻Si透镜。
所述的移频环主要由任意连接顺序的光纤耦合器、光学延迟线、光放大器、移频器、滤波器、第一光隔离器组成，在所述第一路光或者第二路光中级联移频环以增加或减小辐射太赫兹的带宽。
所述的光放大器为半导体、掺铒光纤或者拉曼光纤放大器。
所述的移频器为电光或声光移频器。
所述的滤波器为干涉型、光纤光栅型、F-P腔型带通滤波器的一种或光纤光栅型、F-P腔型、声光可调谐滤波器的一种。
所述的光学延迟线为光纤、基于电动平移台的可调节延迟线。
本发明与现有太赫兹光源相比具有的以下优势：
(1)体积小、便携、稳定。整个装置结构简单，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。
(2)测谱速度快。该方案中的测谱速度由移频环内滤波器的调谐速度决定。滤波器的调谐速度快，那么方案的测谱速度快。
(3)频率范围宽。如：移频器的移频量为200MHz，使用可调谐滤波器，滤波器的调谐范围为40nm，在移频环内循环20000次，那么辐射的太赫兹带宽为4THz。
(4)频率分辨率高。该方案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。那么该方案的频谱分辨率也在MHz或者更小的KHz量级。
(5)室温工作且价格低廉。如：激光器使用一台分布反馈式1550nm的半导体激光器，由于使用通讯波段激光器，其它器件都非常成熟且工作在室温环境。
附图说明
图1是本发明的实施例一的结构示意图；
图2是本发明的实施例二的结构示意图；
图3是图1的时序图；
图4是图2的时序图。
其中：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、第三光纤耦合器5、第一带太赫兹辐射天线的光电转换器6、第一带太赫兹探测天线的光电转换器7、第一太赫兹聚焦元件8、第二太赫兹聚焦元件9、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、第一滤波器45、第一光隔离器46；
第二激光器10、第二光开关11、第四光纤耦合器12、第二移频环13、第三移频环14、第七光纤耦合器15、第二带太赫兹辐射天线的光电转换器16、第二带太赫兹探测天线的光电转换器17、第三太赫兹聚焦元件18、第四太赫兹聚焦元件19；第五光纤耦合器131、第二光学延迟线132、第二光放大器133、第二移频器134、第二滤波器135、第二光隔离器136、第六光纤耦合器141、第三光学延迟线142、第三光放大器143、第三移频器144、第三滤波器145、第三光隔离器146。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及附图对本发明技术方案作详细说明：
如图1所示，本发明所提供的太赫兹频域光谱仪实施例一，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、第三光纤耦合器5、第一带太赫兹辐射天线的光电转换器6、第一带太赫兹探测天线的光电转换器7、第一太赫兹聚焦元件8、第二太赫兹聚焦元件9；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、第一滤波器45、第一光隔离器46；
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。第一激光器1输出的连续光(频率为f1)经第一光纤耦合器2分为第一路和第二路，第一路输入第一光开关产生光脉冲，然后通过第二光纤耦合器41输入第一移频环后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(周期为T01)，这些光脉冲与第二路光一起通过第三光纤耦合器5被分为第三路和第四路，第三路辐射在第一带太赫兹辐射天线的光电转换器6上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔(Tring1)且在频率上等间隔(Δf1)增加的太赫兹脉冲(周期为T01)；这些太赫兹脉冲经过第一、二太赫兹聚焦元件8、9后同第四路光脉冲一起辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器7上，第四路光脉冲辐射在第一带太赫兹探测天线的光电转换器7上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场。从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
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辐射、探测天线的光电转换器上可以实现混频。
如图3所示，太赫兹发射脉冲和探测脉冲的频率依次为0、Δf1、2Δf1、3Δf1。。。nΔf1，n为整数，周期为T01，每个对应脉冲的间隔时间为Δt。第一带太赫兹探测天线的光电转换器探测的电流可以表示为：I0＝ETHzcos(ωTHzΔt)，式中ETHz为太赫兹电场，ωTHz为太赫兹频率。
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，确保第一移频环的稳定性。
第一光学延迟线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，而能量基本保持稳定。第一滤波器的作用是抑制第一光放大器的噪声，增加光脉冲在移频环内的循环次数，以增加太赫兹频域光谱仪的带宽。
选择适当的Tp1、T01、Tring1、Tfson1、Tfsoff1和Δf1，太赫兹波的带宽应为Δf1Tfson1/Tring1。
如图2所示，本发明所提供的太赫兹频域光谱仪实施例二，包括：第二激光器10、第二光开关11、第四光纤耦合器12、第二移频环13、第三移频环14、第七光纤耦合器15、第二带太赫兹辐射天线的光电转换器16、第二带太赫兹探测天线的光电转换器17、第三太赫兹聚焦元件18、第四太赫兹聚焦元件19；第二移频环13包括第五光纤耦合器131、第二光学延迟线132、第二光放大器133、第二移频器134、第二滤波器135、第二光隔离器136。第三移频环14包括第六光纤耦合器141、第三光学延迟线142、第三光放大器143、第三移频器144、第三滤波器145、第三光隔离器146。
如图4所示，第二激光器10的光频率为f2，光脉冲的持续时间为Tp2，脉冲间隔时间为T02，第二、三光学延迟线132、142延迟时间为Tring2，第二、三移频器134、144的开启为Tfson2、关闭时间为Tfsoff2、移频量分别为Δf2、-Δf2，第二、三移频器与第二光开关的开启时间相同。第二激光器输出的连续光(频率为f2)经第二光开关产生光脉冲，然后经第四光纤耦合器12分为第一路和第二路，第一路光通过第五光纤耦合器131输入第二移频环13后产生一系列在时间上等间隔(Tring2)且在频率上等间隔(Δf2)增加的光脉冲(周期为T02)，第二路光通过第六光纤耦合器141输入第三移频环14后产生一系列在时间上等间隔(Tring2)且在频率上等间隔(Δf2)减小的光脉冲(周期为T02)，两路光脉冲通过第七光纤耦合器15被分为第三路和第四路，第三路辐射在第二带太赫兹辐射天线的光电转换器16上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔(Tring2)且在频率上等间隔(2Δf2)增加的太赫兹脉冲(周期为T02)；这些太赫兹脉冲经过第三、四太赫兹聚焦元件18、19后同第四路光脉冲一起辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器17上，第四路光脉冲辐射在第二带太赫兹探测天线的光电转换器17上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场。从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
第一路和第二路光脉冲光程相等或者两路光脉冲在时间上相干，所以在第二太赫兹光电导辐射、探测天线可以实现混频。
如图4所示，太赫兹发射脉冲和探测脉冲的频率依次为0、2Δf2、4Δf2、6Δf2。。。2mΔf2，m为整数，周期为T02，每个对应脉冲的间隔时间为Δ't。第一带太赫兹探测天线的光电转换器探测的电流可以表示为：I'0＝E'THzcos(ω'THzΔ't)，式中E'THz为太赫兹电场，ω'THz为太赫兹频率。
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、三移频环内作用，避免不同频率的光信号之间的干扰，确保第二、三移频环的稳定性。
第二、三光学延迟线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，并确保第一、二路光在时间上可以相干。第二、三光放大器的作用分别是补偿第一、二路光脉冲能量的损失，使光脉冲可以分别多次通过第二、三移频环，而能量基本保持稳定。第二、三滤波器的作用是分别抑制第二、三光放大器的噪声，增加光脉冲在第二、三移频环内的循环次数，以增加太赫兹频域光谱仪的带宽。
选择适当的Tp2、T02、Tring2、Tfson2、Tfsoff2和Δf2，太赫兹波的带宽应为2Δf2Tfson2/Tring2。
本发明中未详细阐述的部分属于本领域内的公知技术。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制在具体的实施范围内，对于本领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神范围之内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明的构思创造均在保护之列。

Claims (12)

1.一种太赫兹频域光谱仪，其特征在于，包括：激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经其中一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，然后通过移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲与第二路光一起通过另一个光纤耦合器被分为第三路和第四路，第三路辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲；这些太赫兹脉冲经过两个太赫兹聚焦元件后同第四路光脉冲一起辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上，第四路光脉冲辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
2.一种太赫兹频域光谱仪，其特征在于，包括：激光器、光开关、两个光纤耦合器、两个移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经光开关产生光脉冲，然后经其中一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路光通过输入其中一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，第二路光通过输入另一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔减小的光脉冲，两路光脉冲通过另一个光纤耦合器被分为第三路和第四路，第三路辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲；这些太赫兹脉冲经过两个太赫兹聚焦元件后同第四路光脉冲一起辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上，第四路光脉冲辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的激光器为工作波长在300～2100nm的连续激光器。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的光开关为机械式、微电子机械系统式、半导体、液晶光开关的一种或者电光、声光、磁光、热光开关的一种。
5.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元或者带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
6.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的带太赫兹探测天线的光电转换器为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或者带太赫兹探测天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
7.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的太赫兹聚焦元件为金属抛物面镜或聚四氟乙烯、TPX、高阻Si透镜。
8.根据权利要求1或2所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的移频环主要由任意连接顺序的光纤耦合器、光学延迟线、光放大器、移频器、滤波器、第一光隔离器组成，在所述第一路光或者第二路光中级联移频环以增加或减小辐射太赫兹的带宽。
9.根据权利要求8所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的光放大器为半导体、掺铒光纤或者拉曼光纤放大器。
10.根据权利要求8所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的移频器为电光或声光移频器。
11.根据权利要求8所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的滤波器为干涉型、光纤光栅型中的一种或光纤光栅型、F-P腔型、声光可调谐滤波器中的一种。
12.根据权利要求8所述的太赫兹频域光谱仪，其特征在于，所述的光学延迟线为光纤、基于电动平移台的可调节延迟线。
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