CN106442378B - 基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，以两束带有设定重复频率差的超快激光脉冲，一束通过太赫兹波产生系统，产生太赫兹波，太赫兹波信号与另一束超快激光脉冲分别聚焦并共同入射到光电导探测天线中，利用泵浦光束和探测光束微小的重复频率差，实现对太赫兹波的快速扫描，通过互相关仪和铷原子频标对数字转换器进行控制，增加采集信号的时间以得到连续太赫兹脉冲链的时域光谱，通过傅里叶变换得到太赫兹梳状光谱，比对样品放置前后光梳的精准变化，即可得到该样品的太赫兹吸收谱线。既避免了机械延时装置扫描耗时过长的弊端，又避免了太赫兹超连续光谱由于激光脉冲时间抖动造成的不精确性，提高了太赫兹光谱吸收率测试精准度。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹光梳光谱的检测技术，特别涉及一种基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置。
背景技术
随着一系列新材料、新技术的发展，特别是超快技术的发展，宽带稳定的脉冲THz源成为超快技术领域一种准常规技术，并在全球掀起一股THz研究热潮。太赫兹波是指频率在0.1到10THz范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外之间，在通信技术、安全检测、生物检测等科学领域有着巨大的应用价值。
太赫兹光谱被誉为对于检测和表征材料特性的有效工具，主要是因为物质在太赫兹波段所特有的丰富的太赫兹指纹光谱。目前广泛应用的技术有太赫兹时域光谱搭配相干太赫兹脉冲；傅里叶变换远红外光谱搭配非相干太赫兹波；窄带可调谐连续光太赫兹频域光谱(连续太赫兹光谱)又可以根据源和探测器分为光子的和电子的。前两种方法的光谱覆盖范围广，但是光谱分辨率不高(由于机械延时装置的扫描时间过长)；后者的光谱分辨率高，但是光谱覆盖范围却很窄，每种方法有各自的优缺点。由于这些优点无法兼得，想要提高太赫兹光谱吸收率测试精准度就需要借助其他方法，一方面既要避免使用机械延时装置带来的长时间扫描问题又要保持信号较高的信噪比；另一方面还要避免激光脉冲本身可能存在的重复频率不稳对太赫兹光谱吸收率测试精准度的影响。目前还没有同时能解决上述问题的方法或装置出现。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹时域吸收光谱的测试精准度不高的问题，提出了一种基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，装置简单，易于操作，避免了机械延时装置扫描耗时过长的弊端，避免了太赫兹超连续光谱由于激光脉冲时间抖动造成的不精确性，提高了太赫兹光谱吸收率测试精准度。
本发明的技术方案为：一种基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，激光器控制系统控制两个激光光源工作，第二激光光源发出的激光的脉冲重复频率与第一激光光源发出的激光的脉冲重复频率有一个设定重复频率差，第一激光光源发出的激光脉冲作为泵浦光束进入太赫兹波产生系统，辐射出发散状的太赫兹波，经第一离轴抛物面镜会聚后变成平行的太赫兹波，经过带测样品架后，经第二离轴抛物面镜反射并聚焦到光电导天线探测端上；第二激光光源发出的超快脉冲激光依次经过反射镜组后作为探测光束，经过第一聚焦透镜聚焦，第一聚焦透镜与第二离轴抛物面镜共焦，聚焦的探测光束与经第二离轴抛物面镜反射并聚焦的太赫兹波焦点重合，共同打在光电导天线探测端上，光电导天线探测端上的电信号经过前置放大器放大后送数字转换器，测得太赫兹波的时域信号；同时第一激光光源和第二激光光源另通过其它通道输出激光到和频互相关仪，和频互相关仪输出信号触发数字转换器接收太赫兹波的时域信号；激光器控制系统与数字转换器共用一个铷原子频标，实现对太赫兹脉冲链的探测，太赫兹脉冲链为多个连续太赫兹波的时域信号，所得太赫兹脉冲链时域信号经过傅里叶变换得到太赫兹光梳，比对带测样品架上样品放置前后光梳的精准变化，得到待测物质的光谱吸收率。
所述实现对太赫兹脉冲链的探测的方法为：确定所需太赫兹脉冲链中太赫兹脉冲的具体数量，向铷原子频标设定对应的时间，即可通过数字转换器测得一条完整的太赫兹链时域波形。
本发明的有益效果在于：本发明基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，避免了机械延时装置扫描耗时过长的弊端，同时保持信号的高信噪比；此外，光梳高精度的梳齿宽度，避免了太赫兹超连续光谱由于激光脉冲时间抖动造成的不精确性，提高了太赫兹光谱吸收率测试精准度；操作简单，适用性强。
附图说明
图1为本发明基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置示意图；
图2为本发明装置实施例示意图；
图3为本发明装置得到的单太赫兹脉冲波形以及傅里叶变换得到的连续光谱与太赫兹脉冲链波形以及傅里叶变换得到的太赫兹光梳对比示意图。
具体实施方式
以两束带有微小重复频率差的超快激光脉冲，一束通过太赫兹波产生系统，产生太赫兹波，太赫兹波信号与另一束超快激光脉冲分别聚焦并共同入射到光电导探测天线中，利用泵浦光束和探测光束微小的重复频率差，实现对太赫兹波的快速扫描，通过互相关仪和铷原子频标对数字转换器进行控制，增加采集信号的时间以得到连续太赫兹脉冲链的时域光谱，通过傅里叶变换得到太赫兹梳状光谱即太赫兹光梳。
如图1为本发明基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置示意图，采用打孔抛物面镜对太赫兹波和探测光束合束，实现方案，装置由铷原子频标1，激光器控制系统2，激光器移动平台3，第一激光光源4，第二激光光源5，和频互相关仪6，太赫兹波产生系统7，第一离轴抛物面镜8，待测样品架9，第二离轴抛物面镜10，第一反射镜11，第二反射镜12，第一聚焦透镜13，光电导天线探测端14，电信号前置放大器15，数字转换器16组成。激光器控制系统2控制两个激光光源4和5工作，两个激光光源4和5由激光器移动平台3控制位置，以第一激光光源4发出的激光脉冲作为泵浦光束进入太赫兹波产生系统7，辐射出发散状的太赫兹波，经第一离轴抛物面镜8会聚后变成平行的太赫兹波，经过带测样品架9后，经第二离轴抛物面镜10反射并聚焦到光电导天线探测端14上。第二激光光源5发出的激光的脉冲重复频率与第一激光光源4存在一个微小的重复频率差(比如激光光源的重复频率为250，000，050Hz和250，000，000Hz，重复频率差为50Hz，大于106倍)，第二激光光源5发出的超快脉冲激光依次经过第一反射镜11，第二反射镜12后作为探测光束，经过第一聚焦透镜13聚焦。第一聚焦透镜13与第二离轴抛物面镜10共焦，聚焦的探测光束与经第二离轴抛物面镜10反射并聚焦的太赫兹波焦点重合。共同打在光电导天线探测端14上，根据光电导天线的作用原理，光电导天线探测端输出的电信号强度正比于太赫兹波的电场强度，由此可以直接探测到太赫兹波的时域信号。同时第一激光光源4和第二激光光源5各自通过光纤，将少量输出激光分别射入和频互相关仪6，用输出信号触发数字转换器16开始接收经电信号前置放大器15放大过的光电导天线探测端14上的太赫兹波时域信号；激光器控制系统2与数字转换器16共用一个铷原子频标1，实现对太赫兹脉冲链，即多个连续太赫兹波的时域信号的探测。将得到的太赫兹脉冲链时域信号经过傅里叶变换得到太赫兹光梳。实验时向待测样品架中放入待测样品薄片，比对样品放置前后光梳的精准变化，即可得到该样品基于太赫兹光梳的太赫兹吸收谱线。
如图2装置实施例示意图，以第一激光器和第二激光器的输出光中心波长为1550nm，脉冲宽度为50fs，重复频率重复频率分别为250，000，050Hz和250MHz，两个激光器频率差50Hz，峰值脉冲功率500mW，光电导天线产生太赫兹辐射为例，具体实现测得基于太赫兹光梳的物质光谱吸收率的过程如下：由铷原子频标1(准确度5×10-11)，激光器控制系统2，激光器移动平台3，第一激光光源4，第二激光光源5，互相关仪6(和频)，太赫兹波产生系统7，第一离轴抛物面镜8(f＝152.4mm)，待测样品架9，第二离轴抛物面镜10(f＝152.4mm)，第一反射镜11，第二反射镜12，第一聚焦透镜13(f＝50mm)，光电导天线探测端14(低温分子束外延生长的GaAs制备)，电信号前置放大器15，数字转换器16组成。两个精准控制的锁模激光光源，第一激光光源4发出的超快脉冲激光作为泵浦光束进入太赫兹波产生系统7。第二激光光源5发出的超快脉冲激光依次经过第一反射镜11，第二反射镜12后作为探测光束用以对太赫兹波进行探测；泵浦光束进入太赫兹波产生系统7，经第二聚焦透镜7(1)(f＝50mm)会聚到光电导天线发射端7(2)，产生锥状辐射的太赫兹波，经第一离轴抛物面镜8后变成平行的太赫兹波，经过带测样品架9后，经第二离轴抛物面镜10反射并聚焦到光电导天线探测端14上。探测光束通过第一聚焦透镜13，与经第二离轴抛物面镜10聚焦的太赫兹波焦点重合，共同打到光电导天线探测端14上，光电导天线探测端14输出的电信号强度正比于太赫兹波的电场强度；第一激光光源4和第二激光光源5发出的超快脉冲激光的脉冲重复频率有50Hz重复频率差值，从开始探测太赫兹信号到停止探测，共经过两束激光脉冲周期的整数倍时间，实现对太赫兹波时域信号的探测；光电导天线探测端14输出的电信号经过电信号前置放大器15后输出给数字转换器16测得太赫兹波的时域信号；第一激光光源4和第二激光光源5各自通过光纤，将少量输出激光分别射入和频互相关仪6，用输出信号触发数字转换器16开始接收时域信号；激光器控制系统3与数字转换器16共用一个铷原子频标1，实现对太赫兹脉冲链，即连续多个太赫兹波的时域信号的探测。通过调节一次完整取样的时间窗口宽度即可得到长度可控的连续多个太赫兹波时域信号图，经过傅里叶变换得到对应的太赫兹光梳，比对样品放置前后光梳的精准变化，得到待测物质的光谱吸收率。
如图3所示装置得到的单太赫兹脉冲波形以及傅里叶变换得到的连续光谱与太赫兹脉冲链波形以及傅里叶变换得到的太赫兹光梳对比示意图。只需选择好适当的太赫兹脉冲链的连续脉冲数量，向铷原子频标设定好对应的时间，即可通过数字转换器测得一条完整的太赫兹链时域波形，再通过傅里叶变换，得到太赫兹光梳。所取太赫兹脉冲链越长，所得到的太赫兹吸收谱的测试精准度越高。
Claims (2)
1.一种基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，其特征在于，激光器控制系统控制两个激光光源工作，第二激光光源发出的激光的脉冲重复频率与第一激光光源发出的激光的脉冲重复频率有一个设定重复频率差，第一激光光源发出的激光脉冲作为泵浦光束进入太赫兹波产生系统，辐射出发散状的太赫兹波，经第一离轴抛物面镜会聚后变成平行的太赫兹波，经过带测样品架后，经第二离轴抛物面镜反射并聚焦到光电导天线探测端上；第二激光光源发出的超快脉冲激光依次经过反射镜组后作为探测光束，经过第一聚焦透镜聚焦，第一聚焦透镜与第二离轴抛物面镜共焦，聚焦的探测光束与经第二离轴抛物面镜反射并聚焦的太赫兹波焦点重合，共同打在光电导天线探测端上，光电导天线探测端上的电信号经过前置放大器放大后送数字转换器，测得太赫兹波的时域信号；同时第一激光光源和第二激光光源另通过其它通道输出激光到和频互相关仪，和频互相关仪输出信号触发数字转换器接收太赫兹波的时域信号；激光器控制系统与数字转换器共用一个铷原子频标，实现对太赫兹脉冲链的探测，太赫兹脉冲链为多个连续太赫兹波的时域信号，所得太赫兹脉冲链时域信号经过傅里叶变换得到太赫兹光梳，比对带测样品架上样品放置前后光梳的精准变化，得到待测物质的光谱吸收率。
2.根据权利要求1所述基于太赫兹光梳提高光谱吸收率测试精准度的装置，其特征在于，所述实现对太赫兹脉冲链的探测的方法为：确定所需太赫兹脉冲链中太赫兹脉冲的具体数量，向铷原子频标设定对应的时间，即可通过数字转换器测得一条完整的太赫兹链时域波形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |