CN113092072A - 一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，包括：太赫兹量子级联激光器光频梳，与待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器通过光学回路实现拍频，且发出的太赫兹光束经过所述光学回路耦合进所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔内；T型偏置器，与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器相连，用于提取所述拍频信号；频谱分析仪，与所述T型偏置器相连，用于分析所述拍频信号。本发明能够精确表征单模太赫兹量子级联激光器的调谐特性。

Description

一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置。
背景技术
近年来，光谱技术的应用领域越来越广泛，比如基础科学，生物检测，安防等等，而太赫兹波段由于涵盖许多物质的特征吸收谱，十分适合于光谱应用。现有的商业化的光谱设备主要有傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared，FTIR)光谱仪和时域光谱仪(Time Domain Spectroscopy，TDS)。FTIR光谱仪可以实现从可见光到太赫兹的光谱检测，但测量精度一般在GHz量级，并且FTIR光谱仪的精度越高，设备体积越大，光谱扫描时间越长，不具有即时性；TDS测量的动态范围可达到40dB，但其内部光路复杂，精度与光学延迟线相关，一般也在GHz量级。目前仍处于实验室阶段的双光梳光谱技术，利用两个重复频率稍有差别的光频梳拍频得到的微波“梳齿”来实现光谱检测，可以快速获得较高精度的光谱信息，但是，该技术测得的是微波频谱，在获得太赫兹光谱信息之前需要先建立微波与太赫兹波段的联系，是一种非直接光谱检测。
在太赫兹激光源中，量子级联激光器具有高功率，高光斑质量，高远场光斑质量，本征线宽窄，能实现宽范围频率的激射和工作温度较高的优势。目前常用的量子级联激光器表征调谐特性的方法是利用FTIR光谱仪进行测量，这种方法的精度受限于FTIR光谱仪，也不能进行实时观测，无法精确表征单模太赫兹量子级联激光器的调谐特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，精确表征单模太赫兹量子级联激光器的调谐特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，包括：太赫兹量子级联激光器光频梳，与待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器通过光学回路实现拍频，且发出的太赫兹光束经过所述光学回路耦合进所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔内；T型偏置器，与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器相连，用于提取所述拍频信号；频谱分析仪，与所述T型偏置器相连，用于分析所述拍频信号。
所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的调谐范围在所述太赫兹量子级联激光器光频梳的频谱范围内。
所述太赫兹量子级联激光器光频梳还连接有第一供电装置和第一温度控制装置，所述第一供电装置用于为所述太赫兹量子级联激光器光频梳供电并控制工作电流，所述第一温度控制装置用于控制所述太赫兹量子级联激光器光频梳的工作温度。
所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置还包括第二温度控制装置和第二供电装置，所述第二温度控制装置用于控制所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的工作温度；所述第二供电装置用于为所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器供电并控制工作电流。
所述T型偏置器与微带线相连，所述微带线设置在所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔后端面处，并与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的上电极相连。
所述T型偏置器包括直流偏置端口、射频端口和混合端口，所述直流偏置端口和与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器相连的第二供电装置连接，所述混合端口和与所述微带线连接，所述射频端口与所述频谱分析仪相连。
所述T型偏置器和所述频谱分析仪之间还设置有微波放大器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用太赫兹单模量子级联激光器和太赫兹量子级联激光器光频梳进行拍频，拍频信号可反映太赫兹单模量子级联激光器的调谐特性，且拍频信号位于微波波段，由单模量子级激光器自探测后可直接在频谱分析仪上进行观测，因为频谱分析仪的最小分辨率带宽可达到1Hz，所以对调谐的测量分辨率也提高到了1Hz。相比于利用传统傅里叶变换红外光谱仪测量调谐特性，具有更快的测量速度和更高的测量精度。
附图说明
图1是本发明实施方式的结构示意图；
图2是本发明实施方式的实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，该装置可以对单模太赫兹量子级联激光器的调谐特性进行精确表征。如图1所示，包括太赫兹量子级联激光器光频梳、待测单模太赫兹量子级联激光器、可低温工作的微带线、T型偏置器、频谱分析仪和光学回路。
其中，太赫兹量子级联激光器光频梳与待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器通过光学回路实现拍频，所述太赫兹量子级联激光器光频梳发出的太赫兹光束经过光学回路聚焦在待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的发射端面，以耦合进待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔内。该待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器同时作为探测器，探测拍频得到的微波形式的拍频信号。该待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的调谐范围在所述太赫兹量子级联激光器光频梳的频谱范围内。
光学回路的作用是聚焦太赫兹量子级联激光器光频梳发出的太赫兹光束于待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的发射端面。本实施方式提供一种可选光学回路，其由两个离轴抛物面镜组成，第一离轴抛物面镜反射太赫兹量子级联激光器光频梳发出的太赫兹光束至第二离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜再反射所述太赫兹光束，将其聚焦于待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的发射端面。
该太赫兹量子级联激光器光频梳还连接有第一供电装置和第一温度控制装置，所述第一供电装置用于为所述太赫兹量子级联激光器光频梳供电并控制工作电流，所述第一温度控制装置用于控制所述太赫兹量子级联激光器光频梳的工作温度。太赫兹量子级联激光器光频梳在测试过程中在第一供电装置和第一温度控制装置的控制下使得工作电流与工作温度保持不变，如此可以令光频梳保持稳定输出，梳齿位置保持不变，拍频所得微波信号的调谐特性即为待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的调谐特性。
待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器还连接有第二温度控制装置和第二供电装置，所述第二温度控制装置用于控制所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的工作温度；所述第二供电装置用于为所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器供电并控制工作电流。
其中，第一供电装置和第二供电装置可以采用直流源实现，第一温度控制装置和第二温度控制装置可以采用温度控制器实现。
待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔的后端面2–5mm处放置一个用于阻抗匹配的微带线，所述微带线通过金线键合与待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的上电极相连，同时该微带线通过高频线与T型偏置器相连。
T型偏置器用于提取所述拍频信号，包括有一个直流偏置端口、一个射频端口和一个混合端口，所述直流偏置端口与第二供电装置连接，所述混合端口与所述微带线连接，所述射频端口与频谱分析仪相连。
频谱分析仪用于分析所述拍频信号，为了使的拍频信号容易观测，在T型偏置器和频谱分析仪之间可以设置微波放大器，该微波放大器可以将拍频信号进行放大。
由此可见，本实施方式利用单模太赫兹量子级联激光器与太赫兹量子级联激光器光频梳之间的拍频，将测量对象从太赫兹波段的单模信号转换为微波波段的拍频信号。因为太赫兹量子级联激光器中电子弛豫时间可以达到皮秒量级，当两个频率在其谐振腔内拍频时，有源区增益受到调制从而电流受到调制，太赫兹量子级联激光器可以探测到该调制电流，即可以实现对拍频信号的自探测。由于光频梳在测试过程中一直保持稳定状态，所以拍频信号所呈现出的调谐特性即原太赫兹单模信号的特性。最后利用频谱分析仪测量拍频得到的微波信号，相当于将测量精度提高到1Hz，完全足够实现对单模太赫兹量子级联激光器高精度调谐的精确表征。
采用上述装置测量太赫兹单模量子级联激光器的高精度调谐，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供太赫兹量子级联激光器光频梳(以下简称光频梳)和待测单模太赫兹量子级联激光器(以下简称单模激光器)，单模激光器的谐振腔的后端面2mm位置提供用于阻抗匹配的微带线，微带线通过金线与所述单模激光器的上电极连接，将两个激光器分别置于可工作的温度环境(液氦温度)之下；
步骤S2：提供温度控制器一、T型偏置器、微波放大器、频谱分析仪、直流源一、直流源二和一台电脑，电脑上装有控制直流源一的labview程序，温度控制器一与单模激光器相连，单模激光器谐振腔后端的微带线通过高频同轴线缆与T型偏置器的混合端口相连，T型偏置器的射频端口通过高频同轴线缆与微波放大器输入端相连，微波放大器的输出端通过高频同轴线缆与频谱分析仪相连，直流源一通过BNC线缆与T型偏置器的直流偏置端口相连，直流源二与微波放大器相连，微波放大器通过高频同轴线缆与频谱分析仪相连，电脑通过usb线与单模激光器连接；
步骤S3：提供温度控制器二和直流源三，温度控制器与光频梳相连，直流源三通过BNC线缆与光频梳相连；
步骤S4：直流源一为单模激光器供电，测试过程中，单模激光器的驱动电流由电脑上的Labview程序控制，温度控制器控制单模激光器工作温度保持不变，直流源二为微波放大器供电，直流源三为光频梳供电，温度控制器二控制光频梳的工作温度不变，光频梳一直保持稳定状态；
步骤S5：由于单模激光器的单纵模同时与和它临近的几根光频梳的梳齿发生拍频，在频谱分析仪上可以观察到在多个频率点出现拍频信号，若将这些拍频信号按频率从小到大的顺序编号为f1,f2,…,fn(n为正整数)，fn皆为单模状态，且满足关系式:f2k-1+f2k≈(2k-1)·frep(k为正整数，frep为光频梳的重复频率)，原则上来说，光频梳的梳齿信号和单模激光器的单模信号越强，光频梳的重复频率越小，n的值会越大；
步骤S5：利用电脑上的Labview程序改变单模激光器的驱动电流，fn皆会发生频移，其频移幅度与速率与太赫兹波段的原信号一致，通过频谱分析仪测量其中一根或多根的频移规律，即可测得单模激光器随电流的调谐特性，即调谐范围与调谐速率。
对于拍频信号fn，n为奇数的拍频信号频移方向一致，n为偶数的拍频信号频移方向一致，但它们频移速率一致，频移范围受信号强度影响，利用较弱的拍频信号所测得的调谐范围可能比较强的信号小，所以测量调谐范围时应尽量选取较强的拍频信号。如图2所示为f2随电流的变化，从图中可以看出，将单模激光器的驱动电流从705mA逐渐降低到680mA，f2发生了频移，由此可得到单模激光器的在这段电流区间内的调谐范围约为64.2MHz，调谐速率约为2.6MHz/mA。
不难发现，本发明利用单模太赫兹量子级联激光器与太赫兹量子级联激光器光频梳相互拍频，得到微波信号，并利用单模量子级联激光器本身进行探测，最终可直接在频谱分析仪上进行实时观察和高精度测量。该方法相比于利用商业的傅里叶变换红外光谱仪测量单模激光器的调谐特性具有更快的速度和更高的精度，因为前者一般的测量精度为GHz量级，且精度越高扫描时间越长，设备的体积越庞大；本方法的测量精度为1Hz，可以实时显示测量结果，测得的调谐速率为MHz量级。

Claims (7)

1.一种单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，包括：太赫兹量子级联激光器光频梳，与待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器通过光学回路实现拍频，且发出的太赫兹光束经过所述光学回路耦合进所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔内；T型偏置器，与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器相连，用于提取所述拍频信号；频谱分析仪，与所述T型偏置器相连，用于分析所述拍频信号。
2.根据权利要求1所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的调谐范围在所述太赫兹量子级联激光器光频梳的频谱范围内。
3.根据权利要求1所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，所述太赫兹量子级联激光器光频梳还连接有第一供电装置和第一温度控制装置，所述第一供电装置用于为所述太赫兹量子级联激光器光频梳供电并控制工作电流，所述第一温度控制装置用于控制所述太赫兹量子级联激光器光频梳的工作温度。
4.根据权利要求1所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，还包括第二温度控制装置和第二供电装置，所述第二温度控制装置用于控制所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的工作温度；所述第二供电装置用于为所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器供电并控制工作电流。
5.根据权利要求1所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，所述T型偏置器与微带线相连，所述微带线设置在所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的谐振腔后端面处，并与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器的上电极相连。
6.根据权利要求5所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，所述T型偏置器包括直流偏置端口、射频端口和混合端口，所述直流偏置端口和与所述待测可调谐单模太赫兹量子级联激光器相连的第二供电装置连接，所述混合端口和与所述微带线连接，所述射频端口与所述频谱分析仪相连。
7.根据权利要求1所述的单模太赫兹量子级联激光器调谐特性表征装置，其特征在于，所述T型偏置器和所述频谱分析仪之间还设置有微波放大器。
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