CN108023272A - 太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一太赫兹量子级联激光器系统，包括直流源；与其连接的T型偏置器，用于将偏置信号提供给所述激光器，及耦合所述激光器的拍频信号并将该信号引出到环形器；或将偏置信号与射频信号叠加输入所述激光器；与T型偏置器一端连接的环形器，用于隔离射频、拍频信号；与环形器一端连接的频率检测装置，用于检测拍频信号频率；与环形器另一端连接的射频源，用于提供与拍频信号频率相等的射频信号；及与T型偏置器另一端连接的所述激光器，用于产生拍频信号及宽光谱的太赫兹波。通过本发明的太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法，解决了现有技术中太赫兹量子级联激光器的光谱范围较窄，无法快速准确地检测出被测气体样品特征谱的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率从100GHz到10THz，相应波长从3mm到3um范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波；从物理学看，THz波处于电子学向光子学的过渡区；从频域上看，THz波覆盖半导体以及等离子体的各特征能量、有机和生物大分子等的转动和振动能量、约50％的宇宙空间光子能量等；从应用角度看，THz波的频带宽、测量信噪比高、适合于信息领域的高空间和时间分辨率成像与信号处理、大容量与高保密的数据传输、射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等等；因此，THz波在国民经济及国家安全等方面有重大的应用价值。
THz辐射源是THz频段应用的关键器件，在众多THz辐射产生方式中，基于半导体的全固态THz量子级联激光器(THz QCL)，是一种只有电子参与的单极激光器，电子通过子带间跃迁辐射太赫兹波。作为一种重要的太赫兹波辐射源，THz QCL由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为本领域的研究热点。
由于许多分子和固体在太赫兹波段具有很强的特征谱，故太赫兹波可用于毒性气体等危化品的检测以及材料的表征。为了能够快速准确地识别被检测样品的特征谱，需要太赫兹辐射源具有较宽的光谱范围以及较高的光谱分辨率，因此，如何提高太赫兹辐射源的光谱范围及分辨率是目前亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法，用于解决现有技术中太赫兹量子级联激光器的光谱范围较窄，无法快速准确地检测出被测气体样品特征谱的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器系统，所述太赫兹量子级联激光器系统包括：
直流源，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统供电；
与所述直流源连接的T型偏置器，当射频源关闭时，用于将直流源提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器，以及耦合太赫兹量子级联激光器的拍频信号并将该拍频信号引出到环形器；当射频源开启时，用于将直流源提供的信号进行偏置，并将偏置信号与射频信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器；
与所述T型偏置器一端连接的环形器，用于隔离射频信号和拍频信号；
与所述环形器一端连接的频率检测装置，用于检测拍频信号的频率；
与所述环形器另一端连接的射频源，用于提供与所述拍频信号频率相等的射频信号；以及
与所述T型偏置器另一端连接的太赫兹量子级联激光器，当射频源关闭时，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；当射频源开启时，用于产生宽光谱的太赫兹波。
优选地，所述环形器与频率检测装置之间还连接有放大器，其中，所述放大器为低噪声放大器。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器采用长腔结构。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器的有源区为GaAs/AlGaAs多量子阱材料。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器采用液氦制冷或压缩机制冷。
优选地，所述太赫兹量子级联激光器系统采用高频传输线连接。
优选地，所述频率检测装置为频谱分析仪。
本发明还提供一种利用上述任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统产生宽光谱的方法，所述方法包括：
S11：射频源处于关闭状态，直流源通过T型偏置器将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器上；
S12：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器的阈值时，太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，产生拍频信号；
S13：T型偏置器耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到环形器，并通过环形器将所述拍频信号传输到频率检测装置；
S14：通过频率检测装置测得所述拍频信号的频率；
S15：开启射频源，对所述射频源进行设置，得到具有预设功率，频率为S14测得的所述拍频信号频率的射频信号，并通过环形器将所述射频信号传输到所述T型偏置器；
S16：T型偏置器将所述射频信号及偏置信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器，使所述太赫兹量子级联激光器相邻纵模之间的纵模间距锁定到射频信号的频率，实现太赫兹量子级联激光器的宽谱成谱。
优选地，S13中所述拍频信号经过环形器后，还经过放大器对其进行放大，之后传输到所述频率检测装置。
优选地，所述预设功率为20～30dBm。
优选地，所述拍频信号的频率与所述纵模间距相等。
优选地，所述偏置信号为电压信号或电流信号。
本发明还提供一种气体鉴定系统，所述气体鉴定系统包括：
如上述任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统；以及
与所述太赫兹量子级联激光器系统配合使用的光谱仪。
优选地，所述光谱仪为远红外傅里叶光谱仪。
本发明还提供一种利用上述任一项所述的气体鉴定系统实现的气体鉴定方法，所述气体鉴定方法包括：
S21：将待测气体样品放入光谱仪的样品腔里，使待测气体样品处在太赫兹光路中；
S22：通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得经过待测气体样品后的太赫兹光谱；
S23：通过将测得的太赫兹光谱与标准太赫兹光谱比对，得到待测气体样品的吸收谱；
S24：将待测气体样品的吸收谱与气体吸收谱线数据库比对，实现气体成分的鉴定。
优选地，所述标准太赫兹光谱的获得方法包括：在相同的测试条件下，通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得所述太赫兹波的光谱。
如上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法，具有以下有益效果：
1.通过向所述太赫兹量子级联激光器注入和拍频信号相同频率且具有一定预设功率的射频信号，将纵模间距锁定在射频信号的频率，进而拓宽所述太赫兹量子级联激光器的频率覆盖范围，实现光谱均匀展宽。
2.通过将所述太赫兹量子级联激光器设置为长腔结构，提高了所述太赫兹量子级联激光器的分辨率，并通过其有源区材料的选择，进一步增宽了太赫兹量子级联激光器的光谱范围。
3.通过具有高分辨率宽光谱的太赫兹波可快速准确地检测出待测气体的特征谱，实现快速准确的气体鉴定。
附图说明
图1显示为本发明的太赫兹量子级联激光器系统的结构示意图。
图2显示为本发明的太赫兹量子级联激光器系统产生宽光谱太赫兹波方法的步骤示意图。
图3显示为在不同偏置电流下射频源调制前后的光谱图；其中，图3a为在0.6A偏置电流下，太赫兹量子级联激光器在未接入射频信号时产生的光谱图，图3b为在0.6A偏置电流下，太赫兹量子级联激光器在接入射频信号时产生的光谱图，图3c为在1.1A偏置电流下，太赫兹量子级联激光器在未接入射频信号时产生的光谱图，图3d为在1.1A偏置电流下，太赫兹量子级联激光器在接入射频信号时产生的光谱图。
图4显示为本发明的气体鉴定系统的结构示意图。
图5显示为本发明气体鉴定方法的步骤示意图。
图6显示为气体鉴定太赫兹光谱对比图；其中，图6a为空瓶状态标准太赫兹光谱图，图6b为经待测气体吸收的太赫兹光谱图，图6c为NH3吸收谱线(HITRAN数据库)。
元件标号说明
11 直流源
12 T型偏置器
13 环形器
14 频率检测装置
15 射频源
16 太赫兹量子级联激光器
17 放大器
18 光谱仪
S11～S16 步骤
S21～S24 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种太赫兹量子级联激光器系统，所述太赫兹量子级联激光器系统包括：
直流源11，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统供电；
与所述直流源11连接的T型偏置器12，当射频源15关闭时，用于将直流源11提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器16，以及耦合太赫兹量子级联激光器16的拍频信号并将该拍频信号引出到环形器13；当射频源15开启时，用于将直流源11提供的信号进行偏置，并将偏置信号与射频信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器16；
与所述T型偏置器12一端连接的环形器13，用于隔离射频信号和拍频信号；
与所述环形器13一端连接的频率检测装置14，用于检测拍频信号的频率；
与所述环形器13另一端连接的射频源15，用于提供与所述拍频信号频率相等的射频信号；以及
与所述T型偏置器12另一端连接的太赫兹量子级联激光器16，当射频源15关闭时，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；当射频源15开启时，用于产生宽光谱的太赫兹波。
其中，所述环形器与频率检测装置之间还连接有放大器17，其中，所述放大器17为低噪声放大器，用于对所述拍频信号进行放大。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器系统采用高频传输线连接，以确保射频信号能够有效注入到太赫兹量子级联激光器中。
具体的，所述偏置信号为电压信号或电流信号中的一种。优选地，在本实施例中，所述偏置信号为电流信号。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器采用长腔结构，以保证光谱纵模间距小，进而让光谱具有较高的分辨率。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器的有源区材料采用AlGaAs/GaAs多量子阱结构。
优选地，在本实施例中，所述有源区采用束缚态向连续态跃迁和共振声子跃迁结合的结构，共76个周期多量子阱，每个周期多量子阱结构为Al0.25Ga0.75As和GaAs交替重叠，厚度分别为4.1/3.8/1.0/23.6/1.0/13.8/2.1/11.8/3.1/9.6/3.1/8.7/3.1/7.7/3.1/17.2/3.4/14.8nm(从Al0.25Ga0.75As开始)，其中，对第八个交替重叠中的GaAs进行硅掺杂，掺杂浓度为1.2×1017cm-3。
优选地，在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的波导宽度为150um，其解理长度为6mm。
具体的，所述太赫兹量子级联激光器16采用液氦制冷或压缩机制冷，使其工作温度约保持在15K。
具体的，所述频率检测装置为频谱分析仪。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种利用实施例一所述的太赫兹量子级联激光器系统产生宽光谱的方法，所述方法包括：
S11：射频源15处于关闭状态，直流源11通过T型偏置器12将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器16上；
S12：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器16的阈值时，太赫兹量子级联激光器16发生多纵模激射，产生拍频信号；
S13：T型偏置器12耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到环形器13，并通过环形器13将所述拍频信号传输到频率检测装置14；
S14：通过频率检测装置14测得所述拍频信号的频率；
S15：开启射频源15，对所述射频源15进行设置，得到具有预设功率，频率为S14测得的所述拍频信号频率的射频信号，并通过环形器13将所述射频信号传输到所述T型偏置器12；
S16：T型偏置器12将所述射频信号及偏置信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器16，使所述太赫兹量子级联激光器16相邻纵模之间的纵模间距锁定到射频信号的频率，实现太赫兹量子级联激光器16的宽谱成谱。
其中，S13中所述拍频信号经过环形器13后，还经过放大器17对其进行放大，之后传输到所述频率检测装置14。
具体的，所述偏置信号为电压信号或电流信号。
当所述偏置信号提供的电压或电流超过所述太赫兹量子级联激光器的阈值电压或电流时，所述太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，由于太赫兹量子级联激光器有源区的二阶非线性效应，相邻纵模间相互作用，产生一处于微波频段的电磁波信号，即拍频信号；通过在太赫兹量子级联激光器16上加入频率与所述拍频信号频率相同且具有一定预设功率的射频信号，可将太赫兹量子级联激光器16的纵模间距精确锁定到射频信号的频率，使太赫兹量子级联激光器16发出的激光在时序上表现为超短脉宽序列，在频域上，表现为纵模数量增加，激射谱均匀展宽，光谱宽度接近材料增益谱范围。
需要说明的是，所述拍频信号的频率与所述纵模间距相等；所述预设功率为20～30dBm。
通过实施例二所述方法对太赫兹量子级联激光器进行光谱展宽时，其测试结果如图3所示，其中，图3显示为在不同偏置电流下射频源调制前后的光谱图。
图3a显示为太赫兹量子级联激光器在未接入射频信号时产生的光谱图，如图3a所示，太赫兹量子级联激光器在0.6A偏置电流附近，其纵模数量约为18个。
图3b显示为太赫兹量子级联激光器在接入射频信号时产生的光谱图，其中，所述射频信号的频率为6.21GHz，功率为25dBm；如图3b所示，太赫兹量子级联激光器在0.6A偏置电流附近，激光光谱均匀展宽，其中，纵模数量约增至49个，频率覆盖范围为4.01～4.21THz。
图3c显示为太赫兹量子级联激光器在未接入射频信号时产生的光谱图，如图3a所示，太赫兹量子级联激光器在1.1A偏置电流附近，其纵模数量约为20个。
图3d显示为太赫兹量子级联激光器在接入射频信号时产生的光谱图，其中，所述射频信号的频率为6.17GHz，功率为25dBm；如图3d所示，太赫兹量子级联激光器在1.1A偏置电流附近，激光光谱均匀展宽，其中，纵模数量约增至49个，频率覆盖范围为4.02～4.33THz。
实施例三
如图4所示，本实施例提供一种气体鉴定系统，所述气体鉴定系统包括：
实施例一所述的太赫兹量子级联激光器系统；以及
与所述太赫兹量子级联激光器系统配合使用的光谱仪18。
优选地，在本实施例中，所述光谱仪18为远红外傅里叶光谱仪；所述远红外傅里叶光谱仪具有高信噪比，扫描速度快、重现性好等特点。
实施例四
如图5所示，本实施例提供一种利用实施例三所述的气体鉴定系统实现的气体鉴定方法，所述气体鉴定方法包括：
S21：将待测气体样品放入光谱仪的样品腔里，使待测气体样品处在太赫兹光路中；
S22：通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得经过待测气体样品后的太赫兹光谱；
S23：通过将测得的太赫兹光谱与标准太赫兹光谱比对，得到待测气体样品的吸收谱；
S24：将待测气体样品的吸收谱与气体吸收谱线数据库(HITRAN)比对，实现气体成分的鉴定。
具体的，所述标准太赫兹光谱的获得方法包括：在相同的测试条件下，通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得所述太赫兹波的光谱。
为了验证本实施例所述方法的可行性，将NH3作为待测气体样品进行测试，其中，太赫兹量子级联激光器的偏置电流为0.9A，射频信号的频率为6.17GHz，功率为25dBm；首先，测试空聚乙烯瓶，将空聚乙烯瓶放入光谱仪的样品腔中，让空瓶处在太赫兹光路中，测试太赫兹光谱如图6a所示，频谱范围为4.12～4.32THz，纵模数量约为31个；然后测试待测气体样品的太赫兹光谱，用分解氨水的方法将NH3储存在聚乙烯瓶中，然后将聚乙烯瓶放入光谱仪的样品腔中，让待测气体处在太赫兹光路中，测试经气体样品吸收后的太赫兹光谱如图6b所示，光谱范围为4.21～4.32THz，纵模数量约为18个；由图6a和图6b可知，小于4.2THz的纵模全部被吸收，此吸收谱与图6c所示的NH3的标准气体吸收谱(来自HITRAN数据库)吻合，由此测得所述待测气体为NH3。
需要说明的是，由于此次测试空瓶中存在空气，故其标准太赫兹光谱测试的是经空气吸收的太赫兹光谱。
综上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器系统、气体鉴定系统及方法，具有以下有益效果：
1.通过向所述太赫兹量子级联激光器注入和拍频信号相同频率且具有一定预设功率的射频信号，将纵模间距锁定在射频信号的频率，进而拓宽所述太赫兹量子级联激光器的频率覆盖范围，实现光谱均匀展宽。
2.通过将所述太赫兹量子级联激光器设置为长腔结构，提高了所述太赫兹量子级联激光器的分辨率，并通过其有源区材料的选择，进一步增宽了太赫兹量子级联激光器的光谱范围。
3.通过具有高分辨率宽光谱的太赫兹波可快速准确地检测出待测气体的特征谱，实现快速准确的气体鉴定。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器系统包括：
直流源，用于向所述太赫兹量子级联激光器系统供电；
与所述直流源连接的T型偏置器，当射频源关闭时，用于将直流源提供的信号进行偏置，并将偏置信号提供给太赫兹量子级联激光器，以及耦合太赫兹量子级联激光器的拍频信号并将该拍频信号引出到环形器；当射频源开启时，用于将直流源提供的信号进行偏置，并将偏置信号与射频信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器；
与所述T型偏置器一端连接的环形器，用于隔离射频信号和拍频信号；
与所述环形器一端连接的频率检测装置，用于检测拍频信号的频率；
与所述环形器另一端连接的射频源，用于提供与所述拍频信号频率相等的射频信号；以及
与所述T型偏置器另一端连接的太赫兹量子级联激光器，当射频源关闭时，用于发生多纵模激射并产生拍频信号；当射频源开启时，用于产生宽光谱的太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述环形器与频率检测装置之间还连接有放大器，其中，所述放大器为低噪声放大器。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器采用长腔结构。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器的有源区为GaAs/AlGaAs多量子阱材料。
5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器采用液氦制冷或压缩机制冷。
6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器系统采用高频传输线连接。
7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器系统，其特征在于，所述频率检测装置为频谱分析仪。
8.一种利用权利要求1～7任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统产生宽光谱的方法，其特征在于，所述方法包括：
S11：射频源处于关闭状态，直流源通过T型偏置器将偏置信号加载到太赫兹量子级联激光器上；
S12：当偏置信号超过太赫兹量子级联激光器的阈值时，太赫兹量子级联激光器发生多纵模激射，产生拍频信号；
S13：T型偏置器耦合该拍频信号并将所述拍频信号引出到环形器，并通过环形器将所述拍频信号传输到频率检测装置；
S14：通过频率检测装置测得所述拍频信号的频率；
S15：开启射频源，对所述射频源进行设置，得到具有预设功率，频率为S14测得的所述拍频信号频率的射频信号，并通过环形器将所述射频信号传输到所述T型偏置器；
S16：T型偏置器将所述射频信号及偏置信号叠加后输入到太赫兹量子级联激光器，使所述太赫兹量子级联激光器相邻纵模之间的纵模间距锁定到射频信号的频率，实现太赫兹量子级联激光器的宽谱成谱。
9.根据权利要求8所述的产生宽光谱的方法，其特征在于，S13中所述拍频信号经过环形器后，还经过放大器对其进行放大，之后传输到所述频率检测装置。
10.根据权利要求8所述的产生宽光谱的方法，其特征在于，所述预设功率为20～30dBm。
11.根据权利要求8所述的产生宽光谱的方法，其特征在于，所述拍频信号的频率与所述纵模间距相等。
12.根据权利要求8所述的产生宽光谱的方法，其特征在于，所述偏置信号为电压信号或电流信号。
13.一种气体鉴定系统，其特征在于，所述气体鉴定系统包括：
如权利要求1～7任一项所述的太赫兹量子级联激光器系统；以及
与所述太赫兹量子级联激光器系统配合使用的光谱仪。
14.根据权利要求13所述的气体鉴定系统，其特征在于，所述光谱仪为远红外傅里叶光谱仪。
15.一种利用权利要求13～14任一项所述的气体鉴定系统实现的气体鉴定方法，其特征在于，所述气体鉴定方法包括：
S21：将待测气体样品放入光谱仪的样品腔里，使待测气体样品处在太赫兹光路中；
S22：通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得经过待测气体样品后的太赫兹光谱；
S23：通过将测得的太赫兹光谱与标准太赫兹光谱比对，得到待测气体样品的吸收谱；
16.根据权利要求15所述的气体鉴定方法，其特征在于，所述标准太赫兹光谱的获得方法包括：在相同的测试条件下，通过太赫兹量子级联激光器系统向光谱仪发射具有宽光谱的太赫兹波，并通过光谱仪测得所述太赫兹波的光谱。
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