CN105181155B - 基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统及探测方法。解决目前太赫兹时域光谱单次探测技术普遍采用分离光学元件构成探测光路的激光脉冲展宽和啁啾化装置，使得系统体积大、结构复杂、成本较高，集成性和便携性较差的问题。本发明将飞秒激光脉冲直接耦合进一根单模光纤中传输，由于光纤存在色散效应，从而可以实现对飞秒激光脉冲的展宽和啁啾化，因此简化了系统结构，降低了成本，加强了集成性和便携性。

Description

基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统及探测方法

技术领域

本发明属于“太赫兹时域光谱系统研究”技术领域，具体涉及一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，实现了激光脉冲展宽与加啁啾过程的简化，及太赫兹脉冲的单次探测。

背景技术

“太赫兹波”是对一个特定波段电磁波的统称，是指振荡频率介于0.1～10THz之间的频谱范围，在电磁波谱中位于毫米波和红外波之间，因此也称“亚毫米波”。“太赫兹波”因其处于电子学向光子学过渡的特殊位置，因而具有“极性-非极性材料的选择透过性”、“单光子能量较低的操作安全性”、以及“指纹光谱检测与分析”等独特的性质，具有非常重要的研究价值和应用前景。“太赫兹光谱学”已在生物学、医药学、材料学、化学以及军事国防等诸多领域展现出巨大的应用潜力，并迅速成为前沿热门研究方向。

“太赫兹时域光谱技术”是近年来一种新兴的光谱检测与分析技术，是“太赫兹光谱学”的核心研发领域。通过“太赫兹时域光谱技术”可以得到样品的时域电场信息，经过傅里叶变换之后，即可得到样品在频域上的对应幅值和相位信息。这一特点使得此技术的研究得到了极大的关注。同时，“太赫兹时域光谱技术”所具有的“相干探测属性”、“高时间分辨率”和“高灵敏度”也为科研工作者们展现了一个全新的光谱学研究视角。

目前，“太赫兹时域光谱系统”普遍采用“扫描探测”的方法，这在进行诸如“生物组织样品成像”时会牺牲大量的时间成本；同时，应用“扫描探测”的“太赫兹时域光谱系统”又要求太赫兹源具有较高的重复频率，这就大大限制了此技术的应用领域。针对上述问题，近年出现的“太赫兹单次探测技术”虽可实现对单个太赫兹脉冲的时域测量，但此类系统一般采用分离光学元件构成探测光路的激光脉冲展宽和啁啾化装置，使得系统整体体积大、结构复杂、成本较高，集成性和便携性较差。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统及探测方法，实现激光脉冲展宽与加啁啾过程的便化，及太赫兹脉冲的单次探 测，解决现有的太赫兹单次探测系统整体体积大、结构复杂、成本较高，集成性和便携性较差等问题。

本发明采用的技术方案是：

1、一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，包括飞秒激光器、分束镜、第一光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、起偏器、金反射镜、聚焦透镜、光丝、太赫兹脉冲、特氟龙板、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、薄膜合束镜、电光晶体、检偏器、第二光纤耦合器、多模光纤、光纤光谱仪；

其中所述飞秒激光器，用于发射飞秒激光脉冲，提供系统所需的光能量；所述分束镜，用于将飞秒激光脉冲分成泵浦激光脉冲和探测激光脉冲，泵浦激光脉冲直接透射分束镜，探测激光脉冲被分束镜以90度反射；所述第一光纤耦合器，用于将探测激光脉冲耦合进单模光纤中；所述单模光纤，当探测激光脉冲在其中传输时，用于对探测激光脉冲进行展宽和加啁啾；所述光纤准直器，用于将展宽和加啁啾后的探测激光脉冲准直输出到自由空间；所述起偏器，用于给探测激光脉冲设置一个初始的线偏振方向；所述金反射镜，用于反射泵浦激光脉冲，改变其传输方向；所述聚焦透镜，用于聚焦泵浦激光脉冲；所述光丝，是由泵浦激光脉冲在自由空间中受到聚焦而产生，位于聚焦透镜的几何焦点附近；所述太赫兹脉冲，是由光丝辐射而来；所述特氟龙板，用于滤掉太赫兹脉冲中混杂的泵浦激光脉冲，只让太赫兹脉冲透过；所述第一、第二离轴抛物面镜，用于收集和汇聚太赫兹脉冲；所述薄膜合束镜，用于将太赫兹脉冲和探测激光脉冲进行合束，使之沿同一路径共线传输至电光晶体；所述电光晶体，利用太赫兹脉冲在电光晶体中的电光效应，使探测激光脉冲的线偏振态发生改变，即线偏振角度发生变化；所述检偏器，用于将探测激光脉冲经过电光晶体后的线偏振态变化检测出来，透射检偏器的探测激光脉冲的幅值正比于太赫兹脉冲的幅值；所述第二光纤耦合器，用于将从检偏器透射的探测激光脉冲耦合进多模光纤中；所述多模光纤，用于将探测激光脉冲传输至光纤光谱仪中；所述光纤光谱仪，用于探测和记录探测激光脉冲的频谱信息。

2、一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测方法，步骤包括：

第一步、飞秒激光脉冲通过分束镜，分成泵浦激光脉冲和探测激光脉冲；

第二步、探测激光脉冲经第一光纤耦合器，耦合进单模光纤中，在传输过程中进行展宽和加啁啾，之后从光纤准直器出射，再从起偏器透射；

第三步、泵浦激光脉冲经金反射镜反射后，经聚焦透镜聚焦，在空气中形成光丝，并 辐射出太赫兹脉冲；

第四步、太赫兹脉冲从特氟龙板透射后，经第一离轴抛物面镜准直，再经第二离轴抛物面镜汇聚；

第五步、探测激光脉冲经薄膜合束镜反射后，与透射过薄膜合束镜的太赫兹脉冲在电光晶体内重合；

第六步、探测激光脉冲从电光晶体透射后，经过检偏器，被第二光纤耦合器耦合进多模光纤中，并最终进入光纤光谱仪。

第七步、探测激光脉冲的频谱被光纤光谱仪探测并记录。

第八步、人为挡掉第三步中产生的太赫兹脉冲，重复第七步记录不带有太赫兹脉冲振幅信息的探测激光脉冲的频谱；

第九步、将第七步和第八步记录的探测激光脉冲的频谱进行处理，得到太赫兹脉冲波形。

本发明的优点和有益效果是：

本发明采用一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，实现了激光脉冲展宽与加啁啾过程的简化，及太赫兹脉冲的单次探测，解决了现有的太赫兹单次探测系统整体体积大、结构复杂、成本较高，集成性和便携性较差等问题。

附图说明

图1为基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统示意图；

图2为探测激光脉冲在单模光纤中传输时，脉宽展宽与载波啁啾化的过程示意图；

图3为探测激光脉冲经单模光纤传输后，与太赫兹脉冲相互作用的过程示意图。

附图标记：

1、飞秒激光器；2、分束镜；3、第一光纤耦合器；4、单模光纤；5、光纤准直器；6、起偏器；7、金反射镜；8、聚焦透镜；9、光丝；10、太赫兹脉冲；11、特氟龙板；12、第一离轴抛物面镜；13、第二离轴抛物面镜；14、薄膜合束镜；15、电光晶体；16、检偏器；17、第二光纤耦合器；18、多模光纤；19、光纤光谱仪；20、探测激光脉冲；21-24、逐步展宽和啁啾化的探测激光脉冲；25、展宽和啁啾化后的探测激光脉冲(包络)；26、展宽和啁啾化后的探测激光脉冲(载波)；27、经太赫兹脉冲调制后的探测激光脉冲的频谱；28、未经太赫兹脉冲调制的探测激光脉冲的频谱；29、对探测激光脉冲频谱进行处理 后得到的太赫兹脉冲波形。

具体实施方式

实施例：

图1为基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统示意图。在本发明实施例中采用的激光器为飞秒激光器-1，激光脉冲的中心波长为800nm，脉宽(半高全宽)为50fs，重复频率为1kHz。飞秒激光脉冲经过分束镜-2分成两路，直接透射的一路为泵浦激光脉冲，垂直反射的一路为探测激光脉冲。探测激光脉冲经第一光纤耦合器-3，耦合进单模光纤-4中，在传输过程中进行展宽和加啁啾，之后从光纤准直器-5出射，再从起偏器-6透射。泵浦激光脉冲经金反射镜-7反射后，经聚焦透镜-8聚焦，在空气中形成光丝-9，并辐射出太赫兹脉冲-10。太赫兹脉冲从特氟龙板-11透射后，经第一离轴抛物面镜-12准直，再经第二离轴抛物面镜-13汇聚。探测激光脉冲经薄膜合束镜-14反射后，与透射过薄膜合束镜-14的太赫兹脉冲在电光晶体-15内重合。探测激光脉冲从电光晶体-15透射后，经过检偏器-16，被第二光纤耦合器-17耦合进多模光纤-18中，并最终进入光纤光谱仪-19。探测激光脉冲的频谱被光纤光谱仪-19探测并记录。

图2为探测激光脉冲在单模光纤中传输时，脉宽展宽与载波啁啾化的过程示意图。在本发明实施例中，单模光纤-4对探测激光脉冲-20存在正常色散，即频率越高的频谱成分在单模光纤-4中的传输速度越慢；反之，频率越低的频谱成分在单模光纤-4中的传输速度越快。所以当探测激光脉冲-20在单模光纤-4中传输时，不同频率成分f₁f₂f₃…f_N会随着传输距离的增大而逐渐散开，使得探测激光脉冲的脉宽逐渐展宽21-24。最终当探测激光脉冲-20从单模光纤-4输出时，可见探测激光脉冲(载波)-26的不同频率成分f₁f₂f₃…f_N按频率由大到小的顺序已完全散开，称之为“啁啾化”或“加啁啾”；此时的探测激光脉冲(包络)-25的宽度也得到了极大展宽，称之为“脉冲宽度展宽”或“脉宽展宽”。对单模光纤-4的长度进行估算，公式如下：

其中，Δt_i为探测激光脉冲-20的初始脉宽：50fs；Δt_o为从单模光纤-4输出后的探测激光脉冲(包络)-25的脉宽：5ps；z为单模光纤-4的长度；z_D为单模光纤-4的色散长度。z_D的公式如下：

其中，π约为3.14；c为真空中的光速：3×10⁸m/s；D为色散系数：-139.2ps/nm·km；λ₀为探测激光脉冲-20的中心波长：800nm。由上述公式和参数可计算得到单模光纤-4的长度z约为1.9m。

图3为探测激光脉冲经单模光纤传输后，与太赫兹脉冲相互作用的过程示意图。展宽和啁啾化后的探测激光脉冲25-26与太赫兹脉冲-10同步到达电光晶体-15。在电光晶体-15中，由于电光效应的存在，使得太赫兹脉冲-10对探测激光脉冲25-26的偏振态产生了调制，即探测激光脉冲的线偏振方向发生了旋转、线偏振角度发生了改变。探测激光脉冲的线偏振旋转方向与太赫兹脉冲-10的振幅正负有关，若顺时针旋转对应太赫兹脉冲-10的正振幅，则逆时针旋转对应太赫兹脉冲-10的负振幅，反之亦然；探测激光脉冲的线偏振旋转角度正比于太赫兹脉冲-10的振幅绝对值大小，即太赫兹脉冲-10的振幅绝对值越大，探测激光脉冲的线偏振旋转角度越大。在电光晶体-15中，由于探测激光脉冲被调制的波形部分的线偏振旋转方向和旋转角度都与太赫兹脉冲-10相关，所以在探测激光脉冲随后经过检偏器-16后，透射信号可以准确地反映太赫兹脉冲-10的振幅正负和绝对值大小。透射信号进入光纤光谱仪-19被探测，探测结果为带有太赫兹脉冲-10振幅信息的探测激光脉冲的频谱-27。当人为将太赫兹脉冲-10挡掉，即不对探测激光脉冲(包络)-25进行电光调制时，从电光晶体-15透射并进入光纤光谱仪-19被探测到的结果为不带有太赫兹脉冲-10振幅信息的探测激光脉冲的频谱-28。对前后两次探测的光谱27-28进行处理(相减或相除)，即可得到太赫兹脉冲波形-29。

本发明相关的说明：

1、本发明中公开的所有特征、方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以任何方式组合。

2、本发明中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。也就是说，除非特别说明，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子。

Claims (5)

1.一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，其特征在于，包括飞秒激光器、分束镜、第一光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、起偏器、金反射镜、聚焦透镜、光丝、太赫兹脉冲、特氟龙板、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、薄膜合束镜、电光晶体、检偏器、第二光纤耦合器、多模光纤、光纤光谱仪；其中所述飞秒激光器，用于发射飞秒激光脉冲，提供系统所需的光能量；所述分束镜，用于将飞秒激光脉冲分成泵浦激光脉冲和探测激光脉冲，泵浦激光脉冲直接透射分束镜，探测激光脉冲被分束镜以90度反射；所述第一光纤耦合器，用于将探测激光脉冲耦合进单模光纤中；所述单模光纤，当探测激光脉冲在其中传输时，用于对探测激光脉冲进行展宽和加啁啾；所述光纤准直器，用于将展宽和加啁啾后的探测激光脉冲准直输出到自由空间；所述起偏器，用于给探测激光脉冲设置一个初始的线偏振方向；所述金反射镜，用于反射泵浦激光脉冲，改变其传输方向；所述聚焦透镜，用于聚焦泵浦激光脉冲；所述光丝，是由泵浦激光脉冲在自由空间中受到聚焦而产生，位于聚焦透镜的几何焦点附近；所述太赫兹脉冲，是由光丝辐射而来；所述特氟龙板，用于滤掉太赫兹脉冲中混杂的泵浦激光脉冲，只让太赫兹脉冲透过；所述第一、第二离轴抛物面镜，用于收集和汇聚太赫兹脉冲；所述薄膜合束镜，用于将太赫兹脉冲和探测激光脉冲进行合束，使之沿同一路径共线传输至电光晶体；所述电光晶体，利用太赫兹脉冲在电光晶体中的电光效应，使探测激光脉冲的线偏振态发生改变，即线偏振角度发生变化；所述检偏器，用于将探测激光脉冲经过电光晶体后的线偏振态变化检测出来，透射检偏器的探测激光脉冲的幅值正比于太赫兹脉冲的幅值；所述第二光纤耦合器，用于将从检偏器透射的探测激光脉冲耦合进多模光纤中；所述多模光纤，用于将探测激光脉冲传输至光纤光谱仪中；所述光纤光谱仪，用于探测和记录探测激光脉冲的频谱信息。

2.根据权利要求1所述的基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，其特征在于，所述单模光纤存在正常色散效应，即频率越高的频谱成分在其中的传输速度越慢；反之，频率越低的频谱成分传输速度越快；所以，当探测激光脉冲在单模光纤中传输时，不同频率成分f₁f₂f₃…f_N会随着传输距离的增大而逐渐散开，使得探测激光脉冲的脉宽逐渐展宽；最终当探测激光脉冲从单模光纤输出时，不同的频率成分f₁f₂f₃…f_N按频率由大到小的顺序已完全散开，称之为“啁啾化”或“加啁啾”；此时的探测激光脉冲宽度也得到了极大展宽，称之为“脉冲宽度展宽”或“脉宽展宽”。

3.根据权利要求1所述的基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测系统，其特征在于，所述单模光纤的长度用如下公式进行计算：

其中，Δt_i为探测激光脉冲的初始脉宽；Δt_o为从单模光纤输出后的探测激光脉冲的脉宽；z为单模光纤的长度；z_D为单模光纤的色散长度；z_D的计算公式如下：

其中，c为真空中的光速；D为色散系数；λ₀为探测激光脉冲的中心波长。

4.一种基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测方法，步骤包括：

第一步、飞秒激光脉冲通过分束镜，分成泵浦激光脉冲和探测激光脉冲；

第二步、探测激光脉冲经第一光纤耦合器，耦合进单模光纤中，在传输过程中进行展宽和加啁啾，之后从光纤准直器出射，再从起偏器透射；

第三步、泵浦激光脉冲经金反射镜反射后，经聚焦透镜聚焦，在空气中形成光丝，并辐射出太赫兹脉冲；

第四步、太赫兹脉冲从特氟龙板透射后，经第一离轴抛物面镜准直，再经第二离轴抛物面镜汇聚；

第五步、探测激光脉冲经薄膜合束镜反射后，与透射过薄膜合束镜的太赫兹脉冲在电光晶体内重合；

第六步、探测激光脉冲从电光晶体透射后，经过检偏器，被第二光纤耦合器耦合进多模光纤中，并最终进入光纤光谱仪；

第七步、探测激光脉冲的频谱被光纤光谱仪探测并记录；

第八步、人为挡掉第三步中产生的太赫兹脉冲，重复第七步记录不带有太赫兹脉冲振幅信息的探测激光脉冲的频谱；

第九步、将第七步和第八步记录的探测激光脉冲的频谱进行处理，得到太赫兹脉冲波形。

5.根据权利要求4所述的基于单模光纤的太赫兹脉冲单次探测方法，其特征在于，所述电光晶体，由于电光效应的存在，使得太赫兹脉冲对探测激光脉冲的偏振态产生了调制，即探测激光脉冲的线偏振方向发生了旋转、线偏振角度发生了改变；探测激光脉冲的线偏振旋转方向与太赫兹脉冲的振幅正负有关：若顺时针旋转对应太赫兹脉冲的正振幅，则逆时针旋转对应太赫兹脉冲的负振幅，反之亦然；探测激光脉冲的线偏振旋转角度正比于太赫兹脉冲的振幅绝对值大小，即太赫兹脉冲的振幅绝对值越大，探测激光脉冲的线偏 振旋转角度越大；在电光晶体中，由于探测激光脉冲被调制的波形部分的线偏振旋转方向和旋转角度都与太赫兹脉冲相关，所以在探测激光脉冲随后经过检偏器后，透射信号能够准确地反映太赫兹脉冲的振幅正负和绝对值大小；透射信号进入光纤光谱仪被探测，探测结果为带有太赫兹脉冲振幅信息的探测激光脉冲的频谱；当人为将太赫兹脉冲挡掉，即不对探测激光脉冲进行电光调制时，从电光晶体透射并进入光纤光谱仪被探测到的结果为不带有太赫兹脉冲振幅信息的探测激光脉冲的频谱。