CN105334182A - 一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。本发明成本低廉，全光纤集成、便携、实时快速，能广泛应用于工业领域的实际应用。准时域系统优点是替代昂贵的飞秒激光和不能移动的自由空间太赫兹光谱系统，使用低成本的多模激光，并实现了全光纤的集成，高信噪比且便携，可用于部分替代太赫兹时域光谱和频域连续波光谱仪的典型领域。

Description

一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪

技术领域

本发明涉及太赫兹光谱测试的技术领域，尤其涉及太赫兹时域光谱领域和便携、低成本、实时的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪。

背景技术

波长在3mm到30um之间，频谱范围在100GHz到10THz，微波和红外之间的电磁波波段称为太赫兹波段。太赫兹光谱仪检测的光谱信息能同时获得物质的光学幅值和相位信息，已广泛应用于安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域，尤其在爆炸物、违禁药品、武器等识别、无损检测，细胞分子等细分领域有广泛应用前景。传统的太赫兹光谱仪以自由空间传播时域和连续波外差探测构成，其中应用最为广泛的是太赫兹时域光谱技术，该相干技术通过测量样品的太赫兹脉冲时域波形，同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息，快速傅里叶变换后可获得样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。时域系统采用飞秒激光，由此产生宽带太赫兹谱，优点是只受系统带宽限制，单次测量即含有完整的太赫兹频率窗口信息。但这种传统的自由空间传播太赫兹时域系统通常在实验室使用，体积庞大、结构复杂、成本昂贵，缺乏灵活移动性，激光源、镜子和太赫兹发射接收器件等都需固定在工作台上，且在自由空间传播不能移动，易于受到环境扰动，限制了其实际应用。尤其是关键设备，飞秒激光，价格非常昂贵，工业界难以推广。于是另一种常见的与之补充的光谱仪为连续波外差太赫兹光谱系统，它更为实用，波长稍有不同的两个单模连续波激光束入射到光电导天线中，产生连续波太赫兹辐射。但是这种系统只探测一个单一频率成分，所获得信息收到严重限制。而且为了确保准确的相位信息，一套负责精确的激光频率稳定系统必不可少，这加大了系统的复杂度。因此开展抗扰动非自由空间传播，能够快速实时探测，集成时域和频域系统优点的全光纤便携太赫兹光谱系统(THz-TDS)成了迫在眉睫的工作。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，该光谱仪具时域与频域光谱特点，宽谱及高信噪比，可广泛应用于工业领域的太赫兹光谱测试。

为达到上述目的，本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。

进一步，所述多模激光光纤传输系统包括分束器、第一光纤延展器和第二光纤延展器，所述分束器将多模激光分成两路光信号，其中一路光信号经第一光纤延展器输入到太赫兹发射模块中，另一路光信号经第二光纤延展器输入到太赫兹接收模块中。

进一步，施加于第一光纤延展器两端的电压与施加于第二光纤延展器两端的电压相反。

进一步，所述第一光纤延展器或/和第二光纤延展器包括压电陶瓷线圈，所述压电陶瓷线圈上缠绕光纤，压电陶瓷线圈上施加电压。

进一步，所述第一光纤延展器与太赫兹发射模块间采用多模透镜光纤连接。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

本发明所述的全光纤准太赫兹时域实时光谱系统，替代飞秒激光，采用低成本的商用多模激光器件，更适于太赫兹在工业和反恐等领域的实际应用。此系统基于可移动、紧凑和价格低廉的商用多模激光器件；使用等频距的多模纵模激光驱动传统的光电导混频系统，获得的信号类似于传统的时域信号，这种准时域系统集成了飞秒激光的宽频特性，又极大降低了系统价格和体积。此系统由商业价格低廉的多模激光系统激励，全光纤传播，快速时间延迟调制，具有可移动、低成本、便携式、不损伤眼睛，实时等特点，可广泛应用于工业领域，研究将对未来太赫兹技术应用及产品研发产生重要意义。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明全光纤准时域实时太赫兹光谱仪系统示意图；

图2为本发明光谱仪采用的多模激光器的具体实施例傅里叶频谱图；

图3为本发明光谱仪中光电导天线具体实施器件例图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

全光纤太赫兹准时域实时监测光谱仪是一种集成太赫兹时域光谱和频域差频探测技术的相干探测设备，通过测量样品的太赫兹脉冲准时域波形，可同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息，且经快速傅里叶变换后，更可获得样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。将空间光转入光纤内传输，省去了很多用于调节光路的光学元件，还可减弱外界环境的干扰和保护眼睛；而且由于光纤的可弯曲性，可很好的缩减系统的空间体积，增强灵活性，克服很多应用中遇到的实际问题，方便工业和反恐的现场使用。全光纤太赫兹准时域实时光谱仪采用商用多模激光器作为光学激励源，代替昂贵的飞秒激光，各个模式间等频率差排列，导致的信号类似于时域光谱的信号。且由于各模式所产生的信号建设性干涉，能够获得更高的光谱分辨率。在爆炸物、违禁药品、武器等的站开式识别、工业探伤无损检测，及细胞分子构象等领域的太赫兹检测分析应用广泛。引入光纤延展器实现高速时间延迟调制，替代传统自由空间时域光谱的机械线性平移延迟台，进行等效时间采样，更适于全光纤集成。同时对太赫兹光电导发射和接收模块实行与高阻硅透镜和电极一体封装，适于进行全光纤耦合集成。

鉴于自由空间传播的太赫兹时域系统价格昂贵，不能移动、慢速和频域连续波系统的带宽限制等问题，本发明的全光纤太赫兹准时域实时系统能够部分解决上诉问题。依据本发明，提供一种全光纤准时域实时太赫兹光谱仪，包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到太赫兹发射模块中，另一路光信号输入到太赫兹接收模块中。

首先激光经多模激光器输出，本发明并未采用传统的飞秒激光或双连续激光差频的形式，而是直接输出围绕一中心频率的多模激光，纵模相邻频率差为定值等间距，探测到的信号是类似时域信号的脉冲信号。这些周期性脉冲信号的重复频率由激光模式间的频率差决定。这种周期性信号的优点是，等频差间隔的激光多模将导致信号中的相关频率成分建设性叠加，从而提升信噪比。多模激光在由激光器辐射出后，为提升激光功率，接着通过掺铒光纤激光放大器耦合进多模光纤中。接着激光经过多模激光光纤传输系统，成为两束激光，一束为泵浦激光，一束为探测激光；通常分光强度为6:4或1:1。

采样探测太赫兹准时域系统的波形，通过等效时间采样技术实现，这需要精确控制时间延迟。同时为了实现快速时间延迟与全光纤集成和实时探测，本发明在分束器后设置光纤延展器，为更好的平衡掉温差带来的漂移影响和快速延迟调制，在泵浦和探测光路上分别加上一组电压相反的光纤延展器(即第一光纤延展器和第二光纤延展器)，其时间延迟调制频率快速至近千赫兹。所述分束器将多模激光分成两路光信号，其中一路光信号经第一光纤延展器输入到光电导发射天线中，另一路光信号经第二光纤延展器输入到光电导接收天线中。

进一步，为了利于聚焦激光光斑，使其能高效耦合进光电导发射天线，激光在通过光纤延展模块后，进入光电导发射天线之前的光纤为多模透镜光纤。

在本发明中，太赫兹发射与接收模块由两个光电导天线模块组成。本发明的太赫兹光电导天线模块就采用通常适于连续波差频探测的光电导天线太赫兹模块。通常选用适合于中心频率780nm或1550nm激光激励的光电导天线模块，分别对应低温生长的GaAs和InGaAs有源材料，并封装模块，使其适合全光纤系统。光电导天线的材料、层厚、离子注入、天线的几何尺寸等都将对辐射的太赫兹光谱强度和带宽产生重要影响。其次是光电导天线芯片、高阻硅超半球透镜、与固定盘的封装集成。封装后的模块是一边是光纤输入，另一边是硅透镜。模块与偏置电压源，电流放大器和锁相放大器联用。工作时，施加一个数千赫兹的交流调制电压到光电导发射天线金属电极上，多模激光照射有源材料产生的自由载流子随之产生光电导电流。就光电导天线接收端探测而言，金属引线将光电导天线测量到的电流信号输入电流放大器中。由于采样的探测器输出信号非常弱，易淹没在噪声信号中，需要锁相放大技术实现信号提取，同步于发射端的电压调制频率。

当一个样品放在太赫兹光路中时，相对于参考波形，可观测到由于吸收和反射损耗带来的时间延迟和脉冲幅度的减弱。若样品为平行板结构，更可观察到法布里波罗回声，即使厚度未知，利用多次反射的法布里波罗回声性质的参数提取，材料厚度和光学性质能够同时被测定。

光电导天线作为太赫兹的发射和接收端被面对面放置图1所示，这充分考虑到硅透镜的太赫兹出射角度，便于最大限度最短光程接收太赫兹信号。一个激光束由多个模式频率组成，入射进光电导天线后，入射的光子将会激发半导体光生载流子，载流子在光电导天线的外加偏压下向着电极方向加速，产生光电流。由于是多模激光，不同激光模式间的频率混合，将导致光生电流也受到混频模式积的调制。一个等频率差间隔的激光模式导致一个类似时域谱的脉冲，重复频率由各模式的间隔差决定。这类似于一个时域信号系统。

太赫兹发射模块与太赫兹接收模块主要部件为光电导天线基片、超半球硅透镜、天线电极、天线固定盘、光纤、偏压线。该模块作为太赫兹波发射集成模块时，上述天线电极连至外偏压电源；当作为太赫兹波接收集成模块时，上述天线电极电连至电流放大器。具体而言，拉锥光纤将激光脉冲引导至天线电极gap，产生光生载流子，通过插指电极给光电导天线提供偏压，载流子定向移动形成光电流并通过螺旋形天线向外辐射太赫兹波。进一步通过改进光电导天线结构的不同共振模式和激光更广的谱发射，可以获得更宽的太赫兹带宽。天线背面的超半球硅透镜能将辐射集中到近光轴方向并聚焦。其中光电导太赫兹发射天线由InAsAs/InP材料组成，适合于1.55微米多模激光激励产生太赫兹辐射。在1.55微米多模InGaAs/InGaAsP量子点激光器的激发下，等频差的宽谱的太赫兹频率脉冲梳，与激光器各纵模之间的差频相符。这个方法可以获得一个宽带多峰相干太赫兹源。光电导天线的天线电极为插指金属结构，便于光生载流子在电压下的收集，如图3所示。具体结构是：材料结构为InP衬底，0.1微米InP缓冲层，1.9微米InGaAs和10nm的InP顶部覆盖层。低温生长的InGaAs材料，用质子轰击的离子注入模式来减少载流子寿命，使光电流迅速对太赫兹电场的变化做出响应。这种材料能使太赫兹光生载流子的复合寿命时间很短，适于太赫兹连续波系统，也适于准时域的多模激光太赫兹发射系统。为高效辐射太赫兹，天线为螺旋状结构，3mm直径的高阻超半球硅透镜粘贴模块上，对太赫兹波束进行整形，将出射光束尽可能集中到近光轴方向，有效提高太赫兹辐射能量的收集效率。如图1所示，其中光电导发射天线上施加电压为千赫兹调制后的外偏压，光电导接收天线上配置电流放大器和锁相放大器，锁相放大器设置合适积分时间后，同频与外加调制偏压，锁相放大器将滤除高背景噪声，提升信噪比。

通常自由空间的时域系统采用离轴抛物面镜来准直和聚焦太赫兹光束，本发明为适应便携化的需要，将不使用立轴抛物面镜，太赫兹的传输都在光纤中进行。与太赫兹时域系统类似，样品被插入到太赫兹的光路中，产生一个脉冲延迟，吸收损耗并降低反射幅度。在已知样品的厚度下，就可以推算出样品的光学性质参数。如果样品是平板结构，样品中还会发生法布里波罗腔式的多模反射回声现象。比较参考和样品的光谱测试结果，即使在未知厚度的情况下，也能够获得样品的相关光学参数。即通过计算信号波频谱与参考波频谱的比值，结合样品厚度，可计算出样品的复折射率和消光系数，进一步利用吸收系数关系，可以获得样品的吸收谱，即太赫兹指纹谱。尤其当平板样品插入太赫兹光路中时，法布里波罗回声脉冲也将被引发，这使得厚度和光学性质能同时被测定。

在本发明中，可选的外部装置为密封罩，密封光路图中太赫兹波传输区域。使用有机玻璃密封罩对此区域进行隔离，充入干燥空气或者氮气，控制罩内的空气湿度，有效减弱水汽对太赫兹辐射的吸收作用，提升信噪比，净化光谱。

进一步，光谱仪引入了样品二维扫描系统，实现二维成像功能，这利于广泛应用于工业领域的成像和机场等关键场所的安全检查。成像方式为太赫兹辐射源与探测器固定不动，样品固定于进行二维电动平台进行移动扫描；实验中样品的二维移动通过骏河精机的电控二维移动平台实现。样品通过固定架夹持在二维移动平台上，Labview程序指令控制平移台x-y方向二维扫描，同时LabView控制一维光学快速延迟线、锁相放大器与外加偏压间的通信和时间同步，实现每移动一个像元同时获取一个完整的太赫兹时域信号，然后提取成像参数完成太赫兹二维图像绘制。一个x-y二维矩阵，根据矩阵数值的大小转化为灰度图像，即太赫兹准时域成像。进一步对每个像元获得的时域信号进行傅里叶变换，可以得到样品的太赫兹频率谱，数学计算即可提取出样品的光学特征参数，如折射率、吸收系数等。

本发明实施例中，为适应工业使用的低成本和可移动性，多模激光将替代脉冲飞秒激光，中心波长选取为适于通信波段的1.55微米。具体为图1中的激光源为InGaAs/InGaAsP多模量子点激光，中心波长为1550nm，各模式间等频差为50G，根据不同的量子点激光器参数设计，中心波长和模式间频距可以相应变化。在实施例中，为提高输出功率，使用了掺铒光纤放大器图1所示，得到激光总的输出功率是35mw。

单个频率激光模式输出最高是8mw左右。同时临近或次临近等多模激光线之间，可获得功率不同的频差为50,100,150，200,250G等激光差频等。等频差间距的多模激光，探测到的信号是脉冲形状，类似太赫兹的时域信号。这些周期性的脉冲信号的重复率由激光模式间的频率差决定。信号的周期性不仅有利于数据处理，而且最重要的是由于建设性的频率成分相干叠加，等频差间隔的多模激光的使用将提升信噪比。

从图2的量子点激光器的傅里叶光谱分析仪所示，其多个模式间等间距频差，各模式间强度有不同。多模激光替代了传统自由空间时域光谱的飞秒激光和双连续波差频激光的系统构建模式，价格更加低廉，体积更小，易于集成、同时1550nm的激光更适于通信波段，方便与其他通信商用器件集成。

本发明实现了一种宽谱、实时、价格经济的太赫兹谱测试系统。这种准时域谱技术不仅能够实现类似时域光谱的基本信息检测，因使用了商用紧凑多模激光替代飞秒激光而使得成本大幅降低。若样品为平板结构，由于法布里波罗回声，样品的厚度和宽带材料参数能够同时被确定。概括之，此系统基于可移动、紧凑和价格低廉的商用多模激光器件，使用等频距的多模纵模激光驱动传统的光电导混频系统，获得类似于传统时域谱的信号。这种准时域系统集成了飞秒激光的宽频特性，又极大降低了系统价格和体积。具有可移动、低成本、便携式、不损伤眼睛，实时等特点，兼具频域和时域光谱特点，可广泛应用于工业领域，研究将对未来太赫兹光谱仪及成像应用及产品研发产生重要意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。

2.根据权利要求1所述的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：还包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器连接于多模激光系统和多模激光光纤传输系统之间。

3.根据权利要求1所述的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：所述多模激光光纤传输系统包括分束器、第一光纤延展器和第二光纤延展器，所述分束器将多模激光分成两路光信号，其中一路光信号经第一光纤延展器输入到太赫兹发射模块中，另一路光信号经第二光纤延展器输入到太赫兹接收模块中。

4.根据权利要求3所述的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：施加于第一光纤延展器两端的电压与施加于第二光纤延展器两端的电压相反。

5.根据权利要求3所述的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：所述第一光纤延展器或/和第二光纤延展器包括压电陶瓷线圈，所述压电陶瓷线圈上缠绕光纤，压电陶瓷线圈上施加电压。

6.根据权利要求3所述的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，其特征在于：所述第一光纤延展器与太赫兹发射模块间采用多模透镜光纤连接。