CN110132884B - 太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法，其中所述太赫兹光谱测量系统包括：两个太赫兹量子级联激光器，出射口相对设置；真空罩，设置于两个太赫兹量子级联激光器的出射口之间。所述太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法能够在保留片上双频梳系统的优点下，分离式太赫兹双频梳，解决了片上双频梳无法直接测量物质太赫兹谱的缺点。

Description

太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱分析领域，具体涉及一种太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法。
背景技术
太赫兹光谱测量系统在频域上是由一系列等间距分布且高度稳定的频率线组成的宽带相干光源，锁模激光器在时域上的输出为周期性脉冲序列，针对周期性脉冲作傅里叶变换得到在频域上频率间隔相等的光学太赫兹光谱测量系统。正是由于频梳的光谱覆盖是由一系列窄线构成，解决了传统谐波频链系统复杂体积过大以及只能测量一个频率的问题。光学太赫兹光谱测量系统稳定的频域梳齿特性以及宽带特性极大的促进了精密科学领域的发展，并且在精细光谱探测方面具有傅里叶光谱仪等传统测量设备所无法比拟的高分辨率、高灵敏度以及实时高速的优势。双频梳是指两个频梳的光谱重叠，但各自的重复频率略有不同，相邻两个模式相互拍频下转换至微波波段，形成双频梳。与传统的傅里叶光谱仪相比，双频梳系统不需要移动任何系统组件就能实现快速、高分辨率的光谱。
虽然双频梳已经在中红外以及近红外波段实现，但是为了满足各个光谱覆盖的应用要求，其他波长的相干频梳仍然有非常必要的现实需求，尤其是在太赫兹(Terahertz,THz)波段。许多气体和化学物质在THz波段都有独特的“指纹谱”，开发THz双频梳对气体追踪、有毒物质检测等实际应有具有重要意义。然而，基于光电导天线或者非线性晶体的THz频梳由于结构庞大复杂，需要飞秒激光泵浦以及过低的THz功率还无法满足THz双频梳的实际应用。电泵浦的太赫兹量子级联激光器(Terahertz Quantum Cascade Lasers,THzQCLs)由于其结构紧凑，输出功率高等优势，是开发THz频梳的理想光源。
虽然片上太赫兹双频梳系统已经开发出来，但是由于其系统结构的缺陷无法直接用来探测物质的太赫兹谱，距离实用还有一段距离。此外，片上双频梳系统一旦制作完成，两个频梳之间的耦合效率便固定，无法再调谐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法，能够直接测量物质太赫兹谱的缺点。
为解决上述技术问题，以下提供了一种太赫兹光谱测量系统，包括：两个太赫兹量子级联激光器，出射口相对设置；真空罩，设置于两个太赫兹量子级联激光器的出射口之间。
可选的，还包括：射频源，连接至所述太赫兹量子级联激光器，为所述太赫兹量子级联激光器提供高频RF信号；直流源，连接至所述太赫兹量子级联激光器，为所述太赫兹量子级联激光器提供直流偏置。
可选的，还包括：T型偏置器，设置在所述射频源、直流源与所述太赫兹量子级联激光器之间，用于将所述高频RF信号以及所述直流偏置注入到所述太赫兹量子级联激光器内。
可选的，所述T型偏置器通过微带线连接至所述太赫兹量子级联激光器的上电极。
可选的，所述射频源、直流源和T型偏置器的数目均为两个，每一太赫兹量子级联激光器对应连接有一T型偏置器、一射频源和一直流源。
可选的，所述T型偏置器包括直流偏置端口和射频端口，且所述直流源连接至所述直流偏置端口，所述射频源连接至所述射频端口。
可选的，还包括环形器，设置于所述射频源和所述射频端口之间，分别连接所述射频源以及射频端口。
可选的，还包括：频谱分析仪，分别连接至所述射频端口，用于显示所述太赫兹量子级联激光器的拍频信号，为所述射频源提供的RF提供参考频率。
可选的，还包括：低噪声放大器，设置在所述射频端口与所述频谱分析仪之间，并分别连接所述射频端口与所述频谱分析仪，用于放大自所述射频端口流向所述频谱分析仪的信号。
可选的，还包括：安装架，呈Y字型，两个太赫兹量子级联激光器分别设置在所述安装架的两侧臂表面，且所述太赫兹量子级联激光器安装到所述安装架的侧臂表面时，位置可调。
可选的，两个太赫兹量子级联激光器的激光出射方向相交，且在所述安装架水平放置时，两个太赫兹量子级联激光器的激光出射方向与水平面的夹角各不相同。
为解决上述技术问题，以下还提供了一种分析物质的太赫兹光谱的方法，包括以下步骤：将待分析物质放入两个太赫兹量子级联激光器之间；两个太赫兹量子级联激光器朝向待分析物质出射太赫兹量子级激光，获取待分析物质的双频梳谱；将待分析物质的双频梳谱对照到太赫兹光谱，获取待分析物质的太赫兹光谱。
可选的，还包括以下步骤：校准两个太赫兹量子级联激光器产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系。
可选的，校准两个太赫兹量子级联激光器产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系包括以下步骤：将水汽放置到两个太赫兹量子级联激光器之间；两个太赫兹量子级联激光器朝向水汽出射太赫兹量子级激光，获取水汽的双频梳谱；与水汽的标准双频梳谱对照，进行校准。
可选的，两个太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹量子级激光相交，呈弱耦合状态。
本发明的太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法将射频注入调制技术应用于太赫兹量子级联激光器，实现宽带太赫兹双频梳，无需探测器，将一个太赫兹量子级联激光器频梳作为探测器，实现了一个高度集成的双频梳系统，可以直接测试物质的太赫兹谱，可以改变双频梳的耦合效率，使双频梳系统可调谐。
进一步的，由于两个太赫兹量子级联激光器是面对面激射，在安装时可以通过调节两个太赫兹量子级联激光器的位置以及激射角度，来改变双频梳之间的耦合效率，不仅可以避免两个太赫兹频梳之间由于耦合率过高造成注入锁定，导致无法产生双频梳，又能实现双频梳系统可调谐，能够在使用过程中根据需要不断的改变耦合效率。
进一步的，本发明特殊设计制作的真空罩，采用的高密度聚乙烯(high-densitypolyethylene,HDPE)材料，该材料在太赫兹波段具有高透过率，利用两个太赫兹量子级联激光器之间的空间用来放置待测物质，还能够太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹量子级激光在入射高真空条件下的真空罩后不变型。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式中太赫兹光谱测量系统的结构示意图。
图2为本发明一种具体实施方式中太赫兹光谱测量系统的一个太赫兹量子级联激光器的连接关系示意图。
图3为本发明一种具体实施方式中分析物质的太赫兹光谱的方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种太赫兹光谱测量系统作进一步详细说明。
请参阅图1、2，其中图1为本发明一种具体实施方式中太赫兹光谱测量系统的结构示意图。图2为本发明一种具体实施方式中太赫兹光谱测量系统的一个太赫兹量子级联激光器的连接关系示意图。
在该具体实施方式中，提供了一种太赫兹光谱测量系统，包括：两个太赫兹量子级联激光器1，出射口相对设置；真空罩，设置于两个太赫兹量子级联激光器1的出射口之间。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹量子级联激光器1为半导体激光器，两个太赫兹量子级联激光器1出射口相对设置，激射面相对。通过调整两个太赫兹量子级联激光器1的具体位置，使二者不在同一直线上，两个太赫兹量子级联激光器1出射的太赫兹量子级激光也存在角度差、不平行，使得两个太赫兹量子级联激光器1始终处于弱耦合状态，不会互相锁定，使两个太赫兹量子级联激光器1发射的太赫兹量子级激光频谱存在差异，得以产生双频梳。
在一种具体实施方式中，两个赫兹量子级联激光器上同一点与同一直线之间的距离差为1-5mm；两个太赫兹量子级联激光器1出射的太赫兹量子级激光的角度差为0-5度。
实际上，可以根据需要改变两个太赫兹量子级联激光器的出射口之间的距离，以及两个太赫兹量子级联激光器1出射的太赫兹激光的角度差，只要保证一个太赫兹量子级联激光器1注入到另一个太赫兹量子级联激光器1中的实际功率小于一预设阈值，两个太赫兹量子级联激光器1之间不会产生互相锁定即可。在一种具体实施方式中，两个太赫兹量子级联激光器的出射口之间的距离调节范围为10-50mm，角度差调节范围为0-5度。
在一种具体实施方式中，两个太赫兹量子级联激光器1的谐振腔尺寸、增益介质材料以及波导结构等完全相同。具体的，所述谐振腔的长度为2-15mm，宽度为50-300um，两个太赫兹量子级联激光器1的出射口的距离为10-50mm，增益介质的增益带宽大于100GHz，且所述太赫兹量子级联激光器1后端面2-5mm位置处放置用于阻抗匹配的可超低温工作的微带线9。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括：射频源2，连接至所述太赫兹量子级联激光器1，为所述太赫兹量子级联激光器1提供高频RF信号；直流源3，连接至所述太赫兹量子级联激光器1，为所述太赫兹量子级联激光器1提供直流偏置。
在一种具体实施方式中，两个太赫兹量子级联激光器1上施加的直流偏置并不是完全相同，因为根据太赫兹量子级联激光器1增益介质的特点，施加不同的电压偏置可以改变其频谱范围，这样可以确保两个太赫兹量子级联激光器1的频谱虽然重叠但是其频点并不完全相同，根据激光器增益介质的不同，其施加于激光器的电压偏置也不同，但是都要保证激光器在一定电压偏置之下有激光激射，即电压应在阈值电压之上。由于太赫兹量子级联激光器1增益介质的斯塔克效应，随着偏置电压的增大，其频谱会有蓝移现象(即，波长变小频率变大)，在两个太赫兹量子级联激光器1上施加不同的电压，就是利用了其频率的蓝移，保证两个太赫兹量子级联激光器1频谱的细微差异。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括：T型偏置器4，设置在所述射频源2、直流源3与所述太赫兹量子级联激光器1之间，用于将所述高频RF信号以及所述直流偏置注入到所述太赫兹量子级联激光器1内。
在一种具体实施方式中，所述T型偏置器4通过微带线9连接至所述太赫兹量子级联激光器1的上电极。
在该具体实施方式中，所述微带线9为可低温工作的微带线9，因为太赫兹光谱测量系统一般工作在超低温环境下(低于40K)，因此超低温下高频信号的低损耗有效传输显得尤为重要。设置可低温工作的微带线9可以适应这种低温高频信号传输的需求，实现同轴电缆与太赫兹光梳之间的阻抗匹配，从而减小高频信号的损耗。
在一种具体实施方式中，所述射频源2、直流源3和T型偏置器4的数目均为两个，每一太赫兹量子级联激光器1对应连接有一T型偏置器4、一射频源2和一直流源3。
在一种具体实施方式中，两个射频源2分别同时向两个太赫兹量子级联激光器1中注入低功率的射频信号，值得注意的是，注入的射频信号频率接近两个太赫兹量子级联激光器1的腔往返频率(即激射出来的太赫兹量子级激光的重复频率)，但不完全相等。射频注入调制的两个太赫兹量子级联激光器1的光谱会互相拍频产生微波波段的下转换谱，在频谱分析仪6上看到双频梳。
在一种具体实施方式中，所述T型偏置器4包括直流偏置端口和射频端口，且所述直流源3连接至所述直流偏置端口，所述射频源2连接至所述射频端口。具体的，所述直流源3通过BNC线缆连接至所述直流偏置端口，所述射频源2通过高频同轴线缆连接至所述射频端口。
在一种具体实施方式中，所述直流源3的输出会分为两路，一路通过T型偏置器4加载到微带线上，微带线与太赫兹量子级联激光器1的上电极通过金线引线连接，另一路直接加载到陶瓷片上，陶瓷片与太赫兹量子级联激光器1的上电极通过金线引线连接。需要注意的是，此处连接到陶瓷片或T型偏置器4的是直流源3的正极，所述直流源3的负极连接到所述太赫兹量子级联激光器1的下电极。
在一种具体实施方式中，所述T型偏置器4还包括混合端口，所述混合端口通过高频同轴线缆连接至所述太赫兹量子级联激光器1的上电极连接的微带线9。在该具体实施方式中，所述微带线9也通过金线引线连接到所述太赫兹量子级联激光器1的上电极。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括环形器5，设置于所述射频源2和所述射频端口之间，分别连接所述射频源2以及射频端口。所述环形器5使从太赫兹量子级联激光器1中提取的信号与射频源2发射的信号不会产生干扰。在该具体实施方式中，所述射频源2通过高频同轴线缆连接至所述环形器5，所述环形器5通过高频同轴线缆连接至所述射频端口。
在一种具体实施方式中，所述环形器5的数目也为两个，分别连接到不同的太赫兹量子级联激光器1。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括：频谱分析仪6，分别连接至所述射频端口，用于显示所述太赫兹量子级联激光器1的拍频信号，为所述射频源2提供的RF提供参考频率。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括：低噪声放大器7，设置在所述射频端口与所述频谱分析仪6之间，并分别连接所述射频端口与所述频谱分析仪6，用于放大自所述射频端口流向所述频谱分析仪6的信号。
在该具体实施方式中，所述环形器5按照其单向传播的三个端口连接的设备依次是射频源2、射频端口和低噪声放大器7。
在一种具体实施方式中，所述太赫兹光谱测量系统还包括：安装架8，呈Y字型，两个太赫兹量子级联激光器1分别设置在所述安装架8的两侧臂表面，且所述太赫兹量子级联激光器1安装到所述安装架8的侧臂表面时，位置可调。
在一种具体实施方式中，所述安装架8为铜基镀金材料。实际上，可以根据需要设置所述安装架8的具体材料。
在一种具体实施方式中，所述安装架8的侧臂表面设置有太赫兹量子级联激光器1安装构件，能够将太赫兹量子级联激光器1固定在所述侧臂表面。在一种具体实施方式中，所述太赫兹量子级联激光器1安装构件包括活动卡扣以及设置在所述活动卡扣下端的活动轴，可通过改变所述活动卡扣下端的活动轴相对于侧臂表面的位置以及相对于水平面的角度，来改变所述太赫兹量子级联激光器1的位置，以及相对于水平面的角度。
在一种具体实施方式中，所述真空罩采用的高密度聚乙烯(High-densitypolyethylene，HDPE)材料制成，该材料在太赫兹波段具有高透过率，太赫兹量子级激光经过所述真空罩后发生的折损非常少，对最终的测量结果的影响很小。实际上，也可根据需要选择其他材料制成真空罩，只要保证在太赫兹波段具有高透过率即可。
在一种具体实施方式中，所述真空罩还加厚了罩壁，优化了空气缝隙距离以及弯角结构。
请参阅图3，为本发明一种具体实施方式中分析物质的太赫兹光谱的方法的步骤流程示意图。在该具体实施方式中，提供了一种分析物质的太赫兹光谱的方法，包括以下步骤：S1将待分析物质放入两个太赫兹量子级联激光器1之间；S2两个太赫兹量子级联激光器1朝向待分析物质出射太赫兹量子级激光，获取待分析物质的双频梳谱；S3将待分析物质的双频梳谱对照到太赫兹光谱，获取待分析物质的太赫兹光谱。
在一种具体实施方式中，还包括以下步骤：校准两个太赫兹量子级联激光器1产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系。
在一种具体实施方式中，校准两个太赫兹量子级联激光器1产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系包括以下步骤：将水汽放置到两个太赫兹量子级联激光器1之间；两个太赫兹量子级联激光器1朝向水汽出射太赫兹量子级激光，获取水汽的双频梳谱；与水汽的标准双频梳谱对照，进行校准。
在一种具体实施方式中，两个太赫兹量子级联激光器1出射的太赫兹量子级激光相交，呈弱耦合状态。
在该具体实施方式中，因为水汽的太赫兹光谱是已知的，通过测量水汽的双频梳吸收谱，就可以完成双频梳谱与太赫兹光谱之间联系的校准。水汽在太赫兹频段具有明显的吸收峰，并且该吸收峰是已知的，如4.2THz即为水汽的吸收峰。先通过测量水汽的双频梳光谱，假如f1处出现吸收峰，根据太赫兹量子级联激光器1在太赫兹波段的光谱，在其光谱覆盖范围内只有一个水汽吸收峰，如4.2THz，那么双光频梳中f1即对应太赫兹光谱中的4.2THz，再根据重复频率，双光频梳中的每个梳齿即可与太赫兹光谱中的频点实现一一对应，也就完成了双频梳谱与太赫兹谱之间联系的校准。
本发明的太赫兹光谱测量系统及分析物质的太赫兹光谱的方法将射频注入调制技术应用于太赫兹量子级联激光器，实现宽带太赫兹双频梳，无需探测器，将一个太赫兹量子级联激光器频梳作为探测器，实现了一个高度集成的双频梳系统，可以直接测试物质的太赫兹谱，可以改变双频梳的耦合效率，使双频梳系统可调谐。
进一步的，由于两个太赫兹量子级联激光器是面对面激射，在安装时可以通过调节两个太赫兹量子级联激光器的位置以及激射角度，来改变双频梳之间的耦合效率，不仅可以避免两个太赫兹频梳之间由于耦合率过高造成注入锁定，导致无法产生双频梳，又能实现双频梳系统可调谐，能够在使用过程中根据需要不断的改变耦合效率。
进一步的，本发明特殊设计制作的真空罩，采用的高密度聚乙烯(high-densitypolyethylene,HDPE)材料，该材料在太赫兹波段具有高透过率，利用两个太赫兹量子级联激光器之间的空间用来放置待测物质，还能够太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹量子级激光在入射高真空条件下的真空罩后不变型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种太赫兹光谱测量系统，其特征在于，包括：
两个太赫兹量子级联激光器，出射口相对设置；
真空罩，设置于两个太赫兹量子级联激光器的出射口之间；以及
安装架，呈Y字型，两个太赫兹量子级联激光器分别设置在所述安装架的两侧臂表面，且所述太赫兹量子级联激光器安装到所述安装架的侧臂表面时，位置可调；
两个太赫兹量子级联激光器的激光出射方向相交，且在所述安装架水平放置时，两个太赫兹量子级联激光器的激光出射方向与水平面的夹角各不相同。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，还包括：
射频源，连接至所述太赫兹量子级联激光器，为所述太赫兹量子级联激光器提供高频RF信号；
直流源，连接至所述太赫兹量子级联激光器，为所述太赫兹量子级联激光器提供直流偏置。
3.根据权利要求2所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，还包括：
T型偏置器，设置在所述射频源、直流源与所述太赫兹量子级联激光器之间，用于将所述高频RF信号以及所述直流偏置注入到所述太赫兹量子级联激光器内。
4.根据权利要求3所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述T型偏置器通过微带线连接至所述太赫兹量子级联激光器的上电极。
5.根据权利要求3所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述射频源、直流源和T型偏置器的数目均为两个，每一太赫兹量子级联激光器对应连接有一T型偏置器、一射频源和一直流源。
6.根据权利要求3所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，所述T型偏置器包括直流偏置端口和射频端口，且所述直流源连接至所述直流偏置端口，所述射频源连接至所述射频端口。
7.根据权利要求6所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，还包括环形器，设置于所述射频源和所述射频端口之间，分别连接所述射频源以及射频端口。
8.根据权利要求6所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，还包括：
频谱分析仪，分别连接至所述射频端口，用于显示所述太赫兹量子级联激光器的拍频信号，为所述射频源提供的RF提供参考频率。
9.根据权利要求8所述的太赫兹光谱测量系统，其特征在于，还包括：
低噪声放大器，设置在所述射频端口与所述频谱分析仪之间，并分别连接所述射频端口与所述频谱分析仪，用于放大自所述射频端口流向所述频谱分析仪的信号。
10.一种基于权利要求1所述的太赫兹光谱测量系统的分析物质的太赫兹光谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待分析物质放入两个太赫兹量子级联激光器之间；
两个太赫兹量子级联激光器朝向待分析物质出射太赫兹量子级激光，获取待分析物质的双频梳谱；
将待分析物质的双频梳谱对照到太赫兹光谱，获取待分析物质的太赫兹光谱。
11.根据权利要求10所述的分析物质的太赫兹光谱的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
校准两个太赫兹量子级联激光器产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系。
12.根据权利要求11所述的分析物质的太赫兹光谱的方法，其特征在于，校准两个太赫兹量子级联激光器产生的双频梳与太赫兹光谱的对照关系包括以下步骤：
将水汽放置到两个太赫兹量子级联激光器之间；
两个太赫兹量子级联激光器朝向水汽出射太赫兹量子级激光，获取水汽的双频梳谱；
与水汽的标准双频梳谱对照，进行校准。
13.根据权利要求10所述的分析物质的太赫兹光谱的方法，其特征在于，两个太赫兹量子级联激光器出射的太赫兹量子级激光相交，呈弱耦合状态。
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