CN109244798A - 一种太赫兹频梳产生装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种太赫兹频梳产生装置和方法，提高频谱分辨力。所述装置包括锁频电路、第一、第二激光器、第一、第二激光脉冲处理装置、发射模块、探测模块；第一、第二激光器产生激光脉冲；锁频电路对第一、第二激光器的脉冲重复频率进行控制，使第一、第二激光器的脉冲重复频率稳定并具有固定的频率差；第一激光脉冲处理装置等时域间隔地选通第一激光器的激光脉冲，产生第一调制激光脉冲；发射模块对第一调制激光脉冲进行变频，产生太赫兹频梳；第二激光脉冲处理装置等时域间隔地选通第二激光器的激光脉冲，产生第二调制激光脉冲；探测模块探测所述太赫兹频梳，产生电流信号。所述方法包含调整锁频电路和任意波形发生器，产生所需的调制激光脉冲。

Description

一种太赫兹频梳产生装置和方法

技术领域

本申请涉及无线电计量和测试领域，尤其涉及一种太赫兹频梳产生装置和方法。

背景技术

当前太赫兹信号产生及其光谱技术已经广泛应用到生物化学、材料科学、反恐安检等众多领域。太赫兹信号的产生和接收主要是使用基于半导体的天线，这种天线和飞秒激光相结合，成为了太赫兹时域光谱仪的硬件基础。太赫兹时域光谱仪的分辨力和信噪比等方面都要优于基于傅立叶变换的红外光谱仪。太赫兹时域光谱仪中必须具备可变机械延时线，它的长度制约了太赫兹时域光谱仪的采样窗口和频谱分辨力。然而，机械延迟线的长度不可能很长，尤其是在商用仪器中。近期的研究表明，使用具有固定重复频率差异的两个锁模激光器分别作为太赫兹信号的产生和探测源，能够摆脱对机械延时线的依赖。不过，该方法所得到的频谱分辨力受到飞秒激光重复频率的制约，数值上无法低于飞秒激光重复频率。

因此，本发明提出一种太赫兹频梳产生装置和方法，解决了得到的频谱分辨力受到飞秒激光重复频率的制约，数值上无法低于飞秒激光重复频率的问题。能够通过主动控制方式，使太赫兹频梳的频谱分辨力提高，并摆脱飞秒激光重复频率的限制，有效拓展太赫兹频谱分析系统的测量能力。

发明内容

本申请提出一种太赫兹频梳产生装置，解决了得到的频谱分辨力受到飞秒激光重复频率的制约，数值上无法低于飞秒激光重复频率的问题。

本申请的实施例提出一种太赫兹频梳产生装置，包括锁频电路、第一激光器、第二激光器、第一激光脉冲处理装置、第二激光脉冲处理装置、发射模块、探测模块；所述第一激光器和第二激光器，用于产生激光脉冲；所述锁频电路，用于对所述第一激光器和第二激光器的脉冲重复频率进行控制，使第一激光器的脉冲重复频率f₁和第二激光器的脉冲重复频率f₂保持稳定，并具有固定的频率差Δf；所述第一激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第一激光器的激光脉冲，产生第一调制激光脉冲；所述发射模块，用于对所述第一调制激光脉冲进行变频，产生太赫兹频梳；所述第二激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第二激光器的激光脉冲，产生第二调制激光脉冲；所述探测模块，用于探测所述太赫兹频梳，产生电流信号。

作为本申请的太赫兹频梳产生装置进一步优化的实施例，所述第一激光脉冲处理装置包括第一幅度调制器；所述第一幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第一激光器的激光脉冲；所述第二激光脉冲处理装置包括第二幅度调制器；所述第二幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第二激光器的激光脉冲。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或所述第二激光脉冲处理装置还包含任意波形发生器；所述任意波形发生器，用于产生方波信号，输入到所述第一幅度调制器或所述第二幅度调制器的调制端。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光电探测器；所述光电探测器，用于将所述第一激光器或第二激光器发射的部分光信号转换成电信号，发送至所述任意波形发生器。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光放大器；所述光放大器，用于对所述第一调制激光脉冲或第二调制激光脉冲进行放大。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置和或第二激光脉冲处理装置还包括光栅压缩器；所述光栅压缩器，用于对所述第一调制激光脉冲和或第二调制激光脉冲的脉冲宽度进行压缩。

优选的，所述的太赫兹频梳产生装置还包含电流放大器，用于对所述电流信号进行放大。

优选的，所述的太赫兹频梳产生装置进一步包括数据处理模块；所述数据处理模块，用于采集电流信号、进行数据分析。

本申请还提出一种太赫兹频梳产生方法，用于本申请任意一项实施例所述太赫兹频梳产生装置，包括以下步骤：

调整锁频电路，使所述第一激光器和第二激光器输出的激光脉冲频率差值Δf随时间变化范围小于预定误差δ；

优选地，所述太赫兹频梳产生方法，进一步包含以下步骤

调整所述任意波形发生器，使第一调制激光脉冲的脉冲重复频率为f₁/n、第二调制激光脉冲的重复频率为(f₁+Δf)/n；

改变方波的宽度，使n增加或减小。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

所述太赫兹频梳产生装置和方法，解决了得到的频谱分辨力受到飞秒激光重复频率的制约，数值上无法低于飞秒激光重复频率的问题。能够通过主动控制方式，使太赫兹频梳的频谱分辨力提高，并摆脱飞秒激光重复频率的限制，有效拓展太赫兹频谱分析系统的测量能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹频梳产生装置结构图；

图2为本申请实施例提供的另一种太赫兹频梳产生装置结构图；

图3为本申请实施例提供的一种太赫兹频梳产生方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明旨在提高太赫兹频梳产生装置用于测量时的频谱分辨力。在本申请文件中，所述“太赫兹频梳”，是指频谱呈梳状，并且达到太赫兹频段的信号。其相邻频率点的间隔即为所述“频谱分辨力”，它由时域重复信号的重复频率决定。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹频梳产生装置结构图，在本实施例中，本申请的实施例提出一种太赫兹频梳产生装置，包括锁频电路3、第一激光器1、第二激光器2、第一激光脉冲处理装置10、第二激光脉冲处理装置20、发射模块11、探测模块21；所述第一激光器和第二激光器，用于产生激光脉冲；所述锁频电路，用于对所述第一激光器和第二激光器的脉冲重复频率进行控制，使第一激光器的脉冲重复频率f₁和第二激光器的脉冲重复频率f₂保持稳定，并具有固定的频率差Δf；所述第一激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第一激光器的激光脉冲，产生第一调制激光脉冲；所述发射模块，用于对所述第一调制激光脉冲进行变频，产生太赫兹频梳；所述第二激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第二激光器的激光脉冲，产生第二调制激光脉冲；所述探测模块，用于接收所述太赫兹频梳，并结合第二调制激光脉冲，进行光采样，实现所述太赫兹频梳的探测，并产生电流信号。

在本实施例中，所述第一、第二激光器，例如可以是用于产生激光脉冲的飞秒激光器。

在本实施例中，所述锁频电路产生的光信号的脉冲重复频率具有固定频率差异，使所述太赫兹频梳产生装置摆脱了对机械延时线的依赖。所述第一、第二激光脉冲处理装置用于对第一、第二激光器产生的激光脉冲进行调制，将调制后的光信号分别输出至所述发射模块和探测模块。所述发射模块发射太赫兹频梳，所述探测模块采集所述太赫兹频梳。

需要说明的是，所述发射模块，例如可以是基于光导开关的太赫兹发射天线。所述第一调制激光脉冲作为激励信号，在光导开关处产生光生载流子，其在外加电场下运动并辐射出太赫兹脉冲信号。该太赫兹脉冲信号与第一调制激光脉冲具有相同的周期，其频谱为太赫兹频谱形式。相对应地，所述探测模块，例如可以是基于光导开关的太赫兹探测天线。所述第二调制激光脉冲作为探测信号，聚焦至光导开关。当太赫兹频梳信号到达时，会产生电场，使第二调制激光脉冲发生变化。对发生变化的第二调制激光脉冲进行探测，并转化为电流形式，实现太赫兹频梳信号的探测。

在进一步优化的实施例中，所述探测模块21、电流放大器和数据处理模块顺序连接；电流放大器，用于对所述电流信号进行放大。所述数据处理模块，用于采集电流信号、进行数据分析。

需要说明的是，若要使用本申请的装置或方法进行测试，则需将被测试物放置在太赫兹发射天线和太赫兹探测天线之间，即放置在太赫兹频梳的传输路径中。此时数据采集系统将会采集到带有被测物信息的太赫兹频梳信号。

图2为本申请实施例提供的另一种太赫兹频梳产生装置结构图，本实施例中，所述第一激光脉冲处理装置包括第一幅度调制器12；所述第一幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第一激光器的激光脉冲，产生第一调制激光脉冲；所述第二激光脉冲处理装置包括第二幅度调制器22；所述第二幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第二激光器的激光脉冲，产生第二调制激光脉冲。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或所述第二激光脉冲处理装置还包含任意波形发生器13，23；所述任意波形发生器，用于产生方波信号，输入到所述第一幅度调制器或所述第二幅度调制器的调制端。例如，所述第一激光脉冲处理装置包含第一任意波形发生器13，用于产生方波信号，输入到所述第一幅度调制器的调制端。所述第二激光脉冲处理装置包含第二任意波形发生器23，用于产生方波信号，输入到所述第二幅度调制器的调制端。改变所述任意波形发生器产生的用于调制光信号的方波信号，可以对第一、第二激光器产生的飞秒激光脉冲进行选择，从而实现对太赫兹频梳的频谱分辨力的调节。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光电探测器15，25；所述光电探测器，用于将所述第一激光器或第二激光器发射的部分光信号转换成电信号，发送至所述任意波形发生器的参考端，作为参考信号。例如，所述第一激光脉冲处理装置包括第一光电探测器15，用于将所述第一激光器发射的部分光信号转换成电信号，发送至所述第一任意波形发生器的参考端；所述第二激光脉冲处理装置包括第二光电探测器25，用于将所述第二激光器发射的部分光信号转换成电信号，发送至所述第二任意波形发生器的参考端。在飞秒激光器1，2不产生电信号或其产生的同步电信号强度过小时，所述飞秒激光器分出小部分光信号至所述光电探测器15，25，转换为电信号发送至所述任意波形发生器13，23，用于为产生调制所述光信号的方波信号提供参考。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光放大器14，24；所述光放大器，用于对所述第一调制激光脉冲或第二调制激光脉冲进行放大。例如，所述第一激光脉冲处理装置包含第一光放大器14，用于对所述第一调制激光脉冲进行放大；所述第二激光脉冲处理装置包含第二光放大器24，用于对所述第二调制激光脉冲进行放大。再例如，所述第一光放大器位于第一幅度调制器和发射模块之间；所述第二光放大器位于所述第二幅度调制器和探测模块之间。幅度调制器使光信号的强度降低，影响发射模块产生的太赫兹频梳的功率。所述光放大器对幅度调制器输出光进行放大，满足太赫兹发射模块产生太赫兹频梳的要求。

优选的，所述第一激光脉冲处理装置和或第二激光脉冲处理装置还包括光栅压缩器16，26；所述光栅压缩器，用于对所述第一调制激光脉冲和或第二调制激光脉冲的脉冲宽度进行压缩。例如，所述第一脉冲处理装置还包含第一光栅压缩器16，用于压缩所述第一调制激光脉冲的脉冲宽度；所述第二脉冲处理装置还包含第二光栅压缩器26，用于压缩所述第二调制激光脉冲的脉冲宽度。所述飞秒激光器产生的光信号在经过较长路径传输时，其脉冲宽度将会变大，而脉冲宽度增大会导致其所激励的信号的频谱宽度变小。所述光栅压缩器可以用于压缩所述飞秒激光器产生的光信号，恢复原先的脉冲宽度。

在本申请的一个可选择的实施例中，所述第一激光器、第二激光器能够输出同步电信号时，所述激光脉冲输入至幅度调制器的输入端，所述同步电信号输入至任意波形发生器，由所述任意波形发生器产生方波后输入至所述幅度调制器的输入端。所述幅度调制器根据输入的方波信号对所述光信号进行调制后再输出。所述发射模块接收调制后的光信号(例如第一调制激光脉冲)后产生太赫兹频梳。所述探测模块根据接收到的光信号(例如第二调制激光脉冲)探测所述太赫兹频梳。

需要说明的是，本申请实施例通过直流源17，27为所述幅度调制器和发射模块提供直流电压信号。例如，所述第一激光脉冲处理装置和第二激光脉冲处理装置都包含直流源，分别为第一直流源17、第二直流源27。

图3为本申请实施例提供的一种太赫兹频梳产生方法流程图，本实施例提供的一种太赫兹频梳产生方法应用上述太赫兹频梳产生装置，包括以下步骤：

本申请还提出一种太赫兹频梳产生方法，用于本申请任意一项实施例所述太赫兹频梳产生装置，包括以下步骤：

步骤10、调整锁频电路，使所述第一激光器和第二激光器输出的激光脉冲频率差值Δf随时间变化范围小于预定误差δ；

在本申请的任意一个实施例中，为实现步骤10，锁频电路向所述第一激光器和第二激光器提供稳定的频率控制。所述第一激光器和第二激光器给所述锁频电路一个反馈信号，以便所述锁频电路参考后对所述第一、第二激光器进行行控制与同步。使两个激光器的输出脉冲重复频率保持稳定，并具有固定的频率差异。理想情况下δ＝0。

例如使用商用的飞秒激光器为所述第一激光器和第二激光器，向幅度调制器和任意波形发生器分别输出具有固定频率差异的光信号和同步电信号。例如当所述第一激光器输出的光信号重复频率为f₁，则所述第二激光脉冲处理装置输出的光信号重复频率为f₂＝f₁+Δf。

当所述同步电信号的强度为0或趋近于0时，所述光信号输出分为两部分，其中功率较大部分作为用于输入至幅度调制器作为幅度调制器的载波信号；功率较小部分用于作为输入至光电探测器激励出具有相同重复频率的电脉冲，作为同步电信号发送至所述任意波形发生器。

优选地，所述太赫兹频梳产生方法，进一步包含以下步骤

步骤20、调整所述任意波形发生器，使第一调制激光脉冲的脉冲重复频率为f₁/n、第二调制激光脉冲的重复频率为(f₁+Δf)/n；

步骤30、改变方波的宽度，使n增加或减小(n为正整数)。

在本申请的任意一项实施例中，为实现步骤20～30，向幅度调制器输入方波信号对光信号进行调制，输入发射模块和探测模块。所述任意波形发生器接收同步电信号后产生方波信号输入幅度调制器。所述幅度调制器通过所述方波信号对光信号进行调制，输入到发射模块和探测模块。

所述第一、第二激光脉冲处理装置的任意波形发生器(例如第一任意波形发生器、第二任意波形发生器)分别接收到所述电信号后产生重复频率为f₁/n和(f₁+Δf)/n的方波信号，输入至幅度调制器的射频信号输入端。使用直流源为幅度调制器提供工作所需的直流偏置电压。所述幅度调制器根据所述方波信号对输入光信号进行调制，使原本的重复频率f₁变为f₁/n、f₁+Δf变为(f₁+Δf)/n。

在此过程中，所述光信号的强度会降低。因此作为本申请优化的实施例，通过光放大器将所述幅度调制器调制后的光信号放大，再输入发射模块和/或探测模块。在所述光信号的传输过程中，脉冲宽度将会变大，导致其所激励的信号的频谱宽度变小。因此作为本申请进一步优化的实施例，通过光栅压缩器对经所述光放大器放大后的光信号进行压缩，再输入发射模块和/或探测模块。

本发明所述技术方案，提供了一种频谱分辨力可调的太赫兹频梳产生装置与方法，能够通过主动控制方式，使太赫兹频梳的频谱分辨力提高，并摆脱飞秒激光重复频率的限制，有效拓展太赫兹频谱分析系统的测量能力。

本领域内的技术人员应明白，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹频梳产生装置，其特征在于，包括锁频电路、第一激光器、第二激光器、第一激光脉冲处理装置、第二激光脉冲处理装置、发射模块、探测模块；

所述第一激光器和第二激光器，用于产生激光脉冲；

所述锁频电路，用于对所述第一激光器和第二激光器的脉冲重复频率进行控制，使第一激光器的脉冲重复频率f₁和第二激光器的脉冲重复频率f₂保持稳定，并具有固定的频率差Δf；

所述第一激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第一激光器的激光脉冲，产生第一调制激光脉冲；

所述发射模块，用于对所述第一调制激光脉冲进行变频，产生太赫兹频梳；

所述第二激光脉冲处理装置，用于等时域间隔地选通第二激光器的激光脉冲，产生第二调制激光脉冲；

所述探测模块，用于探测所述太赫兹频梳，产生电流信号。

2.如权利要求1所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，

所述第一激光脉冲处理装置包括第一幅度调制器；

所述第一幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第一激光器的激光脉冲；

所述第二激光脉冲处理装置包括第二幅度调制器；

所述第二幅度调制器，用于通过方波信号对所述激光脉冲进行幅度调制，实现等时间间隔地选通第二激光器的激光脉冲。

3.如权利要求2所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，

所述第一激光脉冲处理装置或所述第二激光脉冲处理装置还包含任意波形发生器；

所述任意波形发生器，用于产生方波信号，输入到所述第一幅度调制器或所述第二幅度调制器的调制端。

4.如权利要求3所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光电探测器；

所述光电探测器，用于将所述第一激光器或第二激光器发射的部分光信号转换成电信号，发送至所述任意波形发生器。

5.如权利要求2所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，所述第一激光脉冲处理装置或第二激光脉冲处理装置还包括光放大器；

所述光放大器，用于对所述第一调制激光脉冲或第二调制激光脉冲进行放大。

6.如权利要求3所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，所述第一激光脉冲处理装置和或第二激光脉冲处理装置还包括光栅压缩器；

所述光栅压缩器，用于对所述第一调制激光脉冲和或第二调制激光脉冲的脉冲宽度进行压缩。

7.如权利要求1～6任意一项所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，还包含电流放大器，用于对所述电流信号进行放大。

8.如权利要求1～6任意一项所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，

进一步包括数据处理模块；

所述数据处理模块，用于采集电流信号、进行数据分析。

9.一种太赫兹频梳产生方法，用于权利要求1～8任意一项所述的太赫兹频梳产生装置，其特征在于，包括以下步骤：

调整锁频电路，使所述第一激光器和第二激光器输出的激光脉冲频率差值Δf随时间变化范围小于预定误差δ。

10.如权利要求9所述太赫兹频梳产生方法，其特征在于，进一步包含以下步骤

调整所述任意波形发生器，使第一调制激光脉冲的脉冲重复频率为f₁/n、第二调制激光脉冲的重复频率为(f₁+Δf)/n；

改变方波的宽度，使n增加或减小；n为正整数。