CN112414564A - 一种太赫兹频率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹频率测量装置及方法。该装置包括：泵浦光发生模块、非线性晶体、近红外测量模块和信号处理模块；泵浦光发生模块用于产生泵浦光，并将泵浦光传输至非线性晶体；非线性晶体设置在泵浦光与待测太赫兹波的交点处；非线性晶体将信号光和泵浦光传输至近红外测量模块；近红外测量模块设置在非线性晶体的出射光路上，近红外测量模块用于测量信号光的波长和泵浦光的波长；信号处理模块用于根据信号光的波长和泵浦光的波长计算待测太赫兹波的频率。本发明将太赫兹的频率转换到近红外进行测量，能够提高测量太赫兹频率的便捷性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波检测技术领域，特别是涉及一种太赫兹频率测量装置及方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是频率处于0.1THz-10THz范围内的高频电磁波，其位于目前尚未被充分研究的毫米波与红外光之间的频率范围，由于其频带的特殊性，使太赫兹波具有强穿透性、高信噪比、频带宽、低辐射等特点，因此在通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域有着极为广泛的应用需求和价值。但也正是由于这种特殊性给其信号测量带来了诸多困难，尤其是频率测量更具挑战。因为相较于传统的电磁波信号，其频率太高，无法用示波器或者频谱仪直接测量。
近年来电子学太赫兹光源技术发展迅猛。如谐振隧道二极管(RTD)，频率突破1THz向更高频率拓展，但是高频率伴随辐射功率大幅下降，设计频率与实际频率往往需要检测和校准，且难以用频谱仪等电子学手段测定频率。
现有技术对太赫兹高频频率测量装置主要是：法布里-珀罗(F-P)干涉仪和傅里叶变换红外光谱仪，方法均为干涉仪原理。需要一定的扫描时间，需要光源与测量设备的匹配对接。如F-P干涉仪，对F-P腔镜的反射率、腔镜调节、光束准直提出了较高的要求。实际情况下，往往由于透过太赫兹信号弱、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，甚至因为光束准直、操作和步进问题出现测量错误。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹频率测量装置及方法，将太赫兹的频率转换到近红外进行测量，能够提高测量太赫兹频率的便捷性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太赫兹频率测量装置，包括：泵浦光发生模块、非线性晶体、近红外测量模块和信号处理模块；
所述泵浦光发生模块用于产生泵浦光，并将所述泵浦光传输至所述非线性晶体；所述非线性晶体设置在所述泵浦光与待测太赫兹波的交点处；所述非线性晶体用于根据所述泵浦光与所述待测太赫兹波的光参量过程产生信号光，并将所述信号光和所述泵浦光传输至所述近红外测量模块；所述近红外测量模块设置在所述非线性晶体的出射光路上，所述近红外测量模块用于测量所述信号光的波长和所述泵浦光的波长；所述信号处理模块与所述近红外测量模电连接；所述信号处理模块用于根据所述信号光的波长和所述泵浦光的波长计算所述待测太赫兹波的频率。
优选地，还包括移动平台；
所述移动平台上固定设置有所述非线性晶体；所述移动平台用于带动所述非线性晶体运动，以改变所述非线性晶体中的所述待测太赫兹波和所述信号光的光路传播距离
优选地，所述所述泵浦光发生模块包括：泵浦源和第一反射镜；
所述泵浦源用于产生所述泵浦光，所述第一反射镜用于将所述泵浦光反射至所述非线性晶体。
优选地，还包括：延迟线和第二反射镜和第三反射镜；
所述第二反射镜用于将所述泵浦光反射至所述延迟线；所述延迟线用于改变所述泵浦光的光路距离，得到延迟光；所述第三反射镜用于将所述延迟光反射至所述第一反射镜。
优选地，所述泵浦源为可饱和吸收体被动调Q激光器。
优选地，还包括：时间同步控制模块；
所述时间同步控制模块分别与所述泵浦发生模块和所述待测太赫兹波发生模块电连接，所述时间同步控制模块用于控制所述泵浦光和所述待测太赫兹波同步产生。
优选地，还包括：第一光阑、第二光阑、第一透镜和第二透镜；所述第一光阑用于定位所述待测太赫兹波的初始进入位置；所述第二光阑设置在所述泵浦光射入所述非线性晶体的光路上；
所述第一透镜设置在所述第一光阑的出射光路上，所述第一透镜用于对所述待测太赫兹波进行准直；所述第二透镜设置在所述第一透镜的出射光路上，所述第二透镜用于将准直后的待测太赫兹波聚焦，并将聚焦后的待测太赫兹波通过所述第二光阑入射至所述非线性晶体。
优选地，还包括：第四反射镜和第三透镜；
所述第四反射镜设置于所述非线性晶体出射的光路上，所述第四反射镜用于将所述泵浦光和所述信号光反射至所述第三透镜；所述第三透镜设置于所述第四反射镜的反射光路上，所述第三透镜用于将反射后的所述泵浦光和所述信号光进行聚焦，并将反射后的所述泵浦光和所述信号光传输至所述近红外测量模块中。
优选地，所述近红外测量模块为近红外光谱仪或近红外波长计。
一种太赫兹频率测量方法，应用一种太赫兹频率测量装置，所述方法包括：
获取泵浦光的波长和信号光的波长；所述泵浦光的波长和所述信号光的波长通过近红外测量模块测量得到；所述泵浦光通过泵浦光发生装置产生，并传输至非线性晶体；所述信号光通过所述泵浦光和待测太赫兹波在所述非线性晶体上进行光参量过程得到；所述待测太赫兹波通过太赫兹发生装置产生，并传输至所述非线性晶体；
根据所述泵浦光的波长和所述信号光的波长计算所述待测太赫兹波的频率。
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：
本发明提供一种太赫兹频率测量装置及方法，泵浦光和待测太赫兹波通过光参量过程产生信号光，近红外测量模块测量信号光的波长和泵浦光的波长，根据信号光的波长和泵浦光的波长计算太赫兹频率。本发明一种太赫兹频率测量装置及方法通过将太赫兹的频率转换到近红外进行测量，能够提高测量太赫兹频率的便捷性和测量微弱信号的准确程度。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明太赫兹频率测量装置的装置结构图；
图2为本发明太赫兹频率测量方法的方法流程图。
符号说明：
1-泵浦源；2-泵浦光；3-第一反射镜；4-太赫兹光源；5-第一光阑；6-待测太赫兹波；7-第一透镜；8-第二透镜；9第二光阑；10-非线性晶体；11-移动平台；12-信号光；13-电脑；14-近红外测量模块；15-第三透镜；16-第四反射镜；17-时间同步控制模块；18-延迟线；19-第二反射镜；20-第三反射镜。
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太赫兹频率测量装置及方法，将太赫兹的频率转换到近红外进行测量，能够提高测量太赫兹频率的便捷性。
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。
参见图1，本实施例中的太赫兹频率测量装置，包括：泵浦光发生模块、非线性晶体10、近红外测量模块14、信号处理模块、移动平台11、延迟线18、第二反射镜19、第三反射镜20、时间同步控制模块17、第四反射镜16和第三透镜15。
所述泵浦光发生模块用于产生泵浦光2，并将所述泵浦光2传输至所述非线性晶体10；所述非线性晶体10设置在所述泵浦光2与待测太赫兹波6的交点处；所述待测太赫兹波6通过待测太赫兹波发生模块产生；所述非线性晶体10用于根据所述泵浦光2与所述待测太赫兹波6的光参量过程产生信号光12，并将所述信号光12和所述泵浦光2传输至所述近红外测量模块14；所述近红外测量模块14设置在所述非线性晶体10的出射光路上，所述近红外测量模块14用于测量所述信号光12的波长和所述泵浦光2的波长；所述信号处理模块与所述近红外测量模块14电连接；所述信号处理模块用于根据所述信号光12的波长和所述泵浦光2的波长计算所述待测太赫兹波6的频率。
优选地，所述移动平台11上固定设置有所述非线性晶体10；所述移动平台11用于带动所述非线性晶体10运动，以改变所述非线性晶体10中的所述待测太赫兹波6和所述信号光12的光路传播距离。
具体的，在信号光12极其微弱的情况下，需要增加信号光12在非线性晶体10内的传播距离，用来放大被探测信号。根据信号的强弱调整移动平台11左右移动，改变信号光12在非线性晶体10内的传播距离，以此放大或减少信号光12的强度，可以对微弱信号指数放大或减小。
优选地，所述泵浦光2发生模块包括：泵浦源1和第一反射镜3；
所述泵浦源1用于产生所述泵浦光2，所述第一反射镜3用于将所述泵浦光2反射至所述非线性晶体10。
优选地，所述泵浦源1为可饱和吸收体被动调Q激光器。
可选的，所述泵浦源1发生的泵浦光2的脉冲宽度400ps，脉冲能量3mJ/pulse，重复频率100Hz。
优选地，还包括：第一光阑5、第二光阑9、第一透镜7和第二透镜8；所述第一光阑用于定位所述待测太赫兹波6的初始进入位置；所述第二光阑9设置在所述泵浦光2射入所述非线性晶体10的光路上。
优选地，太赫兹源4用于产生所述待测太赫兹波6，所述待测太赫兹波6通过所述第一光阑5射入所述第一透镜7；所述第一透镜7设置在所述第一光阑5的出射光路上，所述第一透镜7用于对所述待测太赫兹波6进行准直；所述第二透镜8设置在所述第一透镜7的出射光路上，所述第二透镜8用于将准直后的待测太赫兹波6聚焦，并将聚焦后的待测太赫兹波6通过所述第二光阑9入射至所述非线性晶体10。
具体的，所述待测太赫兹波发生模块为太赫兹源4，为谐振隧道二极管(RTD)。
可选的，待测太赫兹波6为连续光辐射，功率为50nW。
本发明泵浦光2与待测太赫兹波6通过光参量过程产生信号光12。光参量过程描述为：
kp＝2πvp，kT＝2πvT，ks＝2πvs，其中
为泵浦光2的波矢，
为待测太赫兹波6的波矢，
为信号光12的波矢；vp为泵浦光2的频率，vT为待测太赫兹波6的频率，vs为信号光12的频率；kp为泵浦光2的波数；kT为待测太赫兹波6的波数；ks为信号光12的波数。
优选地，所述第二反射镜19用于将所述泵浦光2反射至所述延迟线18；所述延迟线18用于改变所述泵浦光2的光路距离，得到延迟光；所述第三反射镜20用于将所述延迟光反射至所述第一反射镜3。
具体的，所述延迟线18左右移动，增加或减少光路距离实现脉冲同步。理论上从泵浦源1到第二光阑9，从太赫兹源4到第二光阑9的光学距离一致，泵浦光2与被探测的待测太赫兹波6应当同时到达第二光阑9下面的晶体。
优选地，所述时间同步控制模块17分别与所述泵浦发生模块和所述待测太赫兹波6发生模块电连接，所述时间同步控制模块17用于控制所述泵浦光2和所述待测太赫兹波6同步产生。
具体的，太赫兹源4发出待测太赫兹波6的同时给时间同步控制模块17一个触发信号，时间同步控制模块17给泵浦源1一个触发信号，泵浦源1发出泵浦光2。
作为一种可选的实施方式，所述非线性晶体10为5-mol％MgO：LiNbO3晶体，长底边为45mm，高21mm，底角65.7°。
优选地，所述第四反射镜16设置于所述非线性晶体10的出射光路上，所述第四反射镜16用于将所述泵浦光2和所述信号光12反射至所述第三透镜15；所述第三透镜15设置于所述第四反射镜16的反射光路上，所述第三透镜15用于将反射后的所述泵浦光2和所述信号光12进行聚焦，并将反射后的所述泵浦光2和所述信号光12传输至所述近红外测量模块14中。
优选地，所述近红外测量模块14为近红外光谱仪或近红外波长计。
可选的，所述信号处理装置为电脑13，利用电脑13计算得出待测太赫兹波的频率vT＝vs-vp。λ＝c/v，其中c为光速，λ为波长，v为频率。
具体的，近红外光谱仪的分辨率为0.01nm，测得泵浦光2的波长λp＝1064.34nm，信号的波长λs＝1067.30nm，经过计算可得vT＝0.782THz，误差为3GHz。
具体的，本发明选用近红外波长计，计算vT＝0.78171THz，误差为30MHz。
图2为本发明一种太赫兹频率测量方法的方法流程图，如图2所示，本发明还提供一种太赫兹频率测量方法，应用一种太赫兹频率测量装置，所述方法包括：
步骤100：获取泵浦光2的波长和信号光12的波长；所述泵浦光2的波长和所述信号光12的波长通过近红外测量模块14测量得到；所述泵浦光2通过泵浦光2发生装置产生，并传输至非线性晶体10；所述信号光12通过所述泵浦光2和待测太赫兹波6在所述非线性晶体10上进行光参量过程得到；所述待测太赫兹波6通过太赫兹发生装置产生，并传输至所述非线性晶体10；
步骤200：根据所述泵浦光2的波长和所述信号光12的波长计算所述待测太赫兹波6的频率。
本发明的有益效果如下：
(1)将太赫兹的频率转换到近红外进行测量，效率高、易操作。频率上转换是非线性光参量放大的过程，还可利用移动平台对光路距离进行控制，因此可以测量的太赫兹源最低能量在nw(连续)和fJ(亚ns脉冲)量级。
(2)利用成熟的近红外波长计，可以将太赫兹频率的测量精度大大提高。
(3)对太赫兹准直，对设备调节的要求远远低于现有测量技术。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
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 (10)
1.一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，包括：泵浦光发生模块、非线性晶体、近红外测量模块和信号处理模块；
所述泵浦光发生模块用于产生泵浦光，并将所述泵浦光传输至所述非线性晶体；所述非线性晶体设置在所述泵浦光与待测太赫兹波的交点处；所述非线性晶体用于根据所述泵浦光与所述待测太赫兹波的光参量过程产生信号光，并将所述信号光和所述泵浦光传输至所述近红外测量模块；所述近红外测量模块设置在所述非线性晶体的出射光路上，所述近红外测量模块用于测量所述信号光的波长和所述泵浦光的波长；所述信号处理模块与所述近红外测量模电连接；所述信号处理模块用于根据所述信号光的波长和所述泵浦光的波长计算所述待测太赫兹波的频率。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，还包括移动平台；
所述移动平台上固定所述非线性晶体；所述移动平台用于带动所述非线性晶体运动，以改变所述非线性晶体中的所述待测太赫兹波和所述信号光的光路传播距离。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，所述所述泵浦光发生模块包括：泵浦源和第一反射镜；
所述泵浦源用于产生所述泵浦光，所述第一反射镜用于将所述泵浦光反射至所述非线性晶体。
4.根据权利要求2所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，还包括：延迟线和第二反射镜和第三反射镜；
所述第二反射镜用于将所述泵浦光反射至所述延迟线；所述延迟线用于改变所述泵浦光的光路距离，得到延迟光；所述第三反射镜用于将所述延迟光反射至所述第一反射镜。
5.根据权利要求2所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，所述泵浦源为可饱和吸收体被动调Q激光器。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，还包括：时间同步控制模块；
所述时间同步控制模块分别与所述泵浦发生模块和所述待测太赫兹波发生模块电连接，所述时间同步控制模块用于控制所述泵浦光和所述待测太赫兹波同步产生。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，还包括：第一光阑、第二光阑、第一透镜和第二透镜；所述第一光阑用于定位所述待测太赫兹波的初始进入位置；所述第二光阑设置在所述泵浦光射入所述非线性晶体的光路上；
所述第一透镜设置在所述第一光阑的出射光路上，所述第一透镜用于对所述待测太赫兹波进行准直；所述第二透镜设置在所述第一透镜的出射光路上，所述第二透镜用于将准直后的待测太赫兹波聚焦，并将聚焦后的待测太赫兹波通过所述第二光阑入射至所述非线性晶体。
8.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，还包括：第四反射镜和第三透镜；
所述第四反射镜设置于所述非线性晶体出射的光路上，所述第四反射镜用于将所述泵浦光和所述信号光反射至所述第三透镜；所述第三透镜设置于所述第四反射镜的反射光路上，所述第三透镜用于将反射后的所述泵浦光和所述信号光进行聚焦，并将反射后的所述泵浦光和所述信号光传输至所述近红外测量模块中。
9.根据权利要求1所述的一种太赫兹频率测量装置，其特征在于，所述近红外测量模块为近红外光谱仪或近红外波长计。
10.一种太赫兹频率测量方法，其特征在于，应用与权利要求1至9中任一项所述的一种太赫兹频率测量装置，所述方法包括：
获取泵浦光的波长和信号光的波长；所述泵浦光的波长和所述信号光的波长通过近红外测量模块测量得到；所述泵浦光通过泵浦光发生模块产生，并传输至非线性晶体；所述信号光通过所述泵浦光和待测太赫兹波在所述非线性晶体上进行光参量过程得到；所述待测太赫兹波通过太赫兹发生模块产生，并传输至所述非线性晶体；
根据所述泵浦光的波长和所述信号光的波长计算所述待测太赫兹波的频率。
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Also Published As
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|---|---|
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