CN112235051B - 一种太赫兹扫频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹扫频源及系统，太赫兹光源领域，太赫兹扫频源包括：第一光频梳产生模块，用于周期性发射第一重频的第一原始光频梳，并将第一原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第一输出光频梳；第二光频梳产生模块，用于发射中心波长和带宽可控的第二重频的第二原始光频梳，并将第二原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第二输出光频梳，第一重频与第二重频存在重频差；耦合放大模块，用于将接收到的第一输出光频梳和第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号；光电导天线，用于将光强度信号转化成太赫兹信号并发射出去。本申请通过光纤双频梳进行色散拉伸后光学拍频来产生宽扫描带宽、高扫频速率、高线性度的太赫兹扫频源。

Description

一种太赫兹扫频系统
技术领域
本发明属于太赫兹光源领域，特别涉及一种脉冲型太赫兹源，更具体地，涉及一种太赫兹扫频源及系统。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，对应的电磁波长在3mm到30μm，位于微波和光学波段之间，具有独特的性质：瞬态性、宽带性、低能性、穿透性、吸收性、指纹特性等。这些性质使得太赫兹在无线通信、安全检测与反恐、物质分析等领域有着巨大的潜力，特别是太赫兹技术正在大力推进工业应用。
太赫兹测量早期主要依靠时域太赫兹光谱仪，利用峰值功率高的飞秒脉冲产生太赫兹信号是主要方式，它具有大带宽、测量速率在Hz到kHz量级等优点，但它是超短脉冲型太赫兹，分辨率有限、峰值功率高，对某些样品有损伤。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一种太赫兹扫频源及系统，其目的在于产生具有宽扫描带宽、高扫频速率、高线性度脉冲型的太赫兹扫频光源，由此解决太赫兹源产生的太赫兹信号脉冲超短、分辨率有限、峰值功率高等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹扫频源及系统。
一种太赫兹扫频源，包括：
第一光频梳产生模块，用于周期性发射第一重频的第一原始光频梳，并将所述第一原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第一输出光频梳；
第二光频梳产生模块，用于发射中心波长和带宽可控的第二重频的第二原始光频梳，并将所述第二原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第二输出光频梳，所述第一重频与所述第二重频存在重频差；
耦合放大模块，与所述第一光频梳产生模块和所述第二光频梳产生模块连接，用于将接收到的所述第一输出光频梳和所述第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号，并将所述光强度信号的功率放大至目标功率，所述目标功率满足发射太赫兹信号的功率要求；
光电导天线，与所述耦合放大模块连接，用于将所述目标功率的光强度信号转化成太赫兹信号并发射出去。
在其中一个实施例中，所述第一光频梳产生模块包括：
第一飞秒激光源，用于周期性发射所述第一原始光频梳，所述第一原始光频梳的中心波长在1550nm波段；
第一可调光滤波器，与所述第一飞秒激光源连接，用于调谐所述第一原始光频梳的带宽和中心波长，以使所述太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可调谐；
第一色散拉伸单元，与所述第一可调光滤波器连接，用于将调谐后的第一原始光频梳进行拉伸，以使调谐后的第一原始光频梳形成第一色散量Φ1，而无三阶色散；
第一偏振控制器，与所述第一色散拉伸单元连接，用于控制拉伸后的第一原始光频梳与所述光电导天线偏振态一致，并将偏振后的第一原始光频梳作为所述第一输出光频梳输出。
在其中一个实施例中，所述第一色散拉伸单元包括：互相连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF。
在其中一个实施例中，所述第二光频梳产生模块包括：
第二飞秒激光源，用于周期性发射所述第二原始光频梳，所述第一原始光频梳的中心波长在1550nm波段；
第二可调光滤波器，与所述第二飞秒激光源连接，用于调整所述第二原始光频梳的带宽和中心波长，以使所述太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可重构；
第二色散拉伸单元，与所述第二可调光滤波器连接，用于将调整后的第二原始光频梳进行拉伸，以使调整后的第二原始光频梳形成第二色散量Φ2，而无三阶色散；
第二偏振控制器，与所述第二色散拉伸单元连接，用于控制拉伸后的第二原始光频梳与所述光电导天线偏振态一致，并将偏振后的第二原始光频梳作为所述第二输出光频梳输出。
在其中一个实施例中，所述第二飞秒激光源内包括反馈环，用于控制所述第二原始光频梳的第二重频，以调整所述第二重频与所述第一重频的重频差。
在其中一个实施例中，所述第二色散拉伸单元包括：依次连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF。
在其中一个实施例中，所述耦合放大模块，包括：
耦合单元，用于将接收到的所述第一输出光频梳和所述第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号；
光放大单元，与所述耦合单元连接，用于将所述光强度信号的功率放大至目标功率。
在其中一个实施例中，所述电导天线包括：
转化单元，用于将所述光强度信号进行光-太赫兹转换生成所述太赫兹扫频信号；
发射单元，与所述转化单元连接，用于将所述太赫兹扫频信号发射出去。
一种太赫兹扫频系统，包括：
上述的太赫兹扫频源，用于生成并出射太赫兹扫频信号，还用于输出光强度信号；
光谱测量装置，与所述太赫兹扫频源连接，用于吸收所述太赫兹扫频信号中太赫兹光谱得到携带有光谱信息的太赫兹扫频信号，还用于将所述光强度信号作为本振太赫兹信号与所述携带有光谱信息的太赫兹扫频信号进行混频得到目标扫描信号；
微波电路，与所述光谱测量装置连接，用于获取所述目标扫描信号的幅度信息和相位信息。
在其中一个实施例中，所述光谱测量装置包括：
吸收样本，用于吸收所述太赫兹扫频信号中太赫兹光谱得到携带有光谱信息的太赫兹扫频信号；
太赫兹接收天线，与所述吸收样本连接，用于将所述光强度信号作为本振太赫兹信号与所述携带有光谱信息的太赫兹扫频信号进行混频得到目标扫描信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过光纤双频梳进行色散拉伸后光学拍频来产生太赫兹扫频源，能够取得下列有益效果：
1.太赫兹扫频源具备宽扫描带宽、高扫频速率、高线性度的窄脉冲型(窄瞬时带宽)等优点，同时具备扫描速率、扫描带宽、扫描形状等参数可重构功能。可重构的超快大带宽的啁啾可调的太赫兹扫频源，在实际领域中能够灵活应用，为太赫兹技术的实用化奠定好的基础。
2.第一输出光频梳和第二输出光频梳是发展成熟的光纤光频梳，两者的重频差都可以通过反馈环进行精确调控，其带宽都可达100nm量级以上，为太赫兹扫频源的带宽可重构方面提供基础；所用的光学器件都是基于发展成熟的通信波段，相比较空间光学元件具有价格低廉紧，结构紧凑，稳定性好等优点。
3.控制调整可调滤波器、色散单元的色散量等参数可以实现太赫兹扫频源的扫频速率、带宽、扫频精度、信号的啁啾各种参数可重构。
附图说明
图1为本申请一实施例中太赫兹扫频源的结构示意图；
图2为本申请一实施例中太赫兹扫频源的一个扫频周期时域图；
图3为本申请一实施例中太赫兹扫频源的一个扫频周期频域图；
图4为本申请一实施例中太赫兹扫频源时间-频率二维图；
图5为本申请一实施例中太赫兹扫频源过程中555GHz时的时域图；
图6为本申请一实施例中太赫兹扫频源过程中555GHz时的时域细节图；
图7为本申请一实施例中太赫兹扫频源过程中555GHz时的频域图；
图8为本申请一实施例中中太赫兹扫频源过程的时间-频率二维图，展示重构性；
图9为本申请一实施例中本发明太赫兹扫频源模块用于太赫兹吸收谱测量的结构示意图；
图10为本申请一实施例中吸收样本的太赫兹吸收谱；
图11为本申请一实施例中太赫兹扫频源未经过吸收样本时的时域图；
图12为本申请一实施例中太赫兹扫频源经过吸收样本后的时域图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
第一光频梳产生模块10、第二光频梳产生模块20、耦合放大模块30、光电导天线40；
第一飞秒激光源110、第一可调光滤波器120、第一色散拉伸单元130、第一偏振控制器140；
第二飞秒激光源210、第二可调光滤波器220、第二色散拉伸单元230、第二偏振控制器240；
耦合单元310、光放大单元320。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本申请一实施例中太赫兹扫频源的结构示意图。如图1所示，,太赫兹扫频源包括：第一光频梳产生模块10，用于周期性发射第一重频的第一原始光频梳，并将第一原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第一输出光频梳；第二光频梳产生模块20，用于发射中心波长和带宽可控的第二重频的第二原始光频梳，并将第二原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第二输出光频梳，第一重频与第二重频存在重频差；耦合放大模块30，与第一光频梳产生模块10和第二光频梳产生模块20连接，用于将接收到的第一输出光频梳和第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号，并将光强度信号的功率放大至目标功率，目标功率满足发射太赫兹信号的功率要求；光电导天线40，与耦合放大模块30连接，用于将目标功率的光强度信号转化成太赫兹信号并发射出去。
在其中一个实施例中，如图1所示，第一光频梳产生模块10包括：第一飞秒激光源110，用于周期性发射第一原始光频梳，第一原始光频梳的中心波长在1550nm波段；第一可调光滤波器120，与第一飞秒激光源110连接，用于调谐第一原始光频梳的带宽和中心波长，以使太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可调谐；第一色散拉伸单元130，与第一可调光滤波器120连接，用于将调谐后的第一原始光频梳进行拉伸，以使调谐后的第一原始光频梳形成第一色散量，而无三阶色散；第一偏振控制器140，与第一色散拉伸单元130连接，用于控制拉伸后的第一原始光频梳与光电导天线40偏振态一致，并将偏振后的第一原始光频梳作为第一输出光频梳输出。在其中一个实施例中，第一色散拉伸单元130包括：互相连接的色散补偿光纤(Dispersion Compensating Fiber，DCF)和大有效面积光纤(Large Effective-AreaFiber，LEAF)。
在其中一个实施例中，如图1所示，第二光频梳产生模块20包括：第二飞秒激光源210，用于周期性发射第二原始光频梳，第一原始光频梳的中心波长在1550nm波段；第二可调光滤波器220，与第二飞秒激光源210连接，用于调整第二原始光频梳的带宽和中心波长，以使太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可重构；第二色散拉伸单元230，与第二可调光滤波器220连接，用于将调整后的第二原始光频梳进行拉伸，以使调整后的第二原始光频梳形成第二色散量，而无三阶色散；第二偏振控制器240，与第二色散拉伸单元230连接，用于控制拉伸后的第二原始光频梳与光电导天线40偏振态一致，并将偏振后的第二原始光频梳作为第二输出光频梳输出。
在其中一个实施例中，第二飞秒激光源210内包括反馈环，用于控制第二原始光频梳的第二重频，以调整第二重频与第一重频的重频差。在其中一个实施例中，第二色散拉伸单元230包括：依次连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF。
需要说明的是，第一光频梳产生模块10包括的第一飞秒激光源110是光纤锁模飞秒激光源，其中心波长在1550nm波段，其光场表达式如下：
Figure GDA0003296188840000071
第一原始光频梳的中心频率是式中ω01，T1是光频梳的时域周期，φ01是第一原始光频梳的初始相位，A1(t)是光频梳的每个脉冲的复振幅包络，此处为了方便推导和理解，第一原始光频梳的复振幅被简化为高斯型包络。值得注意的是其它包络形状也是可以的，具体表达式如下：
Figure GDA0003296188840000081
式中Tpw1为传输受限脉冲的脉冲宽度，根据傅里叶变换并忽略其中的常数部分，第一原始光频梳的频谱表达式为：
Figure GDA0003296188840000082
上式中Δω1为光频梳的带宽，其等于Δω1＝4In2/Tpw1，由该公式可看到光频梳脉宽越窄，光谱的带宽越大，第一原始光频梳的带宽可通过相应带宽的第一可调光滤波器120进行控制。
第一色散拉伸单元130是将互相连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEA进行组合进行大二阶色散拉伸。DCF和LEAF有完全反号的二阶色散系数和三阶色散系数，但DCF的二阶色散系数一般可达到160ps2/km，而LEAF的二阶色散通常在-4ps2/km。而三阶色散系数只有DCF的1/8左右，因此当通过优化组合LEAF和DCF的长度时，即可实现三阶色散完全消除。而二阶色散主要由DCF的色散量决定，此时工作带宽通常在100nm以上。即第一色散拉伸单元130的频域表达式可写为：
Figure GDA0003296188840000083
Φ1为该色散组合模块的二阶色散，根据傅里叶变换，可得到其时域冲击函数响应为：
Figure GDA0003296188840000084
第一原始光频梳经过该大二阶色散Φ1组合传输后，输出第一输出光频梳等于两者频域函数的乘积、时域上进行卷积，因此拉伸后输出的第一输出光频梳对应的光场表达式为：
Figure GDA0003296188840000091
在式子推导过程中已使用了大色散条件(类似夫琅禾费衍射条件)，从而忽略上式中的二次项。
因此，此时经过色散Φ1拉伸后的第一输出光频梳的光场表达式如下所示：
Figure GDA0003296188840000092
从该式可以看出第一原始光频梳的每个脉冲经过第一色散拉伸单元130输出后都变成了一个载波频率随时间变化的脉冲信号，频率变换为ω＝ω01-t/Φ1，持续时间为Tpw1＝Φ1Δω1。可见第一输出光频梳的脉冲宽度与超短脉冲的频谱宽度还有色散量成正比，在本发明中，通常可以达到ns量级以上。
另一方面，第二飞秒激光源210也是一种大带宽的超短脉冲，为了简便推导，设定为高斯脉冲，但本次推导对其它情况也是适用的。因此第二原始光频梳的光场表达式为：
Figure GDA0003296188840000093
T2为周期，ω02是载波频率，φ02是初始相位，其光学脉冲宽度为Tpw2，其对应的光谱表达式为：
Figure GDA0003296188840000101
其光谱宽度Δω2＝4In2/Tpw2可通过第二可调光滤波器220来进行控制。根据游标卡尺效应，第一输出光频梳相对于第二输出光频梳有微小重频差，每个对应脉冲会有自动延时，其表达式为：
Figure GDA0003296188840000102
式中frep1是相应光频梳的重复频率，Δf是两个光频梳的重频差，重频差可以是Hz到5MHz之间的任意数值，重频差越高，扫频速度越快，但是扫频步长也越大。在整个重频差周期内1/Δf，涵盖的第一原始光频梳的脉冲个数为：
Figure GDA0003296188840000103
而第二原始光频梳的脉冲个数为N+1。
当第二原始光频梳输入到由色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF组成的第二色散拉伸单元230后，通过优化两个光纤长度，实现无三阶色散的大二阶色散Φ2，其频域响应函数为：
Figure GDA0003296188840000104
根据傅里叶变换，可得到其时域冲击函数响应为：
Figure GDA0003296188840000105
因此，当色散量也满足远场色散条件，则经过第二色散拉伸单元230输出后的第二输出光频梳的复振幅可类似公式(5)推导一样，得到：
Figure GDA0003296188840000111
则其输出的光场表达式为：
Figure GDA0003296188840000112
从该式可以看出第二原始光频梳经过第二色散拉伸单元230进行拉伸后，也变成了一个载波频率随时间变化的脉冲信号，频率变换为ω＝ω02-t/Φ2+nδt/Φ2，持续时间为Tpw2＝Φ2Δω2。可见拉伸后的脉冲宽度与超短脉冲的频谱宽度还有色散量成正比，在本发明中，通常可以达到ns量级以上。
将第一色散拉伸单元130进行拉伸后的第一输出光频梳和经过第二色散拉伸单元230进行拉伸后的第二输出光频梳分别经过各自的偏振控制器进行偏振态对准后输入耦合放大模块30，耦合放大模块30经过耦合和放大之后再输入到光电导天线40进行光-太赫兹转换并出射。本次推导以光电导天线40为例来生成太赫兹信号。在其中一个实施例中，耦合放大模块30，包括：耦合单元310，用于将接收到的第一输出光频梳和第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号；光放大单元320，与耦合单元连接，用于将光强度信号的功率放大至目标功率。在其中一个实施例中，光电导天线40包括：转化单元，用于将光强度信号进行进行光-太赫兹转换生成太赫兹扫频信号；发射单元，与转化单元，用于将太赫兹扫频信号发射出去。目前报道的光电导天线40是平方率响应即强度响应，响应带宽可高达2THz以上。第一输出光频梳和第二输出光频梳输入到光电导天线40中时，形成的光强度为：
Figure GDA0003296188840000113
根据光强度表达式可以发现它既包含了第一输出光频梳和第二输出光频梳本身的光强包络，由于第一输出光频梳和第二输出光频梳都已经拉伸到ns量级的宽度，其光强包络也是ns量级，因此本身是个低频的射频分量(MHz)。此外，它还包括了两个第一输出光频梳和第二输出光频梳的相干包络项，也即最后一项，对相干包络项进行进一步推导可得到：
Figure GDA0003296188840000121
式中Aint(t)为相干信号的幅度包络，ΦΔ为与时间无关的相位，其表达式如下
Figure GDA0003296188840000122
该表达式可以看出，相干项的包络是拉伸后的第一输出光频梳和第二输出光频梳的包络的乘积，并且在整个重频差周期内1/Δf，两者包络会逐渐进行时间错位。由于两者包络都在ns量级以上，因此其乘积也在ns量级以上，但会随着时间进行重叠。这个两个光频梳产生的相干光强度会通过光电导天线40转换成太赫兹信号发射出去，此时发射的太赫兹信号表达式为：
Figure GDA0003296188840000123
其中，R(ω)为光电导天线40的频谱响应函数，一般光电导天线40带宽可响应到2THz以上。另一方面，从式子可以看出该相干项同时还被一个余弦调制，调制频率为：
Figure GDA0003296188840000124
从该表达式可以看出，两个第一输出光频梳和第二输出光频梳的载波中心频率之差ω01-ω02决定了该产生太赫兹的启始频率，并以步进频率精度为δt/Φ2在整个重频差周期内1/Δf完成自动频率扫频。第一输出光频梳和第二输出光频梳的带宽决定了扫频的带宽。同时每个太赫兹扫频脉冲的啁啾量可通过两个大色散单元的色散差1/Φ2-1/Φ1进行控制。特别地，当两个大色散量相等时即Φ2＝Φ1，此时产生的太赫兹信号单个频率是无啁啾的，带宽最窄。因此根据实际需要，本方案可进行相应的重构。当两者相等时，产生的扫频太赫兹元源的每个太赫兹频率都是瞬时线宽最窄无啁啾的。当两者不相等时，产生的每个太赫兹频率都是带有啁啾的(即一定的瞬时线宽)，啁啾量如公式19所示，因此通过设置两个色散量大小，重构扫频源的每个频率的带宽。
通过本方案产生的超快大带宽的啁啾可调的太赫兹扫频源的指标参数如下：扫频时长为1/Δf，取决于两个光频梳的重频差，通常在kHz量级，达到MHz量级也是可行的，因此速率可在us-ms量级。这在目前太赫兹扫频源方案中速率算很高。扫频步长为δt/Φ2，可通过光频梳的重频差和色散量进行控制，带宽为两光频梳的光谱带宽，这可由可调光滤波器来控制。扫频的中心频率则由两光频梳的载波频率差决定，可在0Hz到THz内进行调制，只需通过控制两个可调光滤波器即可得到控制。此外通过改变两个大色散量的差值，也可实现啁啾的可控，因此最终可实现超快大带宽啁啾可控的太赫兹扫频源，下面将以应用实例予以说明。
在一个实施例中，为了验证本方案可产生具有宽扫描带宽、高扫频速率的脉冲型(窄瞬时带宽)太赫兹扫频源，本方案实施了一种2.5THz带宽、扫描速率达到1MHz(1μs)、线性度优于99.99％的高性能太赫兹扫频光源，本实施案例中两个第一输出光频梳和第二输出光频梳的带宽都为100nm，第一输出光频梳的重频为100MHz，第二输出光频梳的重频为100.5MHz，两者重频差高达500kHz。通过两个可调滤波器后都滤出20nm带宽、中心波长为1550nm的光谱，同时输入到225ps2中进行色散拉伸。
如图2所示的太赫兹扫频源的时域波形，可以看到在重频差500kHz的时间尺寸2000ns内，太赫兹扫频源即可完成完整扫频，且每个扫描频率对应都是ns量级的脉冲型。这说明太赫兹扫频源可实现500kHz的扫频速率，这是由两个光频梳的重频差决定，当通过反馈环改变重频差时，即可实现扫频速率的重构。
如图3所示的太赫兹扫频源的频域波形，可以看到产生的太赫兹扫频源带宽可达到2.5THz，这是由两个第二输出光频梳0nm的光谱决定的。当采用更大光谱带宽的光频梳时，产生的太赫兹扫频带宽可更大，因此可以通过可调滤波器的带宽调谐，实现太赫兹扫频源的带宽可重构。
如图4所示的太赫兹扫频源的频域和时域二维对应图，可以看到产生的太赫兹扫频源带宽从-1000ns到1000ns内，依次从-2500GHz(2.5THz)先以频率步长2GHz依次递减到0Hz，然后又增加至2.5THz，从结果来看线性度优于99.99％，这要归功于大色散中的三阶色散消除。此外扫频步长为27GHz，与理论公式吻合，因此可调控色散量来控制步长精度。最后由于正负频率在实际中都对应相同的真实频率，因此本实施案例1在2000ns内实现了太赫兹频率的高线性度的三角扫频，这种扫频形状可通过滤波器的中心波长控制来实现扫频形状的重构。
如图5所示的太赫兹扫频源中555GHz频率处的时域波形，可以看到其宽度为4ns的脉冲型，占空比为40％，这种脉冲型在实际应用中相对于连续型具有更优的信噪比和灵敏度。
如图6所示的太赫兹扫频源中555GHz频率处的时域细节图，可以看其是余弦振荡，振荡周期为1.8ps，对应的太赫兹频率为555GHz，这与理论公式(18)一致，再次说明了该方案的可行性。
如图7所示的太赫兹扫频源中555GHz频率处的频域细节图，可以看到其瞬时线宽约为500MHz，与其理论线宽250MHz(4ns时域宽度)非常接近，可看作其是传输受限，因此本方案产生的太赫兹扫频源具有极窄的瞬时线宽。
在一个实施例中，为了验证本方案可产生的太赫兹扫频源具有可重构性，即展示其带宽和扫频形状、扫频速率的可重构。本实施例通过控制两个可调光滤波器和光频梳的重频差来实现可重构。首先第一输出光频梳和第二输出光频梳的重频差从500kHz调成了1MHz(1000ns)。其次分别对第一输出光频梳和第二输出光频梳进行了不同的滤波。从第一输出光频梳滤出带宽为20nm、中心波长为1550nm的光谱，而从第二输出光频梳滤出的带宽为20nm、中心波长为1570nm的光谱。
如图8所示的太赫兹扫频源的频域和时域二维对应图，可以看到产生的太赫兹扫频源带宽从0ns到1000ns内，太赫兹频率从0Hz先以频率步长54GHz依次递增到到5000GHz(5THz)，从结果来看线性度依然优于99.99％。相对于前一个实施例，仅仅改变滤波器的中心波长，带宽从2.5THz提升到了5THz，此外也从三角线性扫频重构为了单次线性扫频，扫频速率达到了1MHz。因此实施案例2通过重频差和滤波器中心波长的调节，实现了扫频带宽5THz、单次线性扫频、扫频速率高达1MHz的高质量太赫兹扫频源重构。当两个可调滤波器的中心波长和带宽一致时，发射的太赫兹信号是来回扫频信号，如图4所示。当两光梳中心波长有一定差值时，扫频源的太赫兹的中心频率也有相应的差值，例如差距为20ns时，扫频太赫兹源的中心变成了2.5THz，如图8所示。
在一个实施例中，为了验证本方案产生的太赫兹扫频源在实际应用中相对于已有方案具有高测量速率优势，本实施例产生的太赫兹扫频源，其带宽为2.5THz、扫频速率为500kHz、瞬时线宽为500MHz、且可三角扫频的特点，展示了吸收样品的太赫兹吸收谱的测量，以展示本方案的实际应用。如图9所示，相对于图1的实施结构示意图，本申请提供一种太赫兹扫频系统，包括：上述的太赫兹扫频源，用于生成并出射太赫兹扫频信号；光谱测量装置，与所述太赫兹扫频源连接，用于吸收所述太赫兹扫频信号中太赫兹光谱得到携带有光谱信息的太赫兹扫频信号，并将所述携带有光谱信息的太赫兹扫频信号发射出去。光谱测量装置可以包括吸收样本、太赫兹接收天线等。
太赫兹扫频源包括光分束器，分束器设置耦合放大模块和光电导天线之间，光分束器将产生的光强度信号分成两束，一束输入到光电导天线进行光-太赫兹转换，发射出太赫兹扫频信号，再输入到吸收样本中，该吸收样品具有太赫兹吸收光谱得到携带有光谱信息的太赫兹扫频信号，再将携带有光谱信息的太赫兹扫频信号输入到太赫兹接收天线，然而太赫兹扫频信号的频率太高，太赫兹接收天线后面通信连接的微波电路无法直接处理。另外一束光强度信号具有相同太赫兹频率的光强度信息，将它通过光纤输入到太赫兹接收天线中，使得太赫兹接收天线中的光生载流子也具有相同太赫兹频率，因此可作为本振太赫兹信号。太赫兹接收天线还将本振太赫兹信号与携带有光谱信息的太赫兹扫频信号进行混频下变频得到目标扫描信号，从而将携带有光谱信息的太赫兹扫频信号转换到直流附近，可以被后续微波电路处理，从而得到幅度和相位信息。本实施方案中的相干接收方式不仅可测量太赫兹频谱的幅度信息，相干方式还可得到相位信息，因此是一种全光场测量方法。图9为本申请实施例中太赫兹扫频系统的应用结构示意图。图10为本申请实施例中吸收样本的太赫兹吸收光谱，为了展示其测试能力，本次实施案例中的太赫兹频谱既具有高斯吸收谱、又具有方形光谱等形状。图11为尚未进入到样品中的太赫兹扫频源的时域波形，此时其具有较好的平坦性，且未携带样品的吸收谱信息。图12为进入到样品后并被相干接收后的太赫兹扫频源的时域波形，此时由于其是三角扫频(如图4所示)，明显可见该太赫兹扫频源在2000ns范围内实现了样品的吸收谱的两次测量，得益于其线性扫频和500MHz瞬时线宽，且测量的太赫兹频谱形状与待测样品的吸收谱很类似，特别值得注意的是这种频谱测量是在2000ns内完成的，因此本实施例说明该高质量的太赫兹扫频源应用到实际应用中，将会给当前太赫兹频谱测量带来速率上的巨大提升，特别是相对于目前报道的连续太赫兹频谱测量方式(Hz-kHz)而言。因此本太赫兹扫频源可填补目前太赫兹扫频源技术空白，扩大太赫兹技术的实际应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太赫兹扫频系统，其特征在于，包括：
太赫兹扫频源，包括：
第一光频梳产生模块，用于周期性发射第一重频的第一原始光频梳，并将所述第一原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第一输出光频梳；
第二光频梳产生模块，用于发射中心波长和带宽可控的第二重频的第二原始光频梳，并将所述第二原始光频梳拉伸为具有ns量级宽度的第二输出光频梳，所述第一重频与所述第二重频存在重频差；
耦合放大模块，与所述第一光频梳产生模块和所述第二光频梳产生模块连接，用于将接收到的所述第一输出光频梳和所述第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号，并将所述光强度信号的功率放大至目标功率，所述目标功率满足发射太赫兹信号的功率要求；
光电导天线，与所述耦合放大模块连接，用于将所述目标功率的光强度信号转化成太赫兹扫频信号并发射出去；
所述太赫兹扫频源，还用于输出所述光强度信号；
光谱测量装置，与所述太赫兹扫频源连接，用于吸收所述太赫兹扫频信号中太赫兹光谱得到携带有待测样本对应光谱信息的太赫兹扫频信号，还用于将所述光强度信号作为本振太赫兹信号与所述携带有待测样本对应光谱信息的太赫兹扫频信号进行混频得到目标扫描信号；
微波电路，与所述光谱测量装置连接，用于获取所述待测样本对应的目标扫描信号的幅度信息和相位信息。
2.如权利要求1所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述第一光频梳产生模块包括：
第一飞秒激光源，用于周期性发射所述第一原始光频梳，所述第一原始光频梳的中心波长在1550nm波段；
第一可调光滤波器，与所述第一飞秒激光源连接，用于调谐所述第一原始光频梳的带宽和中心波长，以使所述太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可调谐；
第一色散拉伸单元，与所述第一可调光滤波器连接，用于将调谐后的第一原始光频梳进行拉伸，以使调谐后的第一原始光频梳形成第一色散量Φ1，而无三阶色散；
第一偏振控制器，与所述第一色散拉伸单元连接，用于控制拉伸后的第一原始光频梳与所述光电导天线偏振态一致，并将偏振后的第一原始光频梳作为所述第一输出光频梳输出。
3.如权利要求2所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述第一色散拉伸单元包括：互相连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF。
4.如权利要求2所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述第二光频梳产生模块包括：
第二飞秒激光源，用于周期性发射所述第二原始光频梳；
第二可调光滤波器，与所述第二飞秒激光源连接，用于调整所述第二原始光频梳的带宽和中心波长，以使所述太赫兹扫频源的中心波长和带宽的可重构；
第二色散拉伸单元，与所述第二可调光滤波器连接，用于将调整后的第二原始光频梳进行拉伸，以使调整后的第二原始光频梳形成第二色散量Φ2，而无三阶色散；
第二偏振控制器，与所述第二色散拉伸单元连接，用于控制拉伸后的第二原始光频梳与所述光电导天线偏振态一致，并将偏振后的第二原始光频梳作为所述第二输出光频梳输出。
5.如权利要求4所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述第二飞秒激光源内包括反馈环，用于控制所述第二原始光频梳的第二重频，以调整所述第二重频与所述第一重频的重频差。
6.如权利要求4所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述第二色散拉伸单元包括：依次连接的色散补偿光纤DCF和大有效面积光纤LEAF。
7.如权利要求1-6任一项所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述耦合放大模块，包括：
耦合单元，用于将接收到的所述第一输出光频梳和所述第二输出光频梳进行功率耦合产生太赫兹频率的光强度信号；
光放大单元，与所述耦合单元连接，用于将所述光强度信号的功率放大至目标功率。
8.如权利要求1-6任一项所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述光电导天线包括：
转化单元，用于将所述光强度信号进行光-太赫兹转换生成所述太赫兹扫频信号；
发射单元，与所述转化单元连接，用于将所述太赫兹扫频信号发射出去。
9.如权利要求1所述的太赫兹扫频系统，其特征在于，所述光谱测量装置包括：
吸收样本，用于吸收所述太赫兹扫频信号中太赫兹光谱得到携带有光谱信息的太赫兹扫频信号；
太赫兹接收天线，与所述吸收样本连接，用于将所述光强度信号作为本振太赫兹信号与所述携带有光谱信息的太赫兹扫频信号进行混频得到目标扫描信号。
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