CN106017674B - 噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法，包括以下步骤：用反馈调节方法锁定两台飞秒激光光源的重复频率，得到两个光梳；将两光梳信号与两连续光信号拍频，并进行一系列的信号处理，产生自适应补偿信号与信号采集的时钟信号；同时，将一个光梳作为泵浦光产生太赫兹光梳，另一个光梳作为探测光，在半导体天线上得到反映太赫兹电场的电压信号；用补偿信号对上述电信号进行载波包络漂移补偿，最后用时钟信号进行信号采集。该方法提高了太赫兹光梳光谱系统的鲁棒性，可以在宽频谱范围达到高测量精度，并提高了取样系统的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其是一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱方法，将激光脉冲转换的电信号进行混频、差频等处理，实现激光脉冲重复频率抖动和载波包络零频抖动的自动补偿，在极大地降低飞秒光梳控制精度甚至无需对飞秒光梳加以精密控制的情形下，得到稳定的太赫兹光谱取样信号，从而获得高精度太赫兹光梳光谱。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1～10THz波段的电磁波，相对于红外线、“X射线”等成像手段，太赫兹波段由于具有更低的能量，不会对被测物造成破坏而被称为“无损伤探测”波段。此外，由于生物分子的振动与转动能级大多在太赫兹波段，所以通过太赫兹的透射谱或反射谱可以进行物质检测。因此，太赫兹波在生物医学成像、物质成分检测和鉴定方面具有重要应用价值。
目前常用的太赫兹光谱技术是太赫兹时域光谱系统，其通过机械延迟线来控制泵浦光与探测光间的延时从而实现太赫兹时域信息的扫描。虽然此种方法在一定程度上可以在较长的距离内实现精确扫描，但是其光路设计与搭建复杂难控，且机械平台延时的方法使得扫描时间较长，无法实现真正意义上的太赫兹光谱实时探测。
太赫兹异步光学取样系统是一种新兴的太赫兹时域扫描系统。这种方法的实现是通过两个重复频率精确锁定且略有差别的光梳系统进行拍频，利用重复频率自扫描取代机械平移台扫描，从而突破扫描精度与测量时间的制约限制，缩短了太赫兹光谱仪的光谱探测时间。由于异步光学取样对光梳的控制要求很高，需要系统可以长时间稳定的锁定激光脉冲的重复频率与载波包络相位抖动，否则将会对系统的采样精度造成严重的影响,甚至无法获得准确的太赫兹光谱。而重复频率与载波包络相位漂移受环境影响较大，对他们的锁定环境要求苛刻，尤其是载波包络相位锁定对激光器的运行条件要求苛刻,现有异步取样太赫兹光谱方法对光梳的精密控制要求很苛刻,急需发展新方法与新技术来提升仪器的鲁棒性。
发明内容
本发明目的是针对目前传统机械扫描太赫兹时域光谱技术所需时间长，异步光学取样技术信噪比低、且对环境要求极高等存在的不足，而提出的一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱方法。此方法首先利用反馈调节的方式分别锁定两个重复频率相近的窄线宽激光器的重复频率，得到重复频率略有差异的两台光梳；采用窄谱线连续激光分别与两台光梳进行外差拍频，利用拍频信号的频率差来测量出光梳的重频及载波包络相位抖动的差别，作为补偿信号。同时，两台光梳分别用以驱动及探测太赫兹，产生的太赫兹光梳中同样包含光梳的重频及载波包络相位抖动，将补偿信号与探测的太赫兹信号拍频，从而实现实时自适应补偿，消除重频及载波包络相位抖动的影响。这一过程无需对两台光梳进行苛刻且极其易被干扰的高精度控制，获得高精度和高稳定度的太赫兹光谱。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法，特点是该方法包括以下具体步骤：
(1)分别对两台重复频率略有差别的飞秒激光光源进行重复频率锁定，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；所述重复频率锁定过程：
从飞秒激光光源中分离出少量光，作用到光电二极管，得到电信号；利用信号发生器输出重复频率确定的定频信号；将所述的电信号与定频信号混频，并将混频信号输入低通滤波器，得到频率较低的飞秒激光光源重复频率与标准频率的误差信号即差频信号；利用信号放大器放大此差频信号，并将其作为补偿信号对飞秒激光光源谐振腔端部固定的压电陶瓷PZT进行调节；补偿信号驱动PZT产生微小形变从而改变激光光源腔长，使重复频率动态跟随信号源的定频信号，进而锁定飞秒激光光源的重复频率，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；
(2)采用分束器分别将两台光梳A和B分为能量高与能量低的两束光；
(3)将两台光梳分束后，对能量低的两束光进行信号处理，以产生自适应补偿信号，具体流程如下：
将每束光再次通过分束器分成两束光，分别与两个连续激光器输出的激光合束实现拍频，利用光电二极管PD探测此拍频信号；每个拍频信号的抖动由光梳输出的激光脉冲重复频率抖动、载波包络相位抖动以及连续光频率漂移造成；定义连续光的频率为fcw1和fcw2，且连续光1频率大于光梳频率，连续光2的频率小于光梳频率；frA和fcepA分别为光梳A的重复频率与载波包络相位；frB和fcepB分别为光梳B的重复频率与载波包络相位；光梳A、B分别与连续光1拍频，由于光梳A与B的重复频率相近，所以均在频率梳的第n个梳齿处进行拍频，分别得到拍频信号fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)；
同理，光梳A、B分别与连续光2拍频，分别得到拍频信号(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2；
通过光电二极管PD将四个拍频光信号转换成为电信号；
将两台光梳输出的激光脉冲与同一连续光的拍频信号进行混频即fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)混频，(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2混频，使用低通滤波器提取出差频信号，得到与连续光频率漂移无关而只与两台光梳重复频率及载波包络相位CEP抖动有关的差频信号n(frA-frB)+(fcepA-fcepB)和m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)，将其中一个信号作为后续探测的补偿信号并将这两个差频信号进一步混频，得到与两台光梳CEP抖动无关而只与重复频率微小抖动有关的信号k(frA-frB)，将此信号作为时钟信号；
(4)步骤(3)的同时将重复频率锁定的光梳A分束后能量高的部分作为泵浦光泵浦产生太赫兹光梳A1；另一台光梳B分束后能量高的部分作为探测光梳作用到探测用的半导体天线；在半导体天线上得到反映太赫兹电场的微弱电压信号，此电压信号包含两台光梳的重复频率抖动及CEP抖动；
(5)将步骤(3)中产生的补偿信号m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)与步骤(4)的微弱电压信号进行混频，提取差频信号；
(6)用步骤(3)中得到的时钟信号k(frA-frB)作为触发信号采集步骤(5)产生的差频信号中只包含重复频率抖动影响的太赫兹电场信息；再通过频谱变换，标识探测光梳不同频谱经样品后的吸收与相位变化，就能获得分辨率达到MHz量级的太赫兹光梳光谱探测。
本发明利用自适应补偿方式取代激光脉冲的载波包络相位锁定技术，提出一种自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法，增强异步光学取样的抗干扰能力、提升仪器的鲁棒性。这种方法无需对光梳进行精确控制，提高了太赫兹时域光谱系统的环境适应性与稳定性，减低异步光学取样技术对环境的要求；同时，通过自适应补偿不同频段的光梳频率尺的抖动，可以在更宽的频谱范围达到高精度测量。
本发明的优点
(1)与传统的太赫兹光谱采样系统相比较，本发明简化光路设计，采用电学的方式将对环境要求高的方法替换为对环境适应性较强的方法，提高了太赫兹双光梳光谱系统的鲁棒性；
(2)通过自适应补偿不同频段的飞秒光梳频率尺的抖动，可以实现在较宽的频谱范围达到高测量精度。
(3)自适应补偿可以提高整个取样系统的信噪比。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施例结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，为本发明流程示意图，图中箭头所示为信息传输方向。图中所有符号均表示混频后采用低通滤波器提取差频信号。具体流程：
第一步：分别对两台重复频率略有差别的飞秒激光光源进行重复频率锁定。飞秒光源谐振腔端部固定有压电陶瓷PZT，可以通过控制PZT的驱动电压进而微量调节激光器腔长，实现飞秒光源重复频率的微小调节。其重复频率精确锁定过程如下：从光源中分离出少量光，作用到光电二极管，得到电信号；利用信号源输出重复频率确定的电信号(定频信号)；将光电二极管得到的电信号与定频信号混频，并将混频信号输入低通滤波器，得到频率较低的差频信号(激光器重复频率与标准频率的误差信号)；利用信号放大器放大此差频信号，并将其作为补偿信号对PZT进行调节；补偿信号驱动PZT产生微小形变从而改变激光光源腔长，使重复频率动态跟随信号源的定频信号，进而高效锁定飞秒激光光源的重复频率，产生重复频率锁定的光梳A和B。
第二步：采用分束器分别将两台光梳A和B分为能量高与能量低的两束光。
第三步：将两台光梳分束后能量低的部分进行信号处理，以产生自适应补偿信号，具体流程如下：
将每个光梳再次通过分束器分成两束光，分别与两个连续激光器输出的激光合束实现拍频，利用光电二极管(PD1，PD2,PD3，PD4)探测此拍频信号。由于光梳的重复频率锁定在mHz量级，因此还有微弱的重复频率抖动信号，所以每个拍频信号的抖动由光梳输出的激光脉冲重复频率抖动、载波包络相位抖动以及连续光频率漂移造成。定义连续光的频率为fcw1和fcw2，且连续光1频率大于光梳频率，连续光2的频率小于光梳频率；frA和fcepA分别为光梳A的重复频率与载波包络相位；frB和fcepB分别为光梳B的重复频率与载波包络相位；光梳A、B分别与连续光1拍频，由于光梳A与B的重复频率相近，所以均在频率梳的第n个梳齿处进行拍频，分别得到拍频信号fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)。
同理，光梳A、B分别与连续光2拍频，可以分别得到拍频信号(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2。
通过光电二极管PD将四个拍频光信号转换成为电信号以便做后续的信号处理。
将两台光梳输出的激光脉冲与同一连续光的拍频信号进行混频(即fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)混频，(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2混频)，使用低通滤波器提取出差频信号，可以得到与连续光频率漂移无关而只与两台光梳重复频率及载波包络相位(CEP)抖动有关的差频信号n(frA-frB)+(fcepA-fcepB)和m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)，将其中一个信号作为后续探测的补偿信号。由于两台光梳分别与两个连续光拍频，因此得到上述两个差频信号，将这两个差频信号进一步混频，可以得到与两台光梳CEP抖动无关而只与重复频率微小抖动有关的信号k(frA-frB)，将此信号作为时钟信号。
第四步：第三步的同时将重复频率锁定的光梳A分束后能量高的部分作为泵浦光泵浦产生太赫兹光梳A1；另一台光梳B分束后能量高的部分作为探测光梳作用到探测用的半导体天线。由于两台光梳重复频率略有差值，因此太赫兹光梳与探测用光梳在探测用半导体天线上相互作用，在半导体天线上得到反映太赫兹电场的微弱电压信号，此电压信号包含两台光梳的重复频率抖动及CEP抖动。
第五步：将第三步中产生的补偿信号m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)与第四步的微弱电压信号进行混频，提取差频信号，即可消除CEP抖动对拍频信号的影响，只包含重复频率抖动的影响。
第六步：用第三步中得到的时钟信号k(frA-frB)作为触发信号采集第五步产生的差频信号中只包含重复频率抖动影响的太赫兹电场信息。再通过频谱变换，标识探测光梳不同频谱经样品后的吸收与相位变化，就能获得高精度的频谱分析结果。
实施例
参阅图2，为本发明具体实施例结构示意图：包括：重复频率精确锁定的1030nm光梳301；半导体天线302；待测样品303；混频器304；信号采集卡305。
按图2所示搭建光路与电路。1030nm光梳301-1和301-2重复频率有微小差别，经分束后，能量低的光用以得到自适应补偿信号(见图2自适应补偿信号产生)。分束后能量高的光梳，经半导体天线302激发产生太赫兹光梳，其中太赫兹光梳通过样品303，与探测光梳进行拍频。此拍频信号中含有fcepA-fcepB，同时由于重复频率锁定在mHz量级，所以还有微弱的重复频率漂移信号，记为r(frA-frB)。因此太赫兹光梳的拍频信号中含有r(frA-frB)+(fcepA-fcepB)的抖动信号，将用自适应补偿信号产生过程中得到的补偿信号m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)与太赫兹光梳的拍频信号输入混频器304，得到消除载波包络相位抖动影响的电信号，此信号中只包含微弱的重复频率抖动。时钟信号k(frA-frB)输入采集卡305，作为触发信号，同时利用信号采集卡305采集混频器304输出的电信号，将结果经过傅立叶变换等信号处理，即可得到太赫兹频谱信息，从而分析所测样品的吸收峰。
Claims (1)
1.一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：
（1）分别对两台重复频率略有差别的飞秒激光光源进行重复频率锁定，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；所述重复频率锁定过程：
从飞秒激光光源中分离出少量光，作用到光电二极管，得到电信号；利用信号发生器输出重复频率确定的定频信号；将所述的电信号与定频信号混频，并将混频信号输入低通滤波器，得到频率较低的飞秒激光光源重复频率与标准频率的误差信号即差频信号；利用信号放大器放大此差频信号，并将其作为补偿信号对飞秒激光光源谐振腔端部固定的压电陶瓷PZT进行调节；补偿信号驱动PZT产生微小形变从而改变激光光源腔长，使重复频率动态跟随信号源的定频信号，进而锁定飞秒激光光源的重复频率，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；
（2）采用分束器分别将两台光梳A和B分为能量高与能量低的两束光；
（3）将两台光梳分束后，对能量低的两束光进行信号处理，以产生自适应补偿信号，具体流程如下：
将每束光再次通过分束器分成两束光，分别与两个连续激光器输出的激光合束实现拍频，利用光电二极管PD探测此拍频信号；每个拍频信号的抖动由光梳输出的激光脉冲重复频率抖动、载波包络相位抖动以及连续光频率漂移造成；定义连续光的频率为fcw1和fcw2，且连续光1频率大于光梳频率，连续光2的频率小于光梳频率；frA和fcepA分别为光梳A的重复频率与载波包络相位；frB和fcepB分别为光梳B的重复频率与载波包络相位；光梳A、B分别与连续光1拍频，由于光梳A与B的重复频率相近，所以均在频率梳的第n个梳齿处进行拍频，分别得到拍频信号fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)；
同理，光梳A、B分别与连续光2拍频，分别得到拍频信号(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2；
通过光电二极管PD将四个拍频光信号转换成为电信号；
将两台光梳输出的激光脉冲与同一连续光的拍频信号进行混频即fcw1-(nfrA+fcepA)与fcw1-(nfrB+fcepB)混频，(mfrA+fcepA)-fcw2与(mfrB+fcepB)-fcw2混频，使用低通滤波器提取出差频信号，得到与连续光频率漂移无关而只与两台光梳重复频率及载波包络相位CEP抖动有关的差频信号n(frA-frB)+(fcepA-fcepB)和m(frA-frB)+(fcepA-fcepB)，将其中一个信号作为后续探测的补偿信号；并将这两个差频信号进一步混频，得到与两台光梳CEP抖动无关而只与重复频率微小抖动有关的信号k(frA-frB)，将此信号作为时钟信号；
（4） 步骤（3）的同时将重复频率锁定的光梳A分束后能量高的部分作为泵浦光泵浦产生太赫兹光梳A1；另一台光梳B分束后能量高的部分作为探测光梳作用到探测用的半导体天线；太赫兹光梳与探测用光梳在探测用半导体天线上相互作用，在半导体天线上得到反映太赫兹电场的微弱电压信号，此电压信号包含两台光梳的重复频率抖动及CEP抖动；
（5）将步骤（3）中产生的补偿信号m(frA-frB)+(fcepA-fcepB) 或n(frA-frB)+(fcepA-fcepB)与步骤（4）的微弱电压信号进行混频，提取差频信号；
（6）用步骤（3）中得到的时钟信号k(frA-frB)作为触发信号采集步骤（5）产生的差频信号中只包含重复频率抖动影响的太赫兹电场信息；再通过频谱变换，标识探测光梳不同频谱经样品后的吸收与相位变化，就能获得分辨率达到MHz量级的太赫兹光梳光谱探测。
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