CN110186567B - 一种光子混频太赫兹光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子混频太赫兹光谱仪，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、分束器、第一合束器、第二合束器、太赫兹光电导辐射天线、太赫兹光电导探测天线、调制模块、锁相放大模块和控制模块。本发明可以在不使用激光相位调制设备的基础上，获得与使用激光相位调制设备的光谱仪相同的频率分辨率和信噪比。本发明依然使用太赫兹光电导探测天线作为探测器，但是探测器的探测值是一个与太赫兹波的电场强度有关的脉冲信号，而不再像传统光子混频太赫兹光谱仪的探测值一样是与太赫兹波和激光混频低频信号的相位差相关的信号。

Description

一种光子混频太赫兹光谱仪
技术领域
本发明涉及使用激光产生和探测太赫兹波的领域，尤其涉及基于光子混频的太赫兹光谱仪。
背景技术
在太赫兹波领域，一般的光谱仪主要有太赫兹时域光谱仪、返波管太赫兹光谱仪、半导体太赫兹光谱仪和光子混频太赫兹光谱仪。其中太赫兹时域光谱仪光谱范围宽，但是光谱分辨率较低，且设备成本高。返波管太赫兹光谱仪分辨率高，但是输出随频率变化的波动大，而且同样面临设备成本高的问题。半导体太赫兹光谱仪体积小成本较低，但是单个辐射源和探测器的光谱范围窄，需要多个组合才能完成光谱测试。光子混频太赫兹光谱仪光谱范围广，分辨率高，体积较小且成本较低，因而受到了重视。
光子混频太赫兹光谱仪是利用频率之间的差值为太赫兹的两束激光进行混频后，分别照射到光电导发射天线和光电导探测天线上以产生和探测太赫兹波并完成光谱测试的设备。混频产生的低频信号(两个激光频率之差)调制光电导发射天线，天线在偏压下会辐射出此频率的太赫兹波。此太赫兹波到达光电导探测天线后，与受到混频低频信号调制的光电导探测天线相互作用产生代表太赫兹电场强度的信号。此信号与探测天线处太赫兹波和激光混频低频信号的相位差有关，因此需要在主动调制激光相位的前提下，测得太赫兹波电场的强度和相位信息。
然而用作太赫兹光谱仪的激光相位调制设备，其激光相位调节的等效光程需要达到毫米级。满足此要求的设备，如调制自由空间光相位的光学延迟线，和调制光纤内光相位的多圈光纤拉伸器，要么运行速度慢，要么设备成本较高。如果不使用相位调制设备，只能利用不同频率的太赫兹波通过相同光程所产生的不同相位作为被动相位调制实现太赫兹波的探测。但是，这种方法会降低光谱仪的频率分辨率。使用非相干探测器代替光电导探测天线可以无需使用相位调制设备，但是会降低系统的信噪比。这主要是由于目前太赫兹非相干探测器的灵敏度太低，而太赫兹光电导发射天线所辐射的太赫兹波太弱造成的。因此如何在不降低系统光谱分辨率和信噪比的基础上，避免相位调制设备的使用，是目前研究者所面临的难题之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公布了一种使用太赫兹光电导探测天线作为探测器的光子混频太赫兹光谱仪。此光谱仪不使用相位调制设备，但是依然可以同使用相位调制设备的光子混频太赫兹光谱仪具有相同的频率分辨率和信噪比。本发明的具体内容为：
一种光子混频太赫兹光谱仪，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、分束器、第一合束器、第二合束器、太赫兹光电导辐射天线、太赫兹光电导探测天线、调制模块、锁相放大模块和控制模块。
其中，所述第二激光器为输出频率可调的激光器，所述第一激光器和所述第三激光器输出的激光波长不同。所述分束器将所述第二激光器输出的激光分为两束。所述第一合束器将所述分束器输出的两束激光中的一束和所述第一激光器输出的激光合成一束激光并输出到所述太赫兹光电导探测天线，所述第二合束器将所述分束器输出的两束激光中的另一束和所述第三激光器输出的激光合成一束激光并输出到所述太赫兹光电导辐射天线。
所述调制模块发出两个相同频率的调制信号，分别与所述太赫兹光电导辐射天线偏压输入端和所述锁相放大模块的参考信号输入端相连。所述太赫兹光电导探测天线的输出端与所述锁相模块的信号输入端相连。所述控制模块控制改变所述第二激光器的输出频率后，记录所述锁相放大模块的输出值。
进一步地，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器均为连续输出且所输出的激光具有相同的偏振状态。
进一步地，所述分束器、第一合束器、第二合束器都不改变所操作激光的偏振状态。
进一步地，作为所述第一合束器输入激光的两束激光的功率差不大于10％，作为所述第二合束器输入激光的两束激光的功率差不大于10％。
本发明的有益效果为：本发明可以在不使用激光相位调制设备的基础上，获得与使用激光相位调制设备的光谱仪相同的频率分辨率和信噪比。本发明依然使用太赫兹光电导探测天线作为探测器，但是探测器的探测值是一个与太赫兹波的电场强度有关的脉冲信号，而不再像传统光子混频太赫兹光谱仪的探测值一样是与太赫兹波和激光混频低频信号的相位差相关的信号。本发明中，调制太赫兹光电导发射天线的激光为第一激光器和第二激光器输出激光的混频激光，调制太赫兹光电导探测天线的激光为第二激光器和第三激光器输出激光的混频激光。由于第一激光器和第三激光器输出激光的频率不同，因此发射天线所发射出的太赫兹波的频率和探测天线所能探测的太赫兹波的频率不同。当两个频率相差较小时，会发生拍频效应，其中的差频信号可以被光电导探测天线探测并输出，而此差频信号的频率即为第一激光器和第三激光器输出激光的频率差。传统光子混频太赫兹光谱仪的探测值是与太赫兹波和激光混频低频信号的相位差相关的直流信号，因此必须使用激光相位调制设备改变此相位差才能获取真实的太赫兹波信号强度。而本发明中，由于探测信号是差频信号，相当于信号自带相位调制效果，因而可以直接探测出太赫兹波的信号强度。
附图说明
图1是实施例光子混频太赫兹光谱仪结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
光子混频太赫兹光谱仪包括第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、分束器4、第一合束器5、第二合束器6、太赫兹光电导辐射天线7、太赫兹光电导探测天线8、调制模块9、锁相放大模块10和控制模块11。
第一激光器1为连续输出线偏振半导体激光器，输出波长1550.03nm，输出功率25mW。第二激光器2为输出激光频率可调的连续输出线偏振半导体激光器，输出波长1520-1630nm，输出功率50mW。第三激光器3为连续输出线偏振半导体激光器，输出波长1550.01nm，输出功率25mW。第一激光器1和第三激光器3输出激光的频率差约为2.49GHz。第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3的输出端均自带光纤耦合模块，可将输出激光耦合到单模保偏光纤中。第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3输出的激光具有相同的偏振状态。
分束器4为单模保偏光纤分束器。第一合束器5、第二合束器6均为单模保偏光纤合束器。本实施例中分束器和合束器均选用保偏光纤以确保在分束和合束过程中不改变激光的偏振状态。本实施例中分束器的分束比均为1:1，即两个输出端输出的激光功率均为输入端输入的激光功率的一半。
如图1所示，分束器4的输入端与第二激光器2的输出端相连接；第一合束器5的两个输入端分别连接第一激光器1的输出端和分束器4的一个输出端；第二合束器6的两个输入端分别连接分束器4的另一个输出端和第三激光器3的输出端。第一合束器5输出端输出的激光照射到太赫兹光电导探测天线8的天线间隙上；第二合束器6输出端输出的激光照射到太赫兹光电导辐射天线7的天线间隙上。
第二激光器2的输出功率为50mW左右，经分束器4分束后成为两束功率约为25mW的激光。而第一激光器1的输出功率为25mW，第三激光器的输出功率为24mW，因此第一合束器5和第二合束器6的两路输入激光的光功率差均非常小，满足不大于10％的要求。当任一合束器的两路输入激光光功率差很大时，会降低光子混频的效率，从而降低系统的信噪比。
调制器9为双输出信号发生器。它发出两个频率都为20KHz的调制信号。一个为±500mV的方波信号，与太赫兹光电导辐射天线7偏压输入端相连，作为太赫兹辐射的激励偏压。一个为TTL信号，与锁相放大模块10的参考信号输入端相连，作为锁相放大的频率参考。锁相放大模块10的输入设置为电流输入，灵敏度为nA量级，并与太赫兹光电导探测天线8的输出端相连。控制模块11是一台计算机，并通过RS232串口通信方式同第二激光器2和锁相放大模块10实现通信。控制模块11负责发送命令控制第二激光器2的输出波长从1550.1nm到1570.4nm逐渐变化，并记录每次改变波长之后锁相放大模块10的输出值，就可以完成从0.01THz到2.51THz频率范围的光谱记录。虽然没有使用激光相位调制设备，但是此光谱记录的频率分辨率和信噪比与使用激光相位调制设备的光谱仪所获取的光谱记录相同。
本实施例中的光路均以光纤为基础，分束器和合束器也为光纤分束器和光纤合束器。但是本发明并不限定光路的形式。自由空间光路已经普通晶体或片状分束器和合束器也可以实现本发明的光路。

Claims (4)

1.一种光子混频太赫兹光谱仪，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、分束器、第一合束器、第二合束器、太赫兹光电导辐射天线、太赫兹光电导探测天线、调制模块、锁相放大模块和控制模块，其中：
所述第二激光器为输出频率可调的激光器，所述第一激光器和所述第三激光器输出的激光波长不同，所述第一激光器和所述第三激光器输出的激光的频率差满足发生拍频的条件；
所述分束器将所述第二激光器输出的激光分为两束；
所述第一合束器将所述分束器输出的一束激光和所述第一激光器输出的激光重合并输出到所述太赫兹光电导探测天线，所述第二合束器将所述分束器输出的另一束激光和所述第三激光器输出的激光重合并输出到所述太赫兹光电导辐射天线；
所述调制模块发出两个相同频率的调制信号，分别与所述太赫兹光电导辐射天线偏压输入端和所述锁相放大模块的参考信号输入端相连；
所述太赫兹光电导探测天线的输出端与所述锁相放大模块的信号输入端相连；
所述控制模块控制改变所述第二激光器的输出频率后，记录所述锁相放大模块的输出值。
2.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹光谱仪，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器均为连续输出且所输出的激光具有相同的偏振状态。
3.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹光谱仪，其特征在于，所述分束器、第一合束器、第二合束器都不改变所操作激光的偏振状态。
4.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹光谱仪，其特征在于，作为所述第一合束器输入激光的两束激光的功率差不大于10％，作为所述第二合束器输入激光的两束激光的功率差不大于10％。
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