CN110196107B - 一种太赫兹线宽测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹线宽测量装置及方法。所述装置包括步进电机、处理器和依次设置的准直镜、F‑P前腔镜、F‑P后腔镜、聚焦透镜及太赫兹探测器；步进电机与F‑P后腔镜连接，控制F‑P后腔镜移动，调节F‑P后腔镜与F‑P前腔镜之间的距离；太赫兹探测器检测待测太赫兹波的透射功率；处理器控制步进电机移动，记录步进电机的移动距离以及与移动距离对应的透射功率，处理计算，得到待测太赫兹波光束线宽。利用步进电机控制F‑P后腔镜移动，并利用太赫兹探测器检测待测太赫兹波光束的透射功率，通过移动距离和透射功率拟合计算得到待测太赫兹波光束线宽，测量过程中，无需高反射率F‑P腔镜，降低测量难度和成本。

Description

一种太赫兹线宽测量装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹检测技术领域，特别是涉及一种太赫兹线宽测量装置及方法。

背景技术

近年来太赫兹单色光源技术发展迅猛，能够产生太赫兹光源器件种类多样，如差频太赫兹源、太赫兹参量振荡器、种子注入式太赫兹参量产生器等，与之对应的太赫兹线宽在0.1GHz-50GHz之间。

对太赫兹线宽的测量大都使用F-P干涉仪进行测量，而现有技术F-P干涉仪测量太赫兹线宽的方法主要依靠对干涉峰半高全宽(full width at half maxima，FWHM)测量，但是这种测量方法对F-P干涉仪的腔镜反射率和腔长要求较高，需要有高反射率的金属网栅反射镜和较长的腔长以获得足够的精细度，而高反射率的F-P腔镜成本较高，使太赫兹线宽的测量中有较大的成本支出。同时，透过太赫兹信号弱、缺乏高灵敏探测器和网栅反射镜而得不到足够精细的干涉峰，探测信噪比低，对测量操作要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种不依赖干涉峰FWHM信息，无需高反射率F-P腔镜的太赫兹线宽测量装置及方法，降低测量成本和测量难度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种太赫兹线宽测量装置，所述装置包括步进电机、处理器和依次设置的准直镜、F-P前腔镜、F-P后腔镜、聚焦透镜及太赫兹探测器；

所述准直镜、所述F-P前腔镜、所述F-P后腔镜、所述聚焦透镜和所述太赫兹探测器的光轴均与待测太赫兹波光束同轴；

所述准直镜用于对所述待测太赫兹波光束进行准直，得到平行待测太赫兹波光束；

所述F-P前腔镜和所述F-P后腔镜用于使所述平行待测太赫兹波光束产生干涉；

所述步进电机与所述F-P后腔镜连接，用于控制所述F-P后腔镜移动，调节所述F-P后腔镜与所述F-P前腔镜之间的距离；

所述聚焦透镜用于对经过干涉的待测太赫兹波光束进行汇聚；

所述太赫兹探测器用于检测汇聚后的待测太赫兹波光束的透射功率；

所述处理器分别与所述步进电机和所述太赫兹探测器连接，用于控制所述步进电机移动，记录所述步进电机的移动距离以及与所述移动距离对应的所述透射功率，并对所述移动距离和所述透射功率进行处理计算，得到待测太赫兹波光束线宽。

可选的，所述太赫兹探测器为高莱探测器。

可选的，所述装置还包括斩波器，

所述斩波器位于所述聚焦透镜与所述高莱探测器之间，用于调节汇聚后的待测太赫兹波光束的脉冲频率，使所述脉冲频率与所述高莱探测器适配。

可选的，所述F-P前腔镜和所述F-P后腔镜均为两面抛光高阻硅片。

可选的，所述步进电机的步长为1μm。

可选的，所述准直镜和所述聚焦透镜的焦距均为100mm。

一种太赫兹线宽测量方法，所述方法包括：

控制步进电机位于初始位置，所述初始位置为F-P前腔镜与F-P后腔镜的间距为0时，对应所述步进电机所处的位置；

向所述步进电机发出控制指令，使所述步进电机以设定速度带动所述F-P后腔镜向远离所述F-P前腔镜的方向移动；

获取所述步进电机的移动距离与对应的太赫兹探测器检测到的透射功率；

根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽。

可选的，所述根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽，具体包括：

根据所述移动距离与对应的所述透射功率绘制平面图；

根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置；

根据λ＝(z(m)-z(1))/(m-1)，确定所述待测太赫兹波光束的波长，其中m表示最高级峰的级数，z(m)表示第m级峰的位置，z(1)表示第一级峰的位置；

根据z(m)和λ修正第一级峰到第m级峰的位置，得到修正后的各级峰的位置分别为：z'(m)＝z(m)，z'(m-1)＝z'(m)-λ，……，z'(1)＝z'(2)-λ；

对得到的z'(1)，z'(2)……z'(m)四舍五入取整，得到z”(1)，z”(2)……z”(m)；

将获取的移动距离分别为z”(1)，z”(2)……z”(m)时对应的透射功率重新绘制上包络；

根据公式

对重新绘制的上包络进行拟合，得到线宽Δν，其中A₀为幅值，ν₀为待测太赫兹波光谱中心频率，ν为频率，c为真空中的光速，d为F-P前腔镜与F-P后腔镜之间的距离，F为精细度，

R为腔镜反射率。

可选的，所述根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置，具体包括：

选定所述平面图上的第j个信号点；

判断所选定的信号点的透射功率是否同时大于所述所选定的信号点左边n个信号点和右边n个信号点的透射功率，得到判断结果；

若所述判断结果为是，则选出所述所选定的信号点；

若所述判断结果为否，将j的值加1并返回步骤“选定所述平面图上的第j个信号点”直至所述平面图上所有的信号点都判断完成；

将所选出的信号点依次连接得到所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

利用步进电机与F-P后腔镜连接，控制F-P后腔镜移动，并利用太赫兹探测器检测待测太赫兹波光束的透射功率，通过移动距离和透射功率拟合计算得到待测太赫兹波光束线宽，即利用待测太赫兹波通过F-P干涉仪后测得的干涉峰包络以拟合的方法获得太赫兹线宽，测量过程中，无需高反射率F-P腔镜，降低测量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的太赫兹线宽测量装置结构图；

图2为本发明实施例提供的带有斩波器的太赫兹线宽测量装置结构图；

图3为本发明实施例提供的太赫兹线宽测量方法中根据测量到的移动距离和透射功率绘制的平面图；

图4为本发明实施例提供的太赫兹脉冲功率波动为5％时，所测得的脉冲包络图；

图5为本发明实施例提供的太赫兹脉冲功率波动为5％时，得到的脉冲上包络和拟合结果图；

图6为本发明实施例提供的太赫兹脉冲功率波动为5％时，得到的各级峰修正后的上包络和拟合结果图；

附图标记说明：

1：步进电机，2：准直镜，3：F-P前腔镜，4：F-P后腔镜，5：太赫兹探测器，6：聚焦透镜，7：处理器，8：斩波器。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无需高反射率F-P腔镜的太赫兹线宽测量装置及方法，降低测量成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的太赫兹线宽测量装置结构图，如图1所示，一种太赫兹线宽测量装置，所述装置包括步进电机1、处理器7和依次设置的准直镜2、F-P前腔镜3、F-P后腔镜4、聚焦透镜6及太赫兹探测器5；

所述准直镜2、所述F-P前腔镜3、所述F-P后腔镜4、所述聚焦透镜6和所述太赫兹探测器5的光轴均与待测太赫兹波光束同轴；

所述准直镜2用于对所述待测太赫兹波光束进行准直，得到平行待测太赫兹波光束；

所述F-P前腔镜3和所述F-P后腔镜4用于使所述平行待测太赫兹波光束产生干涉；所述F-P前腔镜3和所述F-P后腔镜4均为两面抛光高阻硅片。

具体地，所述F-P前腔镜3和所述F-P后腔镜4的直径均为25.4mm，厚度均为1mm，腔外侧均设置有1°楔角，用于防止F-P前腔镜3前表面及F-P后腔镜4后表面反射而引起的干涉对测量结果产生影响。

所述步进电机1与所述F-P后腔镜4连接，用于控制所述F-P后腔镜4移动，调节所述F-P后腔镜4与所述F-P前腔镜3之间的距离；所述步进电机1的步长为1μm。

所述聚焦透镜6用于对经过干涉的待测太赫兹波光束进行汇聚；

所述太赫兹探测器5用于检测汇聚后的待测太赫兹波光束的透射功率；

所述处理器7分别与所述步进电机1和所述太赫兹探测器5连接，用于控制所述步进电机1移动，记录所述步进电机1的移动距离以及与所述移动距离对应的所述透射功率，并对所述移动距离和所述透射功率进行处理计算，得到待测太赫兹波光束线宽。

如图2所示，本实施例中，所述准直镜2和所述聚焦透镜6的焦距均为100mm，所述太赫兹探测器5为高莱探测器。

所述装置还包括斩波器8，所述斩波器8位于所述聚焦透镜6与所述高莱探测器之间，用于调节汇聚后的待测太赫兹波光束的脉冲频率，使所述脉冲频率与所述高莱探测器适配。具体地，所述斩波器8的调节频率为10Hz。

本实施例中，还设置有待测太赫兹波光源，用于发出待测太赫兹波光束。具体地，本实施例中的待测太赫兹波光源为种子注入式太赫兹参量产生器，辐射脉冲的参数为：脉冲重复频率为100Hz，产生的每个脉冲的能量为0.1μJ，太赫兹中心频率(对应真空中波长)为1.6THz(187.4μm)，待测太赫兹线宽约为5GHz。

本发明的太赫兹线宽测量装置，利用步进电机1与F-P后腔镜4连接，控制F-P后腔镜4移动，并利用太赫兹探测器5检测待测太赫兹波光束的透射功率，通过移动距离和透射功率拟合计算得到待测太赫兹波光束线宽，测量过程中，无需高反射率F-P腔镜，降低测量成本。

本实施例还提供一种太赫兹线宽测量方法，所述方法包括：

控制步进电机1位于初始位置，所述初始位置为F-P前腔镜3与F-P后腔镜4的间距为0时，对应所述步进电机1所处的位置；

向所述步进电机1发出控制指令，使所述步进电机1以设定速度带动所述F-P后腔镜4向远离所述F-P前腔镜3的方向移动；

获取所述步进电机1的移动距离与对应的太赫兹探测器5检测到的透射功率；

根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽。

所述根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽，具体包括：

如图3所示，根据所述移动距离与对应的所述透射功率绘制平面图；

根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置；

根据λ＝(z(m)-z(1))/(m-1)，确定所述待测太赫兹波光束的波长，其中m表示最高级峰的级数，z(m)表示第m级峰的位置，z(1)表示第一级峰的位置；

根据z(m)和λ修正第一级峰到第m级峰的位置，得到修正后的各级峰的位置分别为：z'(m)＝z(m)，z'(m-1)＝z'(m)-λ，……，z'(1)＝z'(2)-λ；

对得到的z'(1)，z'(2)……z'(m)四舍五入取整，得到z”(1)，z”(2)……z”(m)；

将获取的移动距离分别为z”(1)，z”(2)……z”(m)时对应的透射功率重新绘制上包络；

根据公式

对重新绘制的上包络进行拟合，得到线宽Δν，其中A₀为幅值，ν₀为待测太赫兹波光谱中心频率，ν为频率，c为真空中的光速，d为F-P前腔镜3与F-P后腔镜4之间的距离，F为精细度，

R为腔镜反射率。

所述根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置，具体包括：

选定所述平面图上的第j个信号点；

判断所选定的信号点的透射功率是否同时大于所述所选定的信号点左边n个信号点和右边n个信号点的透射功率，得到判断结果；

若所述判断结果为是，则选出所述所选定的信号点；

若所述判断结果为否，将j的值加1并返回步骤“选定所述平面图上的第j个信号点”直至所述平面图上所有的信号点都判断完成；

将所选出的信号点依次连接得到所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络。

如图4-6所示，太赫兹脉冲功率波动为5％时，根据测得的移动距离和对应的透射功率绘制脉冲包络图，并根据脉冲包络图得到上包络，直接对上包络进行拟合，得到拟合结果，待测太赫兹线宽为4.58GHz(图4)，同时绘制对各级峰修正后的上包络和拟合结果图(图5)，结果显示，待测太赫兹线宽为4.94GHz。

可知，通过对各级峰位置的修正，能够大大减小由于太赫兹波功率不稳定性，对拟合结果产生的干扰，即通过修正各级峰位置，重新得到上包络，再进行拟合，得到待测太赫兹波光束的线宽的过程，能够提高测量精度。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，

所述装置包括步进电机、处理器和依次设置的准直镜、F-P前腔镜、F-P后腔镜、聚焦透镜及太赫兹探测器；

所述准直镜、所述F-P前腔镜、所述F-P后腔镜、所述聚焦透镜和所述太赫兹探测器的光轴均与待测太赫兹波光束同轴；

所述准直镜用于对所述待测太赫兹波光束进行准直，得到平行待测太赫兹波光束；

所述F-P前腔镜和所述F-P后腔镜用于使所述平行待测太赫兹波光束产生干涉；

所述步进电机与所述F-P后腔镜连接，用于控制所述F-P后腔镜移动，调节所述F-P后腔镜与所述F-P前腔镜之间的距离；

所述聚焦透镜用于对经过干涉的待测太赫兹波光束进行汇聚；

所述太赫兹探测器用于检测汇聚后的待测太赫兹波光束的透射功率；

所述处理器分别与所述步进电机和所述太赫兹探测器连接，用于控制所述步进电机移动，记录所述步进电机的移动距离以及与所述移动距离对应的所述透射功率，并对所述移动距离和所述透射功率进行处理计算，得到待测太赫兹波光束线宽；

所述处理器对所述移动距离和所述透射功率进行处理计算，得到待测太赫兹波光束线宽的具体过程为：根据所述移动距离与对应的所述透射功率绘制平面图；

根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置；

根据λ＝(z(m)-z(1))/(m-1)，确定所述待测太赫兹波光束的波长，其中m表示最高级峰的级数，z(m)表示第m级峰的位置，z(1)表示第一级峰的位置；

根据z(m)和λ修正第一级峰到第m级峰的位置，得到修正后的各级峰的位置分别为：z'(m)＝z(m)，z'(m-1)＝z'(m)-λ，……，z'(1)＝z'(2)-λ；

对得到的z'(1)，z'(2)……z'(m)四舍五入取整，得到z”(1)，z”(2)……z”(m)；

将获取的移动距离分别为z”(1)，z”(2)……z”(m)时对应的透射功率重新绘制上包络；

根据公式

对重新绘制的上包络进行拟合，得到线宽Δν，其中A₀为幅值，ν₀为待测太赫兹波光谱中心频率，ν为频率，c为真空中的光速，d为F-P前腔镜与F-P后腔镜之间的距离，F为精细度，

R为腔镜反射率。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，所述太赫兹探测器为高莱探测器。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，

所述装置还包括斩波器，

所述斩波器位于所述聚焦透镜与所述高莱探测器之间，用于调节汇聚后的待测太赫兹波光束的脉冲频率，使所述脉冲频率与所述高莱探测器适配。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，

所述F-P前腔镜和所述F-P后腔镜均为两面抛光高阻硅片。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，

所述步进电机的步长为1μm。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹线宽测量装置，其特征在于，

所述准直镜和所述聚焦透镜的焦距均为100mm。

7.一种太赫兹线宽测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任意一项所述一种太赫兹线宽测量装置，

所述方法包括：

控制步进电机位于初始位置，所述初始位置为F-P前腔镜与F-P后腔镜的间距为0时，对应所述步进电机所处的位置；

向所述步进电机发出控制指令，使所述步进电机以设定速度带动所述F-P后腔镜向远离所述F-P前腔镜的方向移动；

获取所述步进电机的移动距离与对应的太赫兹探测器检测到的透射功率；

根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽；

所述根据所述移动距离与对应的所述透射功率计算得到待测太赫兹波光束的线宽，具体包括：

根据所述移动距离与对应的所述透射功率绘制平面图；

根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置；

根据λ＝(z(m)-z(1))/(m-1)，确定所述待测太赫兹波光束的波长，其中m表示最高级峰的级数，z(m)表示第m级峰的位置，z(1)表示第一级峰的位置；

根据z(m)和λ修正第一级峰到第m级峰的位置，得到修正后的各级峰的位置分别为：z'(m)＝z(m)，z'(m-1)＝z'(m)-λ，……，z'(1)＝z'(2)-λ；

对得到的z'(1)，z'(2)……z'(m)四舍五入取整，得到z”(1)，z”(2)……z”(m)；

将获取的移动距离分别为z”(1)，z”(2)……z”(m)时对应的透射功率重新绘制上包络；

根据公式

对重新绘制的上包络进行拟合，得到线宽Δν，其中A₀为幅值，ν₀为待测太赫兹波光谱中心频率，ν为频率，c为真空中的光速，d为F-P前腔镜与F-P后腔镜之间的距离，F为精细度，

R为腔镜反射率。

8.根据权利要求7所述的一种太赫兹线宽测量方法，其特征在于，

所述根据所述平面图，确定所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络，得到各级干涉峰的位置，具体包括：

选定所述平面图上的第j个信号点；

判断所选定的信号点的透射功率是否同时大于所述所选定的信号点左边n个信号点和右边n个信号点的透射功率，得到判断结果；

若所述判断结果为是，则选出所述所选定的信号点；

若所述判断结果为否，将j的值加1并返回步骤“选定所述平面图上的第j个信号点”直至所述平面图上所有的信号点都判断完成；

将所选出的信号点依次连接得到所述待测太赫兹波光束经干涉后的透射信号上包络。

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