CN104913847A - 一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法，所述装置包括：展宽器，用于将超短脉冲展宽为啁啾脉冲；分束器，用于将啁啾脉冲分为探测脉冲和参考脉冲；第一合束器，用于将太赫兹信号和所述探测脉冲进行合束；电光采样晶体，用于相位调制；光学延时器，用于将所述参考脉冲进行延时处理；第二合束器，用于将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光；透镜，用于将所述合束光进行聚焦处理；光谱仪，用于形成干涉条纹，并获取干涉条纹中的信号数据；处理器，获得所述太赫兹信号的时域光谱。本发明测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反映太赫兹信号波形的问题。

Description

一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法

技术领域

本发明实施例涉及太赫兹检测技术，尤其涉及一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法。

背景技术

太赫兹(THz)是介于宏观电子学向微观光子学过渡的频段，频率为0.1THz到10THz之间。太赫兹所处的特殊频段决定了其特殊的性质，它不仅适合于生物医学成像和探测成像，而且是空间运动目标的侦察﹑识别﹑致盲﹑对抗无线通信和反恐辑毒的有力工具。在过去几年里，太赫兹应用已经渗透到物理、传感、通讯、生命科学等领域。

太赫兹的应用离不开太赫兹检测技术，光电导采样和电光采样是两种常用的太赫兹检测技术。由于电光采样所需的探测脉冲能量低，所以具有更高的并行测量能力。同时对于太赫兹而言，电光采样具有更高的灵敏度和探测带宽。

传统的电光采样是基于利用电光效应改变探测光偏振态，经过检偏器后检测随太赫兹信号变换的探测光的强度来反应太赫兹信号的强度，这种方法适用于低强度的太赫兹信号的检测，但是对于高强度的太赫兹信号来说，在测量过程中太赫兹信号会发生畸变，甚至发生过度调制，从而无法正确反应太赫兹信号的波形。

发明内容

本发明提供一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法，以实现测量高强度的太赫兹信号，并且测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反应太赫兹信号波形的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置，包括：

展宽器，用于将超短脉冲展宽为啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系；

分束器，用于将啁啾脉冲分为探测脉冲和参考脉冲；

第一合束器，用于将太赫兹信号和所述探测脉冲进行合束；

电光采样晶体，用于将合束的太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制；

光学延时器，用于调整所述参考脉冲与探测脉冲间的时时间延时；

第二合束器，用于将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光；

透镜，用于将所述合束光进行聚焦处理；

光谱仪，用于接收聚焦处理后的所述合束光，以形成干涉条纹，并获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

处理器，用于确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据；且用于根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

第二方面，本发明实施例还提供了一种测量高强度太赫兹时域光谱的方法，包括：

将超短脉冲展宽为啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系；

将啁啾脉冲利用分束器分为探测脉冲和参考脉冲；

通过电光采样技术将太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制；

设定所述参考脉冲与探测脉冲间的时间延时；

将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光；

将所述合束光进行聚焦处理；

将聚焦处理后的合束光输入光谱仪，以获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

本发明实施例提供了一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置和方法，该装置通过展宽器将超短脉冲展宽为啁啾脉冲；通过分光器将啁啾脉冲分为测探脉冲和参考脉冲；通过电光采样晶体实现太赫兹信号对探测脉冲的相位调制；通过光学延时器实现参考脉冲与探测脉冲间的延时处理；通过第二合束器和透镜分别将相位调制后的探测脉冲和延时处理的参考脉冲合束、聚焦处理后，通过光谱仪形成干涉条纹，获取干涉条纹的信号数据，通过处理器对信号数据以及预先获取的参考数据，获得太赫兹信号的时域光谱，能够实现测量高强度的太赫兹信号，并且测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反应太赫兹信号波形的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的又一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的又一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置的光路对照图；

图4是本发明实施例二提供的一种测量高强度太赫兹时域光谱的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置结构示意图；其中，细虚线箭头为参考脉冲，细实线箭头探测脉冲，粗实线箭头为探测脉冲与参考脉冲合束后形成的合束光，带箭尾的双箭头为啁啾脉冲，箭头框为飞秒超短脉冲,无箭尾双箭头为太赫兹信号。该装置包括：展宽器190、分束器110、第一合束器120、电光采样晶体130、光学延时器140、第二合束器150、透镜160、光谱仪170和处理器180。

其中，展宽器190，用于将超短脉冲展宽为啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系。

分束器110，用于将啁啾脉冲分为探测脉冲和参考脉冲。

第一合束器120，用于将太赫兹信号和所述探测脉冲进行合束；其中，太赫兹信号为高强度的太赫兹信号，第一合束器120可选为硅片。

电光采样晶体130，用于将合束的太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制；具体的，通过电光采样晶体130将太赫兹信号以相位延迟加载到探测脉冲中，调整探测脉冲的偏振或旋转电光采样晶体使得太赫兹信号引入的相位延迟不会使探测脉冲的偏振发生变化，在本实施例中，电光采样晶体130可选为ZnTe<110>电光晶体。

光学延时器140，用于设定所述参考脉冲和探测脉冲间的延时时间处理。

具体的，光学延时器140，将设定所述参考脉冲和探测脉冲间的延时时间，以使得所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束后形成的干涉条纹满足设定条件，如形成的干涉的条纹的间距不能过密或过稀疏，以便于进行相位差的识别，从而能精确获取干涉条纹的数据。

第二合束器150，用于将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光。

透镜160，用于将所述合束光进行聚焦处理。

光谱仪170，用于接收聚焦处理后的所述合束光，以形成干涉条纹，并获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据。

处理器180，用于确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据；且处理器180用于根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

上述装置工作过程如下：展宽器190将超短脉冲展宽为啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系；分束器110将啁啾脉冲分为两束，探测脉冲和参考脉冲；首先探测脉冲和太赫兹信号经过第一合束器120合束后，通过电光采样晶体130，进行相位调制；参考脉冲经光学延时器140适当延时；然后，探测脉冲和参考脉冲经第二合束器150合束进行合束，经过聚焦处理，输入到光谱仪170，形成干涉条纹，获取干涉条纹的信号数据；最后处理器180根据预先存储的参考数据与信号数据进行处理，获得太赫兹信号的时域光谱，其中，参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据，根据参考数据和信号数据之间的相位差、太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

在上述实施例的基础上，如图2和图3所示，图中，细虚线箭头为参考脉冲，细实线箭头探测脉冲，粗实线箭头为探测脉冲与参考脉冲合束后形成的合束光，带箭尾的双箭头为啁啾脉冲，箭头框为飞秒超短脉冲,无箭尾双箭头为太赫兹信号；所述装置还包括：第一抛物面镜200和第二抛物面镜210。

其中第一抛物面镜200，用于将合束的太赫兹信号和所述探测脉冲进行聚焦处理；第二抛物面镜210，用于将调制后的所述探测脉冲进行准直处理。

在上述实施例的基础上，如图2和图3所示，所述装置还包括：反射镜220，用于将探测脉冲反射，以探测脉冲引入第一合束器120。

在上述的实施例的基础上，如图2所示，处理器180包括：

相位差确定模块1801，具体用于按照如下公式确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差：

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+2\mathrm{\&beta;}\sqrt{I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\cos [\mathrm{\&omega;\&tau;}+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{NL}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{THz}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)]$

其中，ω为脉冲频率，I(ω)为光谱仪测得的加载有太赫兹信号干涉条纹的光谱，I_ref(ω)为光谱仪测得的所述参考脉冲的光谱，I_pro(ω)为光谱仪测得的所述探测脉冲的光谱，β是干涉条纹对比度(亮条纹和暗条纹亮度之间的对比度)，τ是探测脉冲与参考脉冲之间的设定延时时间，φ_NL(ω)是所述电光采样的晶体引入的非线性相位，φ_THz(ω)是太赫兹信号引入所述探测脉冲的相位。

时域光谱确定单元1802，用于根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

具体的，在测量太赫兹信号之前，预先测量一组光谱干涉条纹(参考数据)，并存储，此时干涉条纹的相位包含了：参考光和探测光之间的时间差引入的相位ωτ以及ZnTe电光采样晶体引入的非线性相位φ_NL(ω)。在有太赫兹信号时，干涉条纹的相位除了ωτ和φ_NL(ω)之外，还包含太赫兹信号引入的相位φ_THz(ω)。把有太赫兹信号和无太赫兹信号的干涉条纹相位相减，获得太赫兹信号引入的相位φ_THz(ω)(参考数据和信号数据之间的相位差)，并且φ_THz(ω)与太赫兹电场强度E_THz成正比，最后根据由展宽器决定的频率(波长)与时间确定的映射对应关系，获得E_THz-t时域光谱数据。

本发明实施例一提供了一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置，该装置通过展宽器将超短脉冲展宽为啁啾脉冲；通过分光器将啁啾脉冲分为测探脉冲和参考脉冲；通过电光采样晶体实现太赫兹信号对探测脉冲的相位调制；通过光学延时器设定所述参考脉冲和探测脉冲间的延时时间；通过第二合束器和透镜分别将相位调制后的探测脉冲和延时处理的参考脉冲合束、聚焦处理后，通过光谱仪形成干涉条纹，获取干涉条纹的信号数据，通过处理器对信号数据以及预先存储的参考数据，获得太赫兹信号的时域光谱，本发明实施例能够实现测量高强度的太赫兹信号，并且测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反应太赫兹信号波形的问题。

实施例二

本实施例二提供了一种测量高强度太赫兹时域光谱的方法，可由测量高强度太赫兹时域光谱的装置来执行，在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。

图4是本实施例二提供的一种测量高强度太赫兹时域光谱的方法的流程图，如图所示，包括：

S100：将飞秒超短脉冲展宽成皮秒啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系。

S101：将啁啾脉冲利用分束器分为探测脉冲和参考脉冲。

S102：通过电光采样技术将太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制。

S103：将所述参考脉冲进行设定延时时间的延时处理。

S104：将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光。

S105：将所述合束光进行聚焦处理。

S106：将聚焦处理后的合束光输入光谱仪，以获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据。

S107：确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据。

S108：根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

本发明实施例通过上述实施例提供的测量高强度太赫兹时域光谱的装置，能够实现测量高强度的太赫兹信号，并且测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反应太赫兹信号波形的问题。

在上述实施例的基础上，S103：将所述参考脉冲进行设定延时时间的延时处理，包括：

将所述参考脉冲进行设定延时时间的延时处理，以使得所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束后形成的干涉条纹的周期满足设定条件。

在上述实施例的基础上，S107：确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差，包括：

按照如下公式确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差：

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+2\mathrm{\&beta;}\sqrt{I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\cos [\mathrm{\&omega;\&tau;}+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{NL}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{THz}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)]$

其中，ω为脉冲频率，I(ω)为光谱仪测得的加载有太赫兹信号干涉条纹的光谱，I_ref(ω)为光谱仪测得的所述参考脉冲的光谱，I_pro(ω)为光谱仪测得的所述探测脉冲的光谱，β是干涉条纹对比度，τ是探测脉冲与参考脉冲之间的设定延时时间，φ_NL(ω)是所述电光采样的晶体引入的非线性相位，φ_THz(ω)是太赫兹信号引入所述探测脉冲的相位。

本实施能够将飞秒超短脉冲展宽成皮秒啁啾脉冲，根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系，并根据述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱，能够实现测量高强度的太赫兹信号，并且测量到的太赫兹时域光谱线性度高，解决测量过程中高强度太赫兹信号发生畸变，调制过度导致无法正确反应太赫兹信号波形的问题。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种测量高强度太赫兹时域光谱的装置，其特征在于，包括：

展宽器，用于将超短脉冲展宽为啁啾脉冲；并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系；

分束器，用于将啁啾脉冲分为探测脉冲和参考脉冲；

第一合束器，用于将太赫兹信号和所述探测脉冲进行合束；

电光采样晶体，用于将合束的太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制；

光学延时器，用于调整所述参考脉冲与探测脉冲的相对延时时间；

第二合束器，用于将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光；

透镜，用于将所述合束光进行聚焦处理；

光谱仪，用于接收聚焦处理后的所述合束光，以形成干涉条纹，并获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

处理器，用于确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据；且用于根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

第一抛物面镜，用于将合束的太赫兹信号和所述探测脉冲进行聚焦处理；

第二抛物面镜，用于将调制后的所述探测脉冲进行准直处理。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括：

相位差确定模块，具体用于按照如下公式确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差：

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+2\mathrm{\&beta;}\sqrt{I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\cos [\mathrm{\&omega;\&tau;}+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{NL}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{THz}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)]$

其中，ω为脉冲频率，I(ω)为光谱仪测得的加载有太赫兹信号干涉条纹的光谱，I_ref(ω)为光谱仪测得的所述参考脉冲的光谱，I_pro(ω)为光谱仪测得的所述探测脉冲的光谱，β是干涉条纹对比度，τ是探测脉冲与参考脉冲之间的设定延时时间，φ_NL(ω)是所述电光采样的晶体引入的非线性相位，φ_THz(ω)是太赫兹信号引入所述探测脉冲的相位。

4.一种测量高强度太赫兹时域光谱的方法，其特征在于，包括：

将超短脉冲展宽为啁啾脉冲，并根据展宽器特性确定所述皮秒啁啾脉冲的脉冲频率与时间的映射关系；

将啁啾脉冲利用分束器分为探测脉冲和参考脉冲；

通过电光采样技术将太赫兹信号加载到所述探测脉冲中，进行相位调制；

调节所述参考脉冲与探测脉冲间的相对延时时间；

将所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束，以形成合束光；

将所述合束光进行聚焦处理；

将聚焦处理后的合束光输入光谱仪，以获取干涉条纹中的信号数据，其中，所述信号数据为有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

确定参考数据和所述信号数据之间的相位差，其中，所述参考数据为没有太赫兹信号时的干涉条纹数据；

根据所述相位差、所述太赫兹信号的相位与电场强度关系、以及所述啁啾脉冲的频率与时间的映射关系，获得所述太赫兹信号的时域光谱。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述参考脉冲进行设定延时时间的延时处理包括：

将所述参考脉冲进行设定延时时间的延时处理，以使得所述探测脉冲和所述参考脉冲进行合束后形成的干涉条纹的周期满足设定条件。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差包括：

按照如下公式确定所述参考数据和所述信号数据之间的相位差：

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+2\mathrm{\&beta;}\sqrt{I_{\mathrm{pro}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)I_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}\cos [\mathrm{\&omega;\&tau;}+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{NL}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{THz}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)]$

其中，ω为脉冲频率，I(ω)为光谱仪测得的加载有太赫兹信号干涉条纹的光谱，I_ref(ω)为光谱仪测得的所述参考脉冲的光谱，I_pro(ω)为光谱仪测得的所述探测脉冲的光谱，β是干涉条纹对比度，τ是探测脉冲与参考脉冲之间的设定延时时间，φ_NL(ω)是所述电光采样的晶体引入的非线性相位，φ_THz(ω)是太赫兹信号引入所述探测脉冲的相位。