CN109557041A - 一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统及探测方法，属于太赫兹扫描探测技术领域，基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统包括飞秒脉冲激光器、斩波器、分束器、太赫兹辐射源、光纤延迟线、太赫兹探测器、计算机和锁相放大器，外部信号源与太赫兹辐射源之间、光纤延迟线与计算机之间、斩波器与锁相放大器之间、太赫兹探测器与锁相放大器之间、锁相放大器与计算机之间采用数据线连接，其余部分为光路部分，采用自由空间传输或光纤耦合传输。基于光纤的时间延迟器可以采用电控方式实现无移动元件的光学延迟，扫描速度快，光纤延迟线体积小，使用方便，便于系统集成与小型化。

Description

一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统及探测方法
技术领域
本发明属于太赫兹扫描探测技术领域，涉及太赫兹脉冲信号快速扫描探测方法，尤其是一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统及探测方法，用于太赫兹时域光谱系统中的信号探测。
背景技术
太赫兹时域光谱技术作为太赫兹应用技术的一个典型代表，在物质检测领域具有重要应用前景。在传统的太赫兹时域光谱系统中，太赫兹脉冲信号的采集是通过机械式精密位移台控制飞秒激光的延时来对信号进行扫描。采用机械式精密位移台存在以下一些缺点：机械式精密位移台体积较大，不利于系统集成与小型化；扫描速度慢，通常完成一次扫描需要数分钟；光路调节困难，系统易受振动影响从而导致光路发生偏折。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统及探测方法，解决传统机械式精密位移台扫描速度慢的问题，从而显著提高信号测量效率，同时减小系统体积。
本发明的技术方案如下：
一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，包括飞秒脉冲激光器；用于将飞秒脉冲激光激光器发出的飞秒激光分成泵浦光和探测光的分束器；用于产生太赫兹脉冲信号的太赫兹辐射源；用于探测太赫兹脉冲信号的太赫兹探测器；用于改变探测光延时对太赫兹脉冲信号进行扫描的光纤延迟线；用于太赫兹脉冲信号采集放大的锁相放大器。
基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，还包括控制和计算单元，分别控制光纤延迟线和锁相放大器，并基于等效采样原理对信号进行处理并获得太赫兹脉冲的时域波形。
外部信号源与太赫兹辐射源之间、光纤延迟线与计算机之间、斩波器与锁相放大器之间、太赫兹探测器与锁相放大器之间、锁相放大器与计算机之间采用数据线连接，其余部分为光路部分，采用自由空间传输或光纤耦合传输。飞秒脉冲激光器发出的飞秒激光被分束器分为泵浦光和探测光；泵浦光入射到太赫兹辐射源，激发太赫兹辐射源辐射太赫兹波，太赫兹波通过系统光路最终入射到太赫兹探测器；探测光经光纤延迟线附加时间延迟后入射至太赫兹探测器；在太赫兹探测器内部，探测光实现对太赫兹波的探测，改变光纤延迟线的延时量，即可扫描得到太赫兹波的脉冲波形。
基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统探测方法的原理为：
根据太赫兹辐射源的要求调节飞秒激光器的输出功率至合适位置；使用分束比为1:1的分束器将飞秒激光器发出并经斩波器调制后的飞秒激光分为两束，一路作为泵浦光，一路作为探测光；泵浦光作为太赫兹辐射源的激励信号激发太赫兹辐射源产生太赫兹脉冲信号；由于飞秒激光脉宽比太赫兹脉冲的脉宽窄的多，因此可以用飞秒激光对太赫兹脉冲进行扫描探测；探测光耦合进入光纤延迟线，计算机控制光纤延迟线按照设置好的步进量进行移动，使探测光产生一系列递增的光程差，得到时间间隔；太赫兹脉冲信号进入太赫兹探测器与其发生相互作用，附加时间延迟的探测光也共线进入太赫兹探测器，对太赫兹脉冲进行扫描；将斩波器的调制频率输出至锁相放大器的参考端作为参考信号，通过计算机控制锁相放大器对太赫兹探测器输出的电压进行探测；在光纤延迟线的逐步扫描下，实现对太赫兹脉冲信号的逐点取样，从而得到太赫兹脉冲的波形。
基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统探测方法操作步骤如下：
(a)采用功率计对飞秒激光器的输出功率进行监测，根据太赫兹辐射源的要求将飞秒激光器的输出功率调节至合适位置；
(b)将飞秒激光器输出的飞秒激光通过斩波器，斩波器的频率设置为3kHz；
(c)采用分束器将通过斩波器的飞秒激光分为两束，一束作为泵浦光激发太赫兹辐射源产生太赫兹脉冲信号，另一束作为探测光进入光纤延迟线；
(d)太赫兹辐射源发出的太赫兹脉冲经聚焦后入射至太赫兹探测器，经光纤延迟线后的探测光也共线进入太赫兹探测器；
(e)将太赫兹探测器的电输出端口产生的电压信号直接连接到锁相放大器的信号输入端；
(f)将斩波器的电信号输出端连接到锁相放大器的参考信号输入端以将斩波器的调制频率作为锁相放大器的参考信号对采样信号进行解调；
(g)计算机控制光纤延迟线按照设定的步进量进行移动，使探测光产生一系列递增的光程差，同时控制锁相放大器对每次步进的太赫兹探测器输出的电信号进行采样；
(h)通过对光纤延迟线整个行程的步进式扫描，计算机可以采样得到太赫兹脉冲的时域波形。
本发明的效果和益处是：
(1)该基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，基于光纤的时间延迟器可以采用电控方式实现无移动元件的光学延迟，扫描速度快，其扫描频率可以很方便地工作在千赫兹量级，而且实现的扫描窗口也非常大；
(2)光纤延迟线体积小，使用方便，便于系统集成与小型化，因此其实用性强，适用范围广。
附图说明
图1基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统原理示意图。
图中：1飞秒激光器；2斩波器；3分束器；4太赫兹辐射源；5光纤延迟线；6太赫兹探测器；7计算机；8锁相放大器；A1泵浦光路；A2探测光路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，包括飞秒脉冲激光器1、斩波器2、分束器3、太赫兹辐射源4、光纤延迟线5、太赫兹探测器6、计算机7和锁相放大器8，外部信号源与太赫兹辐射源4之间、光纤延迟线5与计算机7之间、斩波器2与锁相放大器8之间、太赫兹探测器6与锁相放大器8之间、锁相放大器8与计算机7之间采用数据线连接，其余部分为光路部分，采用自由空间传输或光纤耦合传输。
如说明书附图1所示，根据太赫兹辐射源4的要求调节飞秒激光器1的输出功率至合适位置，使用分束比接近1:1的分束器3将飞秒激光器1发出并经斩波器2调制后的飞秒激光分为两束，一路作为泵浦光路A1，一路作为探测光路A2。泵浦光路A1作为太赫兹辐射源的激励信号激发太赫兹辐射源4产生太赫兹脉冲信号，由于飞秒激光脉宽比太赫兹脉冲的脉宽窄的多，因此可以用飞秒激光对太赫兹脉冲进行扫描探测。探测光路A2耦合进入光纤延迟线5，计算机控制光纤延迟线5按照设置好的步进量进行移动，使探测光产生一系列递增的光程差，得到时间间隔。太赫兹脉冲信号进入太赫兹探测器6与其发生相互作用，附加时间延迟的探测光也共线进入太赫兹探测器6，对太赫兹脉冲进行扫描。将斩波器2的调制频率输出至锁相放大器8的参考端作为参考信号，通过计算机控制锁相放大器8对太赫兹探测器6输出的电压进行探测。在光纤延迟线5的逐步扫描下，实现对太赫兹脉冲信号的逐点取样，从而得到太赫兹脉冲的波形。
实施例
基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统操作方法如下：
(a)采用功率计对飞秒激光器1的输出功率进行监测，根据太赫兹辐射源4的要求将飞秒激光器1的输出功率调节至合适位置；
(b)将飞秒激光器1输出的飞秒激光通过斩波器2，斩波器2的频率设置为例如3kHz；
(c)采用分束器3将通过斩波器2的飞秒激光分为两束，一束作为泵浦光路A1激发太赫兹辐射源4产生太赫兹脉冲信号。另一束作为探测光路A2进入光纤延迟线5；
(d)太赫兹辐射源4发出的太赫兹脉冲经聚焦后入射至太赫兹探测器6，经光纤延迟线5后的探测光也共线进入太赫兹探测器6；
(e)将太赫兹探测器6的电输出端口产生的电压信号直接连接到锁相放大器8的信号输入端；
(f)将斩波器2的电信号输出端连接到锁相放大器8的参考信号输入端以将斩波器的调制频率作为锁相放大器8的参考信号对采样信号进行解调；
(g)计算机7控制光纤延迟线5按照设定的步进量进行移动，使探测光产生一系列递增的光程差，同时控制锁相放大器8对每次步进的太赫兹探测器6输出的电信号进行采样；
(h)通过对光纤延迟线5整个行程的步进式扫描，计算机7可以采样得到太赫兹脉冲的时域波形。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，包括飞秒脉冲激光器(1)、斩波器(2)、分束器(3)、太赫兹辐射源(4)、光纤延迟线(5)、太赫兹探测器(6)、计算机(7)和锁相放大器(8)，其特征在于，外部信号源与太赫兹辐射源(4)之间、所述光纤延迟线(5)与计算机(7)之间、所述斩波器(2)与锁相放大器(8)之间、所述太赫兹探测器(6)与锁相放大器(8)之间、所述锁相放大器(8)与计算机(7)之间采用数据线连接，其余部分为光路部分，采用自由空间传输或光纤耦合传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，其特征在于：还包括控制和计算单元，分别控制光纤延迟线(5)和锁相放大器(8)，并基于等效采样原理对信号进行处理并获得太赫兹脉冲的时域波形。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统，其特征在于：所述分束器(3)的分束比为1:1，将飞秒激光器(1)发出并经斩波器(2)调制后的飞秒激光分为两束，一路作为泵浦光路(A1)，一路作为探测光路(A2)。
4.一种基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统探测方法，其特征在于，所述基于光纤延迟线的太赫兹扫描系统探测方法操作步骤如下：
(a)采用功率计对飞秒激光器(1)的输出功率进行监测，根据太赫兹辐射源(4)的要求将飞秒激光器(1)的输出功率调节至合适位置；
(b)将飞秒激光器(1)输出的飞秒激光通过斩波器(2)，斩波器(2)的频率设置为3kHz；
(c)采用分束器(3)将通过斩波器(2)的飞秒激光分为两束，一束作为泵浦光激发太赫兹辐射源(4)产生太赫兹脉冲信号，另一束作为探测光进入光纤延迟线(5)；
(d)太赫兹辐射源(4)发出的太赫兹脉冲经聚焦后入射至太赫兹探测器(6)，经光纤延迟线(5)后的探测光也共线进入太赫兹探测器(6)；
(e)将太赫兹探测器(6)的电输出端口产生的电压信号直接连接到锁相放大器(8)的信号输入端；
(f)将斩波器(2)的电信号输出端连接到锁相放大器(8)的参考信号输入端以将斩波器(2)的调制频率作为锁相放大器(8)的参考信号对采样信号进行解调；
(g)计算机(7)控制光纤延迟线(5)按照设定的步进量进行移动，使探测光产生一系列递增的光程差，同时控制锁相放大器(8)对每次步进的太赫兹探测器(6)输出的电信号进行采样；
(h)通过对光纤延迟线(5)整个行程的步进式扫描，计算机(7)可以采样得到太赫兹脉冲的时域波形。
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