CN107167241A - 太赫兹光谱成像系统及其快速扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超快光电子学和太赫兹光子学领域，具体的讲是一种利用电光调制单纵模连续激光实现飞秒激光光源重复频率精密调节，从而实现太赫兹时域电场快速扫描的方法。该方法由重复频率可通过电光调制作用进行调节的飞秒脉冲产生装置、分束器、太赫兹产生装置、太赫兹收集模块、太赫兹探测装置组成，完成太赫兹时域电场的快速扫描。该方法利用主动式精密电光调制取代传统激光腔长调节，达到对飞秒激光光源重复频率的调节，不仅提高激光光源重复频率调节精度与范围，更简化了太赫兹时域电场扫描的操作复杂度，从而极大提高太赫兹系统的环境适应性，是一种实时、主动式太赫兹光谱成像方法与仪器。
Description
技术领域
本发明涉及超快光电子学和太赫兹光子学领域，具体的讲是一种利用电光调制连续激光实现飞秒激光光源重复频率精密调节，从而实现太赫兹时域电场快速扫描的方法，是一种实时、主动式太赫兹光谱成像方法。
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。太赫兹光谱成像技术在生物医学成像、物质成份检测和鉴定方面具有重要应用价值。但目前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。
目前常用的太赫兹时域扫描方法主要是：基于机械平移台的采样探测；异步光学采样探测方法；基于光纤延迟线的采样探测。这几种方法各有其弊端。
基于机械平移台的采样探测具有时间精度高的优点，但由于其机械惯性，其扫描速度受到限制。因此，较难实现太赫兹快速扫描。
异步光学采样探测不需要机械式延迟导轨，不用确定零时间点，并且，这种方法的测量精度和分辨率大幅度提高。但是，此方法需要两台重复频率精确锁定并具有一定差值的飞秒激光光源，此光源对工作环境要求高，系统复杂，并且成本高，不利于走向实用化。
基于光纤延迟线的采样探测，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，光纤的长度抖动也会带来采样时间的抖动,给电场的扫描带来不利因素。
发明内容
本发明的目的是针对目前太赫兹时域扫描存在的不足，提出一种基于精密电光调制作用实现太赫兹时域电场快速扫描的方法，在此基础上完成太赫兹光谱成像过程。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种太赫兹光谱成像系统，其包括：
飞秒脉冲产生装置，用于输出重复频率锁定且可主动调节的飞秒脉冲；
分束器，用于将所述飞秒脉冲进行分束；
太赫兹产生装置，用于产生太赫兹脉冲；
太赫兹收集装置，用于收集太赫兹脉冲；
太赫兹探测装置，用于对所述太赫兹脉冲的时域电场进行探测。
作为优选方案，所述飞秒脉产生装置包括：
电脉冲产生模块，用于将信号源输出的频率为f的电信号作用到阶跃恢复二极管，在负载上输出重复频率为f、脉冲宽度为阶跃二极管阶跃时间t的电脉冲信号；
连续激光光源；
强度调制模块，用于将所述连续激光光源输出的单纵模连续激光调制成输出重复频率与所述电脉冲信号的重复频率相同，脉冲宽度与所述电脉冲信号的宽度相似的激光脉冲信号；
多级级联放大模块，用于将所述激光脉冲信号的激光功率进行放大；
非线性放大模块，用于将在多级级联放大后的激光脉冲信号的光谱宽度和能量进行放大；
脉宽压缩模块，用于将在非线性放大后的激光脉冲信号的脉冲宽度进行压缩至飞秒级。
作为优选方案，所述阶跃时间t为皮秒级。
作为优选方案，所述连续激光光源为单纵模CW激光器、半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
作为优选方案，所述强度调制模块为电光调制器、MZI调制器或半导体调制器。
作为优选方案，所述多级级联放大模块为光纤放大器、固体放大器、薄片激光器、陶瓷放大器中的一种。
所述多级级联放大和非线性放大的方法均为分离脉冲放大，啁啾脉冲放大，自相似放大，孤子放大，高阶色散补偿的非线性放大，以及这些方法的组合等。
一种基于前所述的太赫兹光谱成像系统的快速扫描方法，其包括如下步骤：
将飞秒脉冲产生装置输出的飞秒脉冲激光利用分束器分束成两束激光，记为第一激光束和第二激光束；
将所述第一激光束照射在光电导天线或电光晶体上，产生太赫兹脉冲；
利用太赫兹收集装置将所述太赫兹脉冲进行收集，并输入至太赫兹探测装置中；
将所述第二激光束作为参考光，耦合到光纤中以达到空间距离的偏移，使得光束中的参考光与太赫兹脉冲偏离a个脉冲信号；
改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒脉冲激光的重复频率进行主动调节，改变参考光与太赫兹脉冲的时间延时，完成对太赫兹脉冲的取样过程，实现太赫兹脉冲时域扫描。
作为优选方案，所述飞秒脉冲激光的生成方法为：
利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将所述电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出重复频率为f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t的电脉冲信号；
将连续激光光源输出的单纵模连续激光输入强度调制模块，利用所述电脉冲信号对强度调制模块进行调制，输出重复频率与电脉冲信号的重复频率相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号；
将所述激光脉冲信号进行功率调节、脉冲宽度调节和能量调节后，得到飞秒脉冲激光。
作为优选方案，所述激光脉冲信号的功率调节是通过多级级联放大模块实现的。
作为优选方案，所述激光脉冲信号的脉冲宽度和能量的调节是通过非线性放大模块和脉宽压缩模块实现的。
以上对激光脉冲进行展宽与放大的过程可以采用多种方式，亦可改变顺序，如放大同时展宽，预先放大后展宽再放大等。
放大器的种类可以为光纤(保偏，Faraday Mirror+单模),固体,thin disk,ceramic，CPA，分离脉冲放大，啁啾脉冲放大，自相似放大，孤子放大，高阶色散补偿的非线性放大，以及这些方法的组合等。通过调节信号源输出电信号的重复频率f，可实现对该飞秒激光重复频率的主动调节，该输出电信号重复频率的变化可以为连续变化、快速变化、慢速变化、阶跃式变化、多脉冲递增式变化等变化模式，亦可为多种变化模式的组合形式。
太赫兹产生装置是指利用飞秒激光泵浦源泵浦光电导天线或电光晶体，产生太赫兹脉冲的装置。将重频锁定且可主动调节的飞秒激光脉冲输入分束器，将激光脉冲分为两束，其中一束照射在光电导天线或电光晶体上，产生太赫兹辐射，通过太赫兹收集模块将产生的太赫兹脉冲收集并输入探测器件。
太赫兹探测装置指将分出来的另一束激光作为参考光来探测产生的太赫兹脉冲，并通过重复频率调节实现太赫兹脉冲的取样装置。通过空间距离的偏移使得光束中的参考光与太赫兹脉冲偏离a个脉冲，改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒激光光源重复频率进行调节，从而改变参考光与太赫兹脉冲的时间延时，完成对太赫兹脉冲的取样过程，实现太赫兹脉冲时域扫描。由于电信号重复频率的变化是多种形式的，因此，该扫描取样过程可以为连续扫描，快速扫描，慢速扫描，随机扫描，编程扫描，多个脉冲递增式扫描，阶跃式扫描，亦可是多个扫描模式的组合。
参考光对太赫兹脉冲进行取样探测的技术原理为：飞秒脉冲产生装置输出激光脉冲的重复频率为f1，通过精密电光调制作用使其重复频率变化为△f。由于参考光与太赫兹脉冲经过不同的空间光程后相互作用，当太赫兹波的第j个脉冲作用到探测器件上时，参考光的第j-a个脉冲同时作用到探测器件上。而由于激光重复频率改变△f而引起的两个脉冲之间的时间延时△τ表示为；
此时需要的空间光程长度l1表示为：
当参考光与太赫兹脉冲的空间光程差l1确定，由于△f《f，两脉冲之间时间延时可以表示为：
其中，c0表示光的传播速度，n表示介质折射率。在扫描过程中，由于激光器的重复频率可通过信号源连续调节，通过△f的连续变化，可以改变所扫描两个脉冲之间的延时，从而实现参考光对太赫兹脉冲的取样。
以飞秒脉冲重复频率f1＝100MHz，参考光与太赫兹脉冲空间距离相差l1＝30m，c0＝3×108m/s，n＝1为例，参考光与太赫兹脉冲作用到探测装置的时间延时为△τ＝10-15△f(s)。当激光器重复频率改变100Hz，即△f＝100时，作用到探测装置的参考光与太赫兹脉冲时间间隔为100fs。因此，参考光对太赫兹脉冲的取样精度由激光器重复频率改变量决定，取样时间间隔与激光器重复频率改变量呈线性关系。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、扫描范围广：由于飞秒激光光源的重复频率由信号源的输出频率决定，因此重复频率调节范围从mHz到MHz量级；
2、扫描准确度高：用精密电信号调制代替机械延迟线，大大减小了扫描过程中引入的误差，提高了扫描准确度；
3、取样精度高：扫描过程中的取样精度由重复频率改变量决定，电光调制过程的精度变化可以在mHz量级，因此，相比传统方法，太赫兹扫描过程中的取样精度大大提高；
4、系统稳定性高：与异步采样相比，精密电光调制的使用使得系统稳定性增强，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
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的快速扫描方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
如图1所示，飞秒脉冲产生装置01输出重复频率可通过电光调制器锁定并进行主动调节的飞秒激光脉冲。利用分束器02将激光脉冲分束，其中照射在光电导天线或电光晶体03，产生太赫兹辐射，通过太赫兹收集模块04(一组抛物面镜)将产生的太赫兹脉冲收集并输入太赫兹探测装置05；将另一束激光作为参考光耦合到长度为几十米的光纤以达到空间距离的偏移，使得光束中的参考脉冲与太赫兹脉冲偏离a个脉冲信号。改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒激光光源重复频率进行调节，通过探测参考脉冲与太赫兹脉冲的频率扫描采集到太赫兹脉冲信号，实现太赫兹脉冲时域扫描。
图1中，飞秒脉冲产生装置01输出重复频率为f，脉冲宽度在fs量级的飞秒激光脉冲。其中，101为电脉冲产生模块，其中利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将此电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出时域间隔为T＝1/f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t(ps量级)的电脉冲信号。102为连续激光光源，输出连续激光到强度调制器103，强度调制器103由电脉冲产生装置101输出的ps量级电脉冲信号调制，从而得到脉冲宽度与电脉冲宽度相似、重复频率与信号源输出频率一致的激光脉冲信号。连续激光光源104、107，波分复用器105、108，增益光纤106、109组成多级级联放大模块，对强度调制器103输出的激光脉冲进行放大。放大后的激光脉冲输入光谱展宽模块110，展宽光谱。然后输入由连续激光光源111、波分复用器112、非线性增益光纤113组成的非线性放大模块，对激光功率进一步放大。最后将激光脉冲输入脉宽压缩模块114，实现对激光脉宽压缩，得到脉冲宽度在fs量级的激光光源。该fs激光光源重复频率精确锁定为f。
图1中，04为太赫兹收集模块，由一对离轴抛物面镜组成，完成对太赫兹波的收集作用。
图1中，05为太赫兹探测装置，由一定长度光纤501和光电导天线502组成。一定长度光纤501在光路中的作用使太赫兹脉冲与参考脉冲具有不同的光程差，以达到参考脉冲与太赫兹脉冲的偏离。
在上述基础上，改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒激光光源重复频率进行调节，通过探测参考脉冲与太赫兹脉冲的频率扫描采集到太赫兹脉冲信号，实现太赫兹脉冲时域扫描。
以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，本发明的范围不仅限于上述实施例所描述的范围。
例如，图1中的实施例是太赫兹光谱仪，而该基于精密电光调制的太赫兹信号扫描取样方法同样可适用于使用此扫描方法的太赫兹成像仪、太赫兹光谱成像仪等各种太赫兹探测装置。
图2为该发明快速扫描方法流程图，虚线代表电信号，实现代表光信号，箭头方向表示电信号、光信号传播方向。该扫描方法实现流程如下：首先，确定强度调制器频率为一特定频率，此时，产生的飞秒激光重复频率与该频率一致；利用此飞秒激光分束，一束产生太赫兹脉冲，照射在太赫兹探测装置；另一束经过不同的空间路径到达太赫兹探测装置；太赫兹脉冲对探测脉冲产生一定影响，探测装置输出一电压信号到取样扫描装置，此电压信号由太赫兹脉冲与探测脉冲的延时差异决定；将此电压信号取样后反馈给强度调制器，改变强度调制器的频率，从而改变飞秒激光重复频率，此时到达太赫兹探测装置的太赫兹脉冲与激光脉冲延时差异发生变化，输出表示太赫兹脉冲某一时域信息的电压信号，并通过取样完成电压信号的记录。重复以上过程，以达到对整个太赫兹时域信息的取样扫描。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种太赫兹光谱成像系统，其特征在于，包括：
飞秒脉冲产生装置，用于输出重复频率锁定且可主动调节的飞秒脉冲；
分束器，用于将所述飞秒脉冲进行分束；
太赫兹产生装置，用于产生太赫兹脉冲；
太赫兹收集装置，用于收集太赫兹脉冲；
太赫兹探测装置，用于对所述太赫兹脉冲的时域电场进行探测。
2.如权利要求1所述的太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述飞秒脉冲产生装置包括：
电脉冲产生模块，用于将信号源输出的频率为f的电信号作用到阶跃恢复二极管，在负载上输出重复频率为f、脉冲宽度为阶跃二极管阶跃时间t的电脉冲信号；
连续激光光源；
强度调制模块，用于将所述连续激光光源输出的单纵模连续激光调制成输出重复频率与所述电脉冲信号的重复频率相同，脉冲宽度与所述电脉冲信号的宽度相似的激光脉冲信号；
多级级联放大模块，用于将所述激光脉冲信号的激光功率进行放大；
非线性放大模块，用于将在多级级联放大后的激光脉冲信号的光谱宽度和能量进行放大；
脉宽压缩模块，用于将在非线性放大后的激光脉冲信号的脉冲宽度进行压缩至飞秒级。
3.如权利要求2所述的太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述阶跃时间t为皮秒级。
4.如权利要求2所述的太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述连续激光光源为单纵模CW激光器、半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
5.如权利要求2所述的太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述强度调制模块为电光调制器、MZI调制器或半导体调制器。
6.如权利要求2所述的太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述多级级联放大模块和非线性放大模块均为光纤放大器、固体放大器、薄片激光器、陶瓷放大器中的一种；
所述多级级联放大和非线性放大的方法均为分离脉冲放大、啁啾脉冲放大、自相似放大、孤子放大、高阶色散补偿的非线性放大中的至少一种。
7.一种基于权利要求1～6中任意一项所述的太赫兹光谱成像系统的快速扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：
将飞秒脉冲产生装置输出的重复频率可主动调节的飞秒脉冲激光利用分束器分束成两束激光，记为第一激光束和第二激光束；
将所述第一激光束照射在光电导天线或电光晶体上，产生太赫兹脉冲；
利用太赫兹收集装置将所述太赫兹脉冲进行收集，并输入至太赫兹探测装置中；
将所述第二激光束作为参考光，耦合到光纤中以达到空间距离的偏移，使得光束中的参考光与太赫兹脉冲偏离a个脉冲信号；
改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒脉冲激光的重复频率进行主动调节，改变参考光与太赫兹脉冲的时间延时，完成对太赫兹脉冲的取样过程，实现太赫兹脉冲时域扫描。
8.如权利要求7所述的快速扫描方法，其特征在于，所述飞秒脉冲激光的生成方法为：
利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将所述电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出重复频率为f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t的电脉冲信号；
将连续激光光源输出的单纵模连续激光输入强度调制模块，利用所述电脉冲信号对强度调制模块进行调制，输出重复频率与电脉冲信号的重复频率相同，脉冲宽度与电脉冲信号宽度相似的激光脉冲信号；
将所述激光脉冲信号进行功率调节、脉冲宽度调节和能量调节后，得到飞秒脉冲激光。
9.如权利要求8所述的快速扫描方法，其特征在于，所述激光脉冲信号的功率调节是通过多级级联放大模块实现的。
10.如权利要求8所述的快速扫描方法，其特征在于，所述激光脉冲信号的脉冲宽度和能量的调节是通过非线性放大模块和脉宽压缩模块实现的。
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