CN105891144A - 太赫兹扫描系统及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹扫描系统以及扫描方法，该扫描系统包括重频锁定且可调飞秒激光器、重复频率调谐部、分束部、太赫兹脉冲产生部、太赫兹脉冲收集部、脉冲空间偏移发生部、参考激光脉冲传输方向改变部、合束部、聚焦部、光电探测部以及处理部。其中，重复频率调谐部包括信号发生单元、触发单元以及调谐单元，信号发生单元输出固有频率电信号，触发单元将该固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器，调谐单元依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长，实现重复频率的调谐。而后，重频锁定且可调飞秒激光器将调谐好的重复频率进行锁定。

Description

太赫兹扫描系统及扫描方法

技术领域

本发明属于太赫兹扫描领域，具体涉及一种太赫兹扫描系统及扫描方法。

背景技术

太赫兹由于具有相对较弱的光子能量被称为“无损伤探测”的光学波段。由于生物分子的旋动及振动能级(即指纹光谱)大多处于太赫兹波段，可以利用该波段光子对生物分子结构进行分析及操控。因此，太赫兹在生物医学成像、物质成分检测和鉴定方面具有重要应用价值。总体看，太赫兹在这些方面的研究仍处于实验室阶段，大规模的应用还面临诸多挑战。如现有太赫兹辐射源的功率较低，将限制太赫兹对待检物体的穿透性；周围环境对太赫兹辐射的干扰，如水蒸气的吸收；太赫兹成谱成像速度有待提高。而其中，制约太赫兹系统真正迈向小型化、走向实用化的一个重要因素是太赫兹时域扫描方式。

目前来说，测量太赫兹光谱的方法主要有几种，一是利用机械平移台线性扫描获取光学延迟线进行采样探测；二是利用异步光学采样方法实现时域信号的快速扫描；三是利用光纤延迟线实现快速扫描。这几种方法各有其弊端。

利用机械平移台实现光学延迟线能够在较长的距离内实现精确的时间延时，但是由于平移台的机械惯性，其扫描速度受到限制。同时，这种方法需要搭配锁相放大器采集信号，而锁相放大器对数据的处理速度难以突破瓶颈。在这一扫描系统中，测量时间的减少又意味着系统性噪比的降低。因此，利用此方法很难实现太赫兹快速扫描。

基于异步采样方法的太赫兹时域扫描是利用两台重复频率稍有差异的激光器，其中一束作为探测光经过样品，另一束作为参考光。将探测光与参考光进行拍频，然后利用光电探测器采集拍频后的信号，通过傅里叶变换等处理后，分析其光谱特性。这种方法不需要机械式延迟导轨，不用确定零时间点。并且，其测量精度和分辨率大幅度提高。但是，这种方法需要两台恒定的频率差和相位锁定的激光器，系统比较复杂，并且成本高。

基于光纤延迟线的太赫兹光谱扫描利用光纤伸缩器作为延迟线实现太赫兹电场扫描，其扫描频率在千赫兹量级，扫描窗口可以达到上百皮秒。但是由于光纤的存在，入射光的强度受到限制，并且在光纤传输中会发生展宽、色散以及损耗等现象，给电场的扫描带来不利因素。

在这几种扫描方法的基础上进行改进，找到一种操作简单、稳定性好、扫描速率快、并且成本低的扫描方法为太赫兹成谱成像的实际应用提高可能性。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，在目前常用的测量太赫兹光谱的方法的基础之上进行改进，提供了一种太赫兹扫描系统及扫描方法以解决现有技术存在的缺陷。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种太赫兹扫描系统，具有：重频锁定且可调飞秒激光器，用于输出一定脉冲宽度的飞秒激光并对调谐好的飞秒激光的重复频率进行锁定；重复频率调谐部，对重复频率进行调谐，包括输出固有频率电信号的信号发生单元、将固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器的触发单元以及依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长对重复频率进行调谐的调谐单元；分束部，设置在飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲；太赫兹脉冲产生部，设置在检测激光脉冲的光路上，用于产生太赫兹辐射；太赫兹脉冲收集部，用于对穿过待检样品的太赫兹脉冲进行收集和聚焦；脉冲空间偏移发生部，设置在参考激光脉冲的光路上，用于对参考激光脉冲进行空间距离的偏移；参考激光脉冲传输方向改变部，用于改变参考激光脉冲的传输方向，让参考激光脉冲穿过太赫兹脉冲收集部和太赫兹脉冲同时向前传输；合束部，将太赫兹脉冲和参考激光脉冲合束；聚焦部，将合束后的太赫兹脉冲和参考激光脉冲进行聚焦；光电探测部，用于探测作用于其上的太赫兹脉冲以及参考激光脉冲分别是第几个脉冲并将脉冲信号转换成电信号；处理部，根据触发单元输出的重复频率来连续测量并计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，达到对太赫兹脉冲进行扫描的目的，同时对扫描的时间信号进行换算，得到太赫兹时域电场图。

本发明提供的太赫兹扫描系统，还具有这样的特征：调谐单元为压电陶瓷，参考激光脉冲传输方向改变部为45°平面高反镜。

本发明提供的太赫兹扫描系统，还具有这样的特征：重复频率被设定为f₁，重复频率的可调节幅度被设定为△f，重频锁定且可调飞秒激光器的输出频率在f₁～f₁+△f周期性变化，变化周期为压电陶瓷的变化周期。

本发明提供的太赫兹扫描系统，还具有这样的特征：太赫兹脉冲产生部为光电导天线。

本发明提供的太赫兹扫描系统，还具有这样的特征：脉冲空间偏移发生部为长度至少为20m的光纤。

本发明提供的太赫兹扫描系统，还具有这样的特征：处理部依据下式计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}=a(\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_1+\mathrm{\Δ}f})$

其中，△τ为太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时；a为同时作用于光电探测部上的第j个太赫兹脉冲和第j-a个参考激光脉冲之差；f₁为重复频率；△f为重复频率的可调节幅度。

进一步的，本发明还提供了一种太赫兹扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用重频锁定且可调飞秒激光器输出一定脉冲宽度的飞秒激光并对调谐好的飞秒激光的重复频率进行锁定；

步骤2，采用重复频率调谐部对重复频率进行调谐；

步骤3，采用分束部将飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲；

步骤4，采用太赫兹脉冲产生部产生太赫兹辐射；

步骤5，采用太赫兹脉冲收集部对穿过待检样品的太赫兹脉冲进行收集和聚焦；

步骤6，采用脉冲空间偏移发生部对参考激光脉冲进行空间距离的偏移；

步骤7，采用参考激光脉冲传输方向改变部改变参考激光脉冲的传输方向，让参考激光脉冲穿过太赫兹脉冲收集部和太赫兹脉冲同时向前传输；

步骤8，采用光电探测部探测作用于其上的太赫兹脉冲以及参考激光脉冲分别是第几个脉冲并将脉冲信号转换成电信号；

步骤9，采用处理部计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，并依据固有频率电信号对电信号进行调制，得到太赫兹脉冲的时域信号。

进一步的，本发明所提供的太赫兹扫描方法，还具有这样的特征：在步骤2中，采用重复频率调谐部对所述重复频率进行调谐的步骤还包括以下子步骤：

子步骤2-1，采用信号发生单元输出固有频率电信号；

子步骤2-2，触发单元将固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器；

子步骤2-3，调谐单元依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长对重复频率进行调谐。

发明作用与效果

根据本发明的太赫兹扫描系统以及扫描方法，由于扫描系统中的重频锁定且可调飞秒激光器可以输出一定脉冲宽度的飞秒激光并对调谐好的飞秒激光的重复频率进行锁定，同时，重复频率调谐部能够对重复频率进行调谐，使得本发明的扫描系统和扫描方法和现有的扫描方式相比，具有以下优点：

(1)扫描距离：与传统机械扫描相比，本发明的扫描系统避免采用大体积的线性步进电机，进而将扫描距离由传统扫描所需的厘米量级降低到压电陶瓷所需的微米量级。

(2)扫描精确度：扫描距离的降低大大减小了扫描过程中引入的误差，理所当然的提高了准确度。

(3)扫描速率：由于压电陶瓷的变化速率可以达到kHz，而重复频率的扫描速率由压电陶瓷的变化速率决定，因此将扫描时间降低到毫秒量级，大大提高了扫描速度。

(4)体积及成本优势：与异步采样相比，本发明只需一台重频精密锁定且可调的飞秒激光器，成本大幅度降低，同时，系统稳定性增强，受外界环境的影响降低，大大促进了其向应用方面的发展。

附图说明

图1是本发明的实施例一的太赫兹波扫描系统的结构示意图；

图2是本发明的太赫兹扫描系统的原理分析图；

图3是本发明的实施例二的太赫兹成像系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

实施例一

图1为本实施例的太赫兹扫描系统的结构示意图。

如图1所示，太赫兹扫描系统100包括重频锁定且可调飞秒激光器11、重复频率调谐部12、分束部13、太赫兹脉冲产生部14、太赫兹脉冲收集部15、脉冲空间偏移发生部16、参考激光脉冲传输方向改变部17、合束部18、聚焦部19、光电探测部20以及处理部。

重频锁定且可调飞秒激光器用于输出脉冲宽度在飞秒量级的飞秒激光并对调谐好的飞秒激光的重复频率进行锁定。重复频率调谐部用于对飞秒激光的重复频率进行调谐，包括信号发生单元21、触发单元22以及调谐单元23。信号发生单元21输出固有频率电信号，触发单元22将该固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器，调谐单元23依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长，实现重复频率的调谐。此重频锁定且可调飞秒激光器的输出频率在f₁～f₁+△f周期性变化，变化周期为压电陶瓷的变化周期，可以达到kHz。在本实施例中，触发单元22为扫描激光器，调谐单元23为压电陶瓷(PZT)。

分束部13设置在飞秒激光的光路上，为780nm分束片，用于将飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲。太赫兹脉冲产生部14为光电导天线，设置在检测激光脉冲的光路上，用于产生太赫兹辐射。太赫兹脉冲收集部15为镀金抛物面镜，用于对穿过待检样品的太赫兹脉冲进行收集和聚焦。

脉冲空间偏移发生部16设置在参考激光脉冲的光路上，为长度至少为20m的光纤，用于对参考激光脉冲进行空间距离的偏移。参考激光脉冲传输方向改变部17为45°平面高反镜，用于改变参考激光脉冲的传输方向，让该参考激光脉冲经合束部19和太赫兹脉冲同时向前传输。聚焦部19为透镜，用于将合束后的太赫兹脉冲和参考激光脉冲进行聚焦。光电探测部20用于探测作用于其上的太赫兹脉冲以及参考激光脉冲分别是第几个脉冲并将脉冲信号转换成电信号。处理部用于根据触发单元输出的重复频率来连续测量并计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，达到对太赫兹脉冲进行扫描的目的，同时依据固有频率电信号对电信号进行调制，得到太赫兹脉冲的时域信号。

本实施例中的太赫兹扫描方法的步骤如下：

步骤1，重频锁定且可调飞秒激光器11输出脉冲宽度在飞秒量级的飞秒激光，该飞秒激光的重复频率的可调节幅度为△f；

步骤2，信号发生单元21输出固有频率电信号，触发单元22将该固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号传输给飞秒激光器，调谐单元23依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长，实现重复频率的调谐。此重频锁定且可调飞秒激光器的输出频率在f₁～f₁+△f周期性变化，变化周期为压电陶瓷的变化周期，达到kHz。

步骤3，分束部13将能量强的飞秒脉冲分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲，检测激光脉冲聚焦作用在赫兹脉冲产生部(光电导天线)14上，产生太赫兹辐射；

步骤4，太赫兹脉冲收集部(镀金抛物面镜)15对太赫兹脉冲进行收集和聚焦；

步骤5，参考激光脉冲经过脉冲空间偏移发生部16达到空间距离的偏移，而后经参考激光脉冲传输方向改变部改变参考激光脉冲的传输方向，该传输方向和初始的参考激光脉冲的传输方向相垂直；

步骤6，合束部18对由太赫兹脉冲收集部传输来的太赫兹脉冲进行反射，使之和参考激光脉冲同时沿同一个方向传输；

步骤7，合束的两组脉冲经聚焦部19聚焦后同时输入光电探测部20中。由于两束脉冲经过的空间路程不同，到达光电探测部的脉冲出现一定延时。

步骤8，光电探测部20探测作用于其上的太赫兹脉冲以及参考激光脉冲分别是第几个脉冲，并将脉冲信号转换成电信号。处理部根据触发单元输出的重复频率来连续测量并计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，达到对太赫兹脉冲进行扫描的目的。同时，处理部对扫描的时间信号进行换算，得到太赫兹时域电场图。

图2是本实施例中的太赫兹扫描系统的原理分析图。

飞秒激光器输出激光脉冲的重复频率为f₁，通过压电陶瓷的调节达到的重复频率差值为△f。图2中的上面的一路光作为探测光路，下面一路作为参考光路。探测光路激光经过透镜聚焦作用到光电导天线，产生太赫兹辐射，被激发的太赫兹辐射与原有激光脉冲重复频率一致，将产生的太赫兹脉冲收集并聚焦。由于探测光路与参考光路的空间光程不同，当探测光路的第j个脉冲作用到光电探测部上时，参考光路的第j-a个脉冲作用到探测器件上。而这两个脉冲之间的时间延时△τ表示为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}=a(\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_1+\mathrm{\Δ}f})$

式中，△τ为太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时；a为同时作用于光电探测部上的第j个太赫兹脉冲和第j-a个参考激光脉冲之差；f₁为重复频率；△f为重复频率的可调节幅度。

此时需要的光程长度l₁表示为

$l_1=a\·c_0/f_1\·n=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\·c_0}{n}(f_1/\mathrm{\Δ}f+1)$

式中，c₀为光速；n为激光传输介质的折射率。

在扫描过程中，由于激光器的重复频率可调，通过△f的连续变化，可以延长所扫描两个脉冲之间的延时，从而实现对延迟线的扫描。在此过程中，△f/f₁决定了延迟线扫描过程的精度，激光器重复频率的调节速率决定了太赫兹时域电场的扫描速率。由于在飞秒激光器中，腔的调谐主要通过压电陶瓷实现，其调节速率可以达到kHz，因此，与步进电机进行的机械扫描相比，扫描速度大幅度提升。

实施例的作用与效果

为了提高太赫兹频谱的分辨率，在进行太赫兹时域电场扫描时，通常需要将扫描长度扩大到3cm以上，因此，在机械扫描过程中极易引入误差。在本实施例中，主要通过重复频率锁定及连续可调实现扫描，压电陶瓷的改变量只需要um量级就可以达到百皮秒量级的时间延迟，大大节省了时间，减小了误差。

实施例二

在本实施例二中，和实施例一相同的结构给予相同的符号并省略相同的说明。

图3为本实施例二中的太赫兹成像系统的结构示意图。

如图3所示，太赫兹成像系统用于对待测样品的成分进行鉴定，其结构和太赫兹扫描系统相似，包括重频锁定且可调飞秒激光器11、重复频率调谐部12、分束部13、太赫兹脉冲产生部14、太赫兹脉冲收集部24、待检样品容纳部25、脉冲空间偏移发生部16、参考激光脉冲传输方向改变部27、合束部26、聚焦部19、光电探测部20以及处理部。

采用该太赫兹成像系统对待检样品进行成像的方法包括以下步骤：

步骤1，重频锁定且可调飞秒激光器11输出脉冲宽度在飞秒量级的飞秒激光，该飞秒激光的重复频率的可调节幅度为△f；

步骤2，信号发生单元21输出固有频率电信号，触发单元22将该固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号传输给飞秒激光器，调谐单元23依据飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长，实现重复频率的调谐。此重频锁定且可调飞秒激光器的输出频率在f₁～f₁+△f周期性变化，变化周期为压电陶瓷的变化周期，达到kHz。

步骤3，分束部13将能量强的飞秒脉冲分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲，检测激光脉冲聚焦作用在赫兹脉冲产生部(光电导天线)14上，产生太赫兹辐射，形成太赫兹波；

步骤4，太赫兹波依次经镀金抛物面镜242和241收集并聚焦后，焦点落在待测样品25上。

步骤5，透过待测样品的太赫兹信号依次被镀金抛物面镜261和262收集，而后与参考激光脉冲同时输入到光电探测部20上。

步骤6，参考激光脉冲经过脉冲空间偏移发生部16达到空间距离的偏移，而后经参考激光脉冲传输方向改变部27中的五块45°高反镜281改变参考激光脉冲的传输方向，该传输方向和初始的参考激光脉冲的传输方向相垂直；

步骤7，参考激光脉冲穿过镀金抛物面镜261和探测激光脉冲同时沿同一个方向传输；

步骤8，合束的两组脉冲经聚焦部19聚焦后同时输入光电探测部20中，由于两束脉冲经过的空间路程不同，到达光电探测部的脉冲出现一定延时；

步骤9，光电探测部20探测作用于其上的太赫兹脉冲以及参考激光脉冲分别是第几个脉冲，并将脉冲信号转换成电信号。处理部根据触发单元输出的重复频率来连续测量并计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，达到对太赫兹脉冲进行扫描的目的。同时，处理部对扫描的时间信号进行换算，得到太赫兹时域电场图；

步骤10，将待测物品在二维平面内移动，采集太赫兹脉冲经过待测物品各个点的时域信号，处理部将其强度信息还原，就可以实现待测物品成像。同时，处理部将太赫兹时域电场信号做傅里叶变换，得到其频谱信息，经过比对，实现对待测样品的成分进行鉴定。

实施例作用与效果

本实施例是对太赫兹扫描系统的延伸，为太赫兹扫描系统在样品成分鉴定方面的应用提供了一种参考。

Claims (8)

1.一种太赫兹扫描系统，用于对太赫兹时域扫描电场进行快速扫描，其特征在于，具有：

重频锁定且可调飞秒激光器，用于输出一定脉冲宽度的飞秒激光并对调谐好的所述飞秒激光的重复频率进行锁定；

重复频率调谐部，对所述重复频率进行调谐，包括输出固有频率电信号的信号发生单元、将所述固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器的触发单元以及依据所述飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长对所述重复频率进行调谐的调谐单元；

分束部，设置在所述飞秒激光的光路上，用于将所述飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲；

太赫兹脉冲产生部，设置在所述检测激光脉冲的光路上，用于产生太赫兹辐射；

太赫兹脉冲收集部，用于对穿过待检样品的所述太赫兹脉冲进行收集和聚焦；

脉冲空间偏移发生部，设置在所述参考激光脉冲的光路上，用于对所述参考激光脉冲进行空间距离的偏移；

参考激光脉冲传输方向改变部，用于改变所述参考激光脉冲的传输方向，让所述参考激光脉冲穿过所述太赫兹脉冲收集部和所述太赫兹脉冲同时向前传输；

合束部，将所述太赫兹脉冲和所述参考激光脉冲合束；

聚焦部，将合束后的所述太赫兹脉冲和所述参考激光脉冲进行聚焦；

光电探测部，用于探测作用于其上的所述太赫兹脉冲以及所述参考激光脉冲分别是第几个脉冲并将脉冲信号转换成电信号；

处理部，根据触发单元输出的重复频率来连续测量并计算太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时，达到对太赫兹脉冲进行扫描的目的，同时对扫描的时间信号进行换算，得到太赫兹时域电场图。

2.根据权利要求1所述的太赫兹扫描系统，其特征在于：

其中，所述调谐单元为压电陶瓷，所述参考激光脉冲传输方向改变部为45°平面高反镜。

3.根据权利要求2所述的太赫兹扫描系统，其特征在于：

其中，所述重复频率被设定为f1，所述重复频率的可调节幅度被设定为△f，所述重频锁定且可调飞秒激光器的输出频率在f1～f1+△f周期性变化，所述变化周期为所述压电陶瓷的变化周期。

4.根据权利要求1所述的太赫兹扫描系统，其特征在于：

其中，所述太赫兹脉冲产生部为光电导天线。

5.根据权利要求1所述的太赫兹扫描系统，其特征在于：

其中，所述脉冲空间偏移发生部为长度至少为20m的光纤。

6.根据权利要求1所述的太赫兹扫描系统，其特征在于：

其中，所述处理部依据下式计算所述太赫兹脉冲以及所述参考激光脉冲之间的时间延时：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}=a(\frac{1}{f_1}-\frac{1}{f_1+\mathrm{\Δ}f})$

其中，△τ为太赫兹脉冲以及参考激光脉冲之间的时间延时；a为同时作用于光电探测部上的第j个太赫兹脉冲和第j-a个参考激光脉冲之差；f₁为重复频率；△f为重复频率的可调节幅度。

7.一种太赫兹扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用重频锁定且可调飞秒激光器输出一定脉冲宽度的飞秒激光并对调谐好的所述飞秒激光的重复频率进行锁定；

步骤2，采用重复频率调谐部对所述重复频率进行调谐；

步骤3，采用分束部将所述飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和参考激光脉冲；

步骤4，采用太赫兹脉冲产生部产生太赫兹辐射；

步骤5，采用太赫兹脉冲收集部对穿过待检样品的所述太赫兹脉冲进行收集和聚焦；

步骤6，采用脉冲空间偏移发生部对所述参考激光脉冲进行空间距离的偏移；

步骤7，采用参考激光脉冲传输方向改变部改变所述参考激光脉冲的传输方向，让所述参考激光脉冲穿过所述太赫兹脉冲收集部和所述太赫兹脉冲同时向前传输；

步骤8，采用光电探测部探测作用于其上的所述太赫兹脉冲以及所述参考激光脉冲分别是第几个脉冲并将脉冲信号转换成电信号；

步骤9，采用处理部计算所述太赫兹脉冲以及所述参考激光脉冲之间的时间延时，并依据所述固有频率电信号对所述电信号进行调制，得到所述太赫兹脉冲的时域信号。

8.根据权利要求7所述的太赫兹扫描方法，其特征在于：

其中，在所述步骤2中，采用重复频率调谐部对所述重复频率进行调谐的步骤还包括以下子步骤：

子步骤2-1，采用信号发生单元输出固有频率电信号；

子步骤2-2，触发单元将所述固有频率电信号作为触发信号并将该触发信号输送给飞秒激光器；

子步骤2-3，调谐单元依据所述飞秒激光器的反馈信号连续改变腔长对所述重复频率进行调谐。