CN107144545A - 全光纤式太赫兹时域光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光纤式太赫兹时域光谱仪。全光纤式太赫兹时域光谱仪，包括：光纤激光器，用于提供飞秒激光脉冲；全光纤传输模块，包括多段传输光纤；飞秒激光脉冲能够完全在传输光纤中传输且保持飞秒激光脉冲的偏振方向不变，分束器，用于将飞秒激光脉冲进行分束，并分别通过传输光纤对应输出泵浦光和探测光；太赫兹辐射模块，用于接收在传输光纤中传输的泵浦光并辐射出太赫兹波；以及太赫兹探测模块，用于接收在传输光纤中传输的探测光并探测太赫兹波。上述全光纤式太赫兹时域光谱仪能够保证光纤激光器辐射出的飞秒激光脉冲全程都在传输光纤中传输，即使有外界环境的变动也能保证光谱仪性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱技术领域，特别是涉及全光纤式太赫兹时域光谱仪。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10太赫兹(Tera Hertz，THz)，波长范围0.03～30mm之间的电磁辐射，其波段位于微波与红外之间，是宏观电子学向微观光子学的过渡区域，由于缺乏有效的产生和探测手段一直未能得到较好的利用。太赫兹在电磁波谱的位置比较特殊导致其有许多独特性质：太赫兹波段光子的能量约为1～10meV，不会对生物组织产生有害的电离辐射，相较于可见光与红外光谱，其穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响可用于生物成像、医疗诊断等；太赫兹辐射具有相干性，能够直接得到所测物质的振幅和相位信息从而计算所测物质的折射率与吸收系数等；许多生物大分子的振动和转动频率都处在太赫兹频段，所以利用太赫兹辐射可以对生物分子进行指纹识别，从而检测物质结构的微小差异；太赫兹辐射很容易透过非金属和非极性材料可以用于透过包装材料用于生产中的质量控制和出入镜的安检等等。
目前的太赫兹时域光谱仪或多或少的都需要部分飞秒激光脉冲在自由空间中传输，稍微的抖动或者激光光源的不稳定就容易导致飞秒激光脉冲光线的偏折，而产生太赫兹辐射又需要飞秒激光脉冲较为精确的辐射在光电导天线的间隙，这就导致了太赫兹光谱仪稳定性较差。
发明内容
基于此，有必要针对太赫兹光谱仪稳定性较差问题，提供一种能够避免飞秒激光脉冲在自由空间的传播从而大大提升稳定性的全光纤式太赫兹时域光谱仪。
一种全光纤式太赫兹时域光谱仪，包括：
光纤激光器，用于提供飞秒激光脉冲；
全光纤传输模块，包括多段传输光纤；所述飞秒激光脉冲能够完全在所述传输光纤中传输且保持所述飞秒激光脉冲的偏振方向不变，
分束器，用于将所述飞秒激光脉冲进行分束，并分别通过所述传输光纤对应输出泵浦光和探测光；
太赫兹辐射模块，用于接收在所述传输光纤中传输的所述泵浦光并辐射出太赫兹波；以及
太赫兹探测模块，用于接收在所述传输光纤中传输的所述探测光并探测所述太赫兹波。
上述全光纤式太赫兹时域光谱仪能够保证光纤激光器辐射出的飞秒激光脉冲全程都在传输光纤中传输，即使有外界环境的变动也能保证光谱仪性能的稳定性。同时，相对于传统的或多或少的需要飞秒激光脉冲在自由空间中传输的太赫兹光谱仪其搭建光线传输路径更简单快速，因为不需要反复调整反射镜的位置以及俯仰度以达到飞秒激光脉冲光线的调整。
在其中一个实施例中，还包括光纤偏振控制器，通过所述传输光纤分别与所述光纤激光器、分束器连接，用于改变缠绕在所述光纤偏振控制器上所述传输光纤中传输的所述飞秒激光脉冲的偏振态。
在其中一个实施例中，还包括光学衰减器，通过所述传输光纤分别与所述光纤激光器、光纤偏振控制器6连接，用于衰减所述飞秒激光脉冲的光功率。
在其中一个实施例中，所述太赫兹辐射模块包括偏置电压模块和光电导辐射天线；
所述偏置电压模块用于给所述光电导辐射天线提供偏置电压；
所述光电导辐射天线接收所述泵浦光，并在所述偏置电压的驱动下辐射出所述太赫兹波。
在其中一个实施例中，所述太赫兹辐射模块还包括第一色散补偿光纤；
所述第一色散补偿光纤通过所述传输光纤与所述分束器连接，用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤中传输引起的色散效应。
在其中一个实施例中，所述太赫兹探测模块包括延时线装置、光电导探测天线和锁相放大器模块；
所述延时线装置通过所述传输光纤与所述分束器连接，用于调节所述泵浦光与探测光之间的相对延时；
所述光电导探测天线用于将根据接收的所述探测光产生光生载流子，并同时接收所述太赫兹波；
所述锁相放大器模块用于采集所述光电导探测天线探测到的所述太赫兹波。
在其中一个实施例中，所述延时线装置为光纤延迟线。
在其中一个实施例中，所述太赫兹探测模块包括第二色散补偿光纤，所述第二色散补偿光纤通过所述传输光纤分别与所述延时线装置、光电导探测天线连接；
所述第二色散补偿光纤用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤中传输引起的色散效应。
在其中一个实施例中，还包括光纤匹配套管，设置在所述传输光纤的连接处，用于连接相邻设置的两段所述传输光纤。
在其中一个实施例中，所述传输光纤为保偏光纤，用于传输所述飞秒激光脉冲，并保持所述飞秒激光脉冲的线偏振方向不变。
附图说明
图1为一个实施例中全光纤式太赫兹时域光谱仪的结构示意图。
其中，光纤激光器1、光纤接头2、多段保偏光纤3、光纤匹配套管44、光学衰减器5、光纤偏振控制器6、分束器7、第一色散补偿光纤8、光电导辐射天线9、偏置电压模块10、光纤延迟线11、光电导探测天线13和锁相放大器模块14。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为为一个实施例中全光纤式太赫兹时域光谱仪的结构示意图。本分发明实施例提供一种全光纤式太赫兹时域光谱仪，包括光纤激光器1、全光纤传输模块、分束器7、太赫兹辐射模块和太赫兹探测模块。其中，光纤激光器1用于提供飞秒激光脉冲；全光纤传输模块包括多段传输光纤3，所述飞秒激光脉冲能够完全在所述传输光纤3中传输且保持所述飞秒激光脉冲的偏振方向不变。分束器7用于将所述飞秒激光脉冲进行分束，并分别通过所述传输光纤3对应输出泵浦光和探测光。太赫兹辐射模块用于接收在所述传输光纤3中传输的所述泵浦光并辐射出太赫兹波。太赫兹探测模块用于接收在所述传输光纤3中传输的所述探测光并探测所述太赫兹波。
上述全光纤式太赫兹时域光谱仪能够保证光纤激光器1辐射出的飞秒激光脉冲全程都在传输光纤3中传输，即使有外界环境的变动也能保证光谱仪性能的稳定性。同时，相对于传统的或多或少的需要飞秒激光脉冲在自由空间中传输的太赫兹光谱仪其搭建光线传输路径更简单快速，因为不需要反复调整反射镜的位置以及俯仰度以达到飞秒激光脉冲光线的调整。
在一个实施例中，光纤激光器1用于提供飞秒激光脉冲。其中，光纤激光器1辐射出脉宽小于100fs、功率大于100mW、中心波长1560nm、重复频率100MHz的飞秒激光脉冲。光纤激光器1的光纤输出端设有光纤接头2。
在一个实施例中，所述全光纤传输模块的传输光纤3为保偏光纤，用于传输所述飞秒激光脉冲，并保持所述飞秒激光脉冲的线偏振方向不变。其中，每一段传输光纤3的连接处均设有光纤接头2。保偏光纤是在单模光纤的基础上，在工艺上添加了应力，使得保偏光纤出现类似的应力双折射现象，保偏光纤径向不再是各项同性，产生了晶体光学中的快慢轴。这样飞秒激光脉冲在保偏光纤中传播近似于线偏振光，实现光纤保偏。由于激光器辐射的飞秒脉冲是水平偏振的线偏振光，在没有其他光学器件的影响下，其保偏光纤能够保证传输的飞秒激光脉冲的线偏振方向不发生变化，进而提高脉冲激光的相干信噪比。
在一个实施例中，全光纤式太赫兹时域光谱仪还包括光纤偏振控制器6，通过所述传输光纤3分别与所述光纤激光器1、分束器7连接，用于改变缠绕在所述光纤偏振控制器6上所述传输光纤3中传输的所述飞秒激光脉冲的偏振态。
具体地，光纤偏振控制器6可以为三浆偏振控制器，三浆偏振控制器包括三个独立的线轴，三浆偏振控制器使用应力引起的双折射来产生独立的波片而改变传输光纤3中的飞秒激光脉冲的偏振方向。三个分数波片是通过沿着三个独立的线轴环绕光纤而产生的。对于预装光纤的偏振控制器，使用在设计波长时的三个桨类似于一个四分之一波片、半波片和四分之一波片。传输光纤3的快轴在线轴平面，可通过旋转桨得到任意的输入偏振方向，来改变传输光线中的飞秒激光脉冲的偏振态。三浆偏振控制器能够实现线线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光之间转换。三浆偏振控制器配合分束器7使用，可以调节分束器7的分束比例。
可选地，光纤偏振控制器6还可以为微型双桨偏振控制器。可以根据实际需求选择合适的光纤偏振控制器6。
在一个实施例中，分束器7包括方解石棱镜和保偏光纤3，能够将经光纤偏振控制器6处理后含有正交线偏振光的飞秒激光脉冲经方解石棱镜分束成泵浦光和探测光，分束后的泵浦光和探测光分别经所述保偏光纤对应传输至太赫兹辐射模块和太赫兹探测模块。若不调节光纤偏振控制器6时，光纤激光器1辐射的飞秒激光脉冲为水平偏振光，其输入至分束器7的飞秒激光脉冲的偏振方向与传输光纤3的快轴平行时，其分束后，泵浦光和探测光的功率比为1:0或0:1。由于太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块所需要的飞秒激光脉冲光功率并不相同，且光纤激光器1辐射的脉冲功率又超出了太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块所承载的额定功率，需要能自由灵活的调整入射的激光飞秒脉冲的功率以及脉冲光功率的分束比例。可以通过调节光纤偏振控制器6改变水平偏振的飞秒激光脉冲的偏振态，从而改变入射飞秒激光脉冲的偏振方向，使其与传输光纤3的快慢轴具有一定的夹角，从而改变浦光光、探测光的功率比。
在一个实施例中，全光纤式太赫兹时域光谱仪还包括光学衰减器5，通过所述传输光纤3分别与所述光纤激光器1、光纤偏振控制器6连接，用于衰减所述飞秒激光脉冲的光功率。可以根据后续太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块额定功率范围衰减飞秒激光脉冲的光功率，进而保护其太赫兹辐射模块、太赫兹探测模块，避免被烧坏。具体地，光纤衰减器5为光纤器件，光纤衰减器5也设有传输光纤3。
在一个实施例中，太赫兹辐射模块包括偏置电压模块10和光电导辐射天线9。其中，所述偏置电压模块10用于给所述光电导辐射天线9提供偏置电压；所述光电导辐射天线9接收所述泵浦光，并在所述偏置电压的驱动下辐射出所述太赫兹波。
具体地，光电导辐射天线9由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成宽100微米的带状天线。当泵浦光辐射在天线间隙中间时会产生光生载流子，并在偏置电压的驱动下辐射出太赫兹波，其中，偏置电压小于120V，以保护光电导辐射天线9不会被击穿。
在一个实施例中，太赫兹辐射模块还包括第一色散补偿光纤8，所述第一色散补偿光纤8通过所述传输光纤3与所述分束器7连接，用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤3中传输引起的色散效应。其中，第一色散补偿光纤8的连接处设有光纤接头2。
具体地，第一色散补偿光纤8可以为空心光子晶体光纤。空心光子晶体光纤中加入了与传输光纤3中所需的色散相反符合的色散。空心光子晶体光纤的补偿特性可以被配置为：匹配并且消除多段传输光纤3长度和材料的色散特性。
在一个实施例中，所述太赫兹探测模块包括延时线装置11、光电导探测天线13和锁相放大器模块14。其中，所述延时线装置11通过所述传输光纤3与所述分束器7连接，用于调节所述泵浦光与探测光之间的相对延时；所述光电导探测天线13用于将根据接收的所述探测光产生光生载流子，并同时接收所述太赫兹波；所述锁相放大器模块14用于采集所述光电导探测天线13探测到的所述太赫兹波。
具体地，延时线装置11为光纤延时线，用于调节泵浦光与探测光之间的相对延时。光纤延时线工作波段为1560nm，光纤使用保偏模式，通过直流电机驱动进行扫描，可以达到空间上0.3微米的分辨率，也就是时间上1fs的时间分辨率，扫描范围可到500ps。光纤延时线11的两端连接处也设置有光纤接头2。
光电导探测天线13是由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成25微米长的蝴蝶状偶极天线。蝴蝶状偶极天线的间隙为10微米，当飞秒激光脉冲辐射在蝴蝶状偶极天线间隙中间产生光生载流子，并同时接受太赫兹脉冲，在太赫兹波的驱动下产生微弱的电流信号。
锁相放大器模块14包括前置放大器、锁相放大器和ADC数据采集卡。锁相放大器模块14用于采集在太赫兹波的驱动下产生微弱的电流信号，其电流信号经过前置放大器、锁相放大器、ADC数据采集卡采集最后在PC端显示出太赫兹脉冲信号。其中，锁相放大器还用于提供一个调制频率给偏置电压模块10，被调制的偏置电压施加在带状天线两端从而辐射出被调制的太赫兹波。
在一个实施例中，太赫兹探测模块包括第二色散补偿光纤12，所述第二色散补偿光纤12通过所述传输光纤3分别与所述延时线装置11、光电导探测天线13连接。所述第二色散补偿光纤12用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤3中传输引起的色散效应。其中，第二色散补偿光纤12的两端连接处也设置有光纤接头2。
具体地，第二色散补偿光纤12也可以为空心光子晶体光纤。空心光子晶体光纤中加入了与传输光纤3中所需的色散相反符合的色散。空心光子晶体光纤的补偿特性可以被配置为：匹配并且消除多段传输光纤3长度和材料的色散特性。
可选的，第二色散补偿光纤12还可以设置在延时线装置11与分束器7之间。
在一个实施例中，全光纤式太赫兹时域光谱仪还包括光纤匹配套管4。光纤匹配套管4设置在所述传输光纤3的连接处，用于连接相邻设置的两段所述传输光纤3，或者用于连接设有传输光纤3的光学器件，例如光纤激光器1、光纤偏振控制器6、光学衰减器5、光纤延迟线11、第一色散补偿光纤8、第二色散补偿光纤12等。光纤匹配套管4所使用是2.0mm精密窄槽口套管，适用于匹配连接FC/APC光纤接头2，通过光纤匹配套管4能够使飞秒激光脉冲可以更加稳定的与其他传输光纤3的接口连接。同时，光纤匹配套管4也能够保证飞秒激光脉冲的偏振特性。
在一个实施例中，全光纤式太赫兹时域光谱仪包括光纤激光器1、多段传输(保偏)光纤3、光纤匹配套管4、光学衰减器5、光纤偏振控制器6、分束器7、第一色散补偿光纤8、光电导辐射天线9、偏置电压模块10、光纤延迟线11、第二色散补偿光纤12、光电导探测天线13和锁相放大器模块14。
可以理解为：光纤激光器1辐射出脉宽小于100fs、功率大于100mW、中心波长1560nm、重复频率100MHz的飞秒激光脉冲，经过传输光纤3传输到达光纤匹配套管4转换到另一条光纤器件(光学衰减器5)中传输。其中，光纤匹配套管4使用的是2.0mm精密窄槽口套管，使得从此处辐射的飞秒激光脉冲可以更加稳定的与其他光纤接口连接。飞秒激光脉冲继续经过光学衰减器5和光纤偏振控制器6，其中，光学衰减器5和光纤偏振控制器6均通过螺丝固定。光学衰减器5和光纤偏振控制器6配合使用，用来调节分束器7的分束比例。由于光电导辐射天线9与光电导探测天线13所需要的脉冲光功率并不相同，且光纤激光器1辐射的飞秒激光脉冲功率又超出了光电导辐射天线9与光电导探测天线13所承载的额定功率，通过灵活的调整入射的飞秒激光脉冲的光功率以及脉冲光功率的分束比例对线与光电导探测天线13进行保护。飞秒激光脉冲继续经过分束器7分为泵浦光与探测光，泵浦光经过一段长度合适的第一色散补偿光纤8补偿后，经过自相关仪测试输出的激光脉宽后就可以通过光纤匹配套管4直接连接光电导辐射天线9辐射。探测光通过光纤匹配套管4连接光纤延时线，反射回来的探测光经过传输光纤3进入第二色散补偿光纤12补偿后经自相关仪测试后输入光电导探测天线13探测。耦合进入传输光纤3的飞秒激光脉冲辐射在光电导天线的间隙产生光生载流子，并在偏置电压模块10的偏置电压驱动下辐射太赫兹波，辐射出的太赫兹波与探测光同时作用在光电导探测天线13，产生的信号经过锁相放大器模块14采集。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，包括：
光纤激光器，用于提供飞秒激光脉冲；
全光纤传输模块，包括多段传输光纤；所述飞秒激光脉冲能够完全在所述传输光纤中传输且保持所述飞秒激光脉冲的偏振方向不变，
分束器，用于将所述飞秒激光脉冲进行分束，并分别通过所述传输光纤对应输出泵浦光和探测光；
太赫兹辐射模块，用于接收在所述传输光纤中传输的所述泵浦光并辐射出太赫兹波；以及
太赫兹探测模块，用于接收在所述传输光纤中传输的所述探测光并探测所述太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，还包括光纤偏振控制器，通过所述传输光纤分别与所述光纤激光器、分束器连接，用于改变缠绕在所述光纤偏振控制器上所述传输光纤中传输的所述飞秒激光脉冲的偏振态。
3.根据权利要求2所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，还包括光学衰减器，通过所述传输光纤分别与所述光纤激光器、光纤偏振控制器6连接，用于衰减所述飞秒激光脉冲的光功率。
4.根据权利要求1所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述太赫兹辐射模块包括偏置电压模块和光电导辐射天线；
所述偏置电压模块用于给所述光电导辐射天线提供偏置电压；
所述光电导辐射天线接收所述泵浦光，并在所述偏置电压的驱动下辐射出所述太赫兹波。
5.根据权利要求4所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述太赫兹辐射模块还包括第一色散补偿光纤；
所述第一色散补偿光纤通过所述传输光纤与所述分束器连接，用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤中传输引起的色散效应。
6.根据权利要求1所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述太赫兹探测模块包括延时线装置、光电导探测天线和锁相放大器模块；
所述延时线装置通过所述传输光纤与所述分束器连接，用于调节所述泵浦光与探测光之间的相对延时；
所述光电导探测天线用于将根据接收的所述探测光产生光生载流子，并同时接收所述太赫兹波；
所述锁相放大器模块用于采集所述光电导探测天线探测到的所述太赫兹波。
7.根据权利要求6所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述延时线装置为光纤延迟线。
8.根据权利要求6所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述太赫兹探测模块包括第二色散补偿光纤，所述第二色散补偿光纤通过所述传输光纤分别与所述延时线装置、光电导探测天线连接；
所述第二色散补偿光纤用于补偿所述飞秒激光脉冲在所述传输光纤中传输引起的色散效应。
9.根据权利要求1所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，还包括光纤匹配套管，设置在所述传输光纤的连接处，用于连接相邻设置的两段所述传输光纤。
10.根据权利要求1所述的全光纤式太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述传输光纤为保偏光纤，用于传输所述飞秒激光脉冲，并保持所述飞秒激光脉冲的线偏振方向不变。
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