CN116222778A - 一种集成型太赫兹双光梳成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成型太赫兹双光梳成像系统，其中，两个自由运行的太赫兹量子级联激光器光频梳安装在同一个冷头上，共享温度和机械振动噪声，采样光频梳发出的太赫兹光经离轴抛物面镜收集并汇聚于焦点处，样品放置在焦平面上，经过样品的透射光由离轴抛物面镜收集并汇聚到本征光频梳，通过激光自探测得到多外差拍频的射频双光梳信号，样品的不同位置对应各自的双光梳谱，对所有双光梳谱综合分析可实现样品的高精度成像。本发明可以进一步减小设备体积，并确保双光梳信号的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种集成型太赫兹双光梳成像系统。
背景技术
光学频率梳(光频梳，Optical frequency comb，OFC)是由一系列高稳定，等间距分布的频率线组成的相干激光源，在时域上表现为具有固定相位关系的超短脉冲，具有高频率稳定性和低相位噪声等特点，可用于天文学、时间同步、通信、绝对距离测量等领域。基于其高频率稳定的特性，还可用于绝对频率标定及高分辨率的光谱测量。光频梳由两个参数决定，载波包络偏移频率fceo和重复频率frep确定，一旦两个参数确定，光频梳的梳齿唯一确定fn＝fceo+nfrep。
双光梳是光频梳在高精度光谱测量中的直接应用，两个重复频率略有不同的的光频梳通过相邻模式对拍频形成多外差光谱，称为双光梳，双光梳的载波包络偏移频率等于两个光频梳的fceo之差，重复频率等于两个光频梳的frep之差。基于两个光频梳的多外差采样，可以将光频梳波段的光谱信息转移到更容易进行信号测量和处理的微波波段，双光梳可以实现宽谱的高分辨率光谱测试，相较于傅立叶红外光谱仪(FTIR)和太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)等传统的光谱设备，双光梳既不需要机械扫描结构，也无需大体积飞秒激光器辅助泵浦，在实时高分辨光谱方面具有巨大的应用潜能。
太赫兹(THz)波为频率范围为100GHz～10THz，对应波长范围3mm～30μm的电磁波，覆盖蛋白质，核酸物质，糖类，细胞骨架等许多生物大分子的特征谱，由于光子能量低，具有非电离特性，可以对活性生物组织无损探测，在生物医学物质检测和成像方面具有重要价值。发展THz波段的光频梳技术是拓展其高精尖应用的有效方式。量子级联激光器(QCL)是THz波段光频梳的理想载体，天然的四波混频机制可以直接电泵浦实现THz光频梳信号输出，具有体积小，功率高，易于片上集成等优势，独特的激光自探测机制能够进一步简化设备，摆脱对THz探测器的依赖。
THz成像技术的基本原理是将THz波照射到所要成像的目标物体上，通过探测器采集在目标物体上不同位置处反射或者透射的振幅以及相位等信息，然后将信息处理成可以表征物体的特征参量，结合图像处理技术最终得到目标物体的THz成像图。由于THz波段无合适的宽带高分辨率光电探测器，因此需要采用分离式的双光梳成像系统，但是分离式的双光梳成像系统往往体积较大，且产生的双光梳信号会同时受到两个光频梳源各自的温度、机械振动影响而不够稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成型太赫兹双光梳成像系统，能够在同时成谱成像的同时，可以进一步减小设备体积，并确保双光梳信号的稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成型太赫兹双光梳成像系统，包括第一量子级联激光器、第二量子级联激光器、第一T型偏置器和第二T型偏置器，所述第一量子级联激光器以光频梳模式工作，作为采样光频梳源，所述第二量子级联激光器以光频梳模式工作，作为本征光频梳源；所述第一量子级联激光器和第二量子级联激光器安装在同一个冷头上；所述冷头用于实现第一量子级联激光器和第二量子级联激光器的集成安装，使得所述第一量子级联激光器和第二量子级联激光器的温度共享且具有相同的机械噪声；所述第一T型偏置器的混合端口与所述采样光频梳源连接，直流端口连接电源；所述第二T型偏置器的混合端口与所述采样光频梳源连接，直流端口连接电源，交流端口与频谱分析仪相连；所述采样光频梳源发出的太赫兹光经第一光路汇聚于待测样品，经过所述待测样品的透射光由第二光路汇聚到所述本征光频梳源的腔内，并通过激光自探测得到多外差拍频的双光梳信号，所述频谱分析仪用于实时检测和记录所述双光梳信号。
所述第一光路包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜将所述采样光频梳源发出的太赫兹光转换为第一平行光，所述第二离轴抛物面镜将所述第一平行光汇聚于所述待测样品。
所述第二光路包括第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜，所述第三离轴抛物面镜将经过所述待测样品的透射光转换为第二平行光，所述第四离轴抛物面镜将所述第二平行光汇聚于所述本征光频梳源的腔内。
所述第二T型偏置器的交流端口与频谱分析仪之间设置有放大器，所述放大器的带宽大于所述双光梳信号的带宽，用于放大所述双光梳信号。
所述放大器与所述频谱分析仪之间设置有带通滤波器，所述带通滤波器用于滤出所述双光梳信号。
所述待测样品置于电控二维位移台上，所述电控二维位移台用于将所述待测样品在所述第一光路汇聚的焦点所在的焦平面上进行二维移动。
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：本发明在同时成谱成像的基础上，可以进一步减小设备体积，提高实用性，本发明将两个QCL安装在同一个冷头上，使得两个QCL的温度和机械振动噪声保持一致，经过多外差拍频过程，噪声可以相互抵消，从而产生更稳定的双光梳信号，提高成像系统和光谱检测的分辨率，增强其在高精度生物医学领域的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明实施方式的结构示意图。
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集成型太赫兹双光梳成像系统，本实施方式将两个量子级联激光器(QCL)作为光频梳源安装在同一个冷头上，令其共享温度和机械振动噪声，经过样品吸收的采样光频梳信号与本征光频梳信号进行多外差拍频得到下转换到GHz的双光梳信号，样品不同位置对THz信号的吸收差异导致不同的双光梳谱，位置与双光梳谱一一对应，综合分析可实现样品成像。
本发明的原理如图1所示，THz波段，重复频率为fr的采样光频梳信号，与重复频率为fr+Δfr的本征光频梳信号梳齿间多外差拍频，得到下转换至GHz的双光梳信号，双光梳的重复频率为Δfr。当存在样品吸收时，采样光频梳信号梳齿强度发生相应衰减，与原本征光频梳信号拍频得到对应衰减的双光梳。记录样品位置与对应双光梳信号，综合分析可以实现样品成像。值得说明的是，由于两个QCL光频梳源安装在同一个冷头上，其温度噪声和机械振动噪声相同，表现为fceo的频率抖动，其多外差拍频过程表示如下：
光频梳由载波包络偏移频率fceo和重复频率frep两个参数确定，加入噪声项δfceo表示fceo的频率抖动：
fn＝fceo+δfceo+nfrep
两个光频梳分别表示为：
fn1＝fceo1+δfceo+nfrep1
fn2＝fceo2+δfceo+nfrep2
相邻模式间拍频得到双光梳：
fn＝(fceo1-fceo2)+n(frep1-frep2)
可以看到，噪声项δfceo消失了，即双光梳的频率抖动减小，稳定性得到了提升，表现为梳齿线宽减小。
基于上述原理，如图2所示，本实施方式的集成型太赫兹双光梳成像系统，包括第一量子级联激光器、第二量子级联激光器、第一T型偏置器和第二T型偏置器。所述第一量子级联激光器以光频梳模式工作，作为采样光频梳源，所述第二量子级联激光器以光频梳模式工作，作为本征光频梳源。所述第一量子级联激光器和第二量子级联激光器安装在同一个冷头上；采样光频梳源发出的太赫兹光经第一光路汇聚于位于焦平面上的待测样品，经过待测样品的透射光由第二光路汇聚到所述本征光频梳源的腔内，并通过激光自探测实现采样光频梳信号和本征光频梳信号多外差拍频，得到多外差拍频的双光梳信号，所述频谱分析仪用于实时检测和记录双光梳信号。通过计算机同时控制放置样品的二维平移台和频谱分析仪，可以进行同步采集，并由计算机进行实时成像。
本实施方式中的冷头可以实现两个QCL的集成安装，使得两个QCL共享温度，且具有相同的机械噪声。
本实施方式中的量子级联激光器均以光频梳模式工作，分为采样光频梳源和本征光频梳源，第一光路包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，第一离轴抛物面镜将采样光频梳源发出的太赫兹光转换为第一平行光，第二离轴抛物面镜将第一平行光汇聚于待测样品；第二光路包括第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜，第三离轴抛物面镜将经过待测样品的透射光转换为第二平行光，第四离轴抛物面镜将第二平行光汇聚于本征光频梳源的腔内。
本实施方式中的两个量子级联激光器均配置有T型偏置器，分别为：T型偏置器1和T型偏置器2，两个T型偏置器的混合端口分别与各自的光频梳源连接，直流端口均连接电源为光频梳源供电；不同的是，T型偏置器1的交流端口断开，不做连接；T型偏置器2的交流端作为双光梳信号的输出端与后端电路相连。
本实施方式的后端电路包括相依次连接的放大器和带通滤波器。其中，放大器可以采用微波低噪声放大器，放大器输入端接T型偏置器2的交流端口，输出端接带通滤波器，用于放大自探测得到的双光梳信号，并提供30dB的信号增益。本实施方式中的放大器的带宽大于双光梳信号的带宽，以实现双光梳信号整体的放大，满足后续频谱分析仪对信号强度的检测要求。带通滤波器用于滤出双光梳信号，减少其他射频信号如光频梳的模式间拍频信号等对双光梳信号检测的影响。带通滤波器输入端口与放大器的输出端口连接，输出端口与频谱分析仪连接。
本实施方式的频谱分析仪的输入端与带通滤波器的输出端口连接，用于实时检测和记录得到过滤后的双光梳信号，频谱分析仪的输出端与计算机相连，通过计算机可以对记录的双光梳信号进行分析，从而实现对待测物品的成像。
本实施方式中待测样品可以放置在电控二维位移台上，如此可以保证待测样品在焦平面上进行二维移动，该电控二维位移台可以通过计算机进行控制，计算机可以实时同步控制电控二维位移台移动待测样品和记录对应位置频谱分析仪记录的双光梳信号，实现成像。
下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
步骤S1：本实施例中光频梳均为太赫兹量子级联激光器光频梳，激光器的激射频率随驱动电流呈现线性移动，其中，作为采样光频梳源的激光器的中心频率为4.0THz，重复频率为6.2GHz，作为本征光频梳源的激光器的中心频率为4.0THz，重复频率为6.21GHz的太赫兹光频梳，产生下转换的双光梳重复频率为10MHz。光频梳1与光频梳2对应的最小梳齿对间距为6GHz，即光频梳1与光频梳2混频产生的双光梳载波为6GHz。
步骤S2：提供4个离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的大小匹配激光器发散的光斑大小，本实施例中离轴抛物面镜直径均为2英寸，焦距为4英寸，离轴抛物面镜1用于将信号光频梳发出的发散光转换为第一平行光，离轴抛物面镜2将第一平行光汇聚到样品上，透射光由离轴抛物面镜3收集并转换为第二平行光，第二平行光经离轴抛物面镜4收集并汇聚到本征光频梳源的腔内。
步骤S3：提供2个激光器电流源，分别给采样光频梳源和本征光频梳源供电。提供两个T型偏置器，用于电流源的直流信号和光频梳射频信号的传输。T型偏置器用高频同轴线缆连接放大器和光频梳；电流源用同轴线缆连接T型偏置器和光频梳。
步骤S4：提供一个微波低噪声放大器，用于放大双光梳信号，可以提供30dB的增益，工作范围为1-18GHz，低噪声放大器通过高频同轴线缆连接其他器件。
步骤S5：提供一个带通滤波器，工作带宽为5.5GHz–6.5GHz，用于滤出完整的双光梳信号，带通滤波器通过高频同轴线缆连接频谱分析仪和低噪声放大器。
步骤S6：提供一个频谱分析仪，工作范围为2Hz-26.5GHz，用于检测记录放大滤波后的双光梳信号。
步骤S7：提供一个二维样品平移台，用于控制待测样品在焦平面移动，移动步长最小为0.5μm。
步骤S8：提供一台计算机，利用Labview程序同步控制二维样品平移台和频谱分析仪，实时记录双光梳信号，实现样品成像。
不难发现，本发明将两个THz QCL光频梳源集成在一个冷头上，采样光频梳发出的光透过样品后由本征光频梳探测，两个光频梳梳齿间拍频得到下转换的多外差双光梳信号，双光梳信号与样品位置存在一一对应关系，通过对双光梳的梳齿信号分析，可以实现样品成像；对单独双光梳谱反演可以实时得到样品各部分的THz光谱，实现光谱分析。在同时成谱成像的基础上，集成型的双光梳成像系统可以进一步减小设备体积，提高实用性，此外，由于两个QCL安装在同一个冷头上，温度和机械振动噪声保持一致，经过多外差拍频过程噪声相互抵消，可以产生更稳定的双光梳信号，提高成像系统和光谱检测的分辨率，增强其在高精度生物医学领域的应用潜力。
Claims (6)
1.一种集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，包括第一量子级联激光器、第二量子级联激光器、第一T型偏置器和第二T型偏置器，所述第一量子级联激光器以光频梳模式工作，作为采样光频梳源，所述第二量子级联激光器以光频梳模式工作，作为本征光频梳源；所述第一量子级联激光器和第二量子级联激光器安装在同一个冷头上；所述冷头用于实现第一量子级联激光器和第二量子级联激光器的集成安装，使得所述第一量子级联激光器和第二量子级联激光器的温度共享且具有相同的机械噪声；所述第一T型偏置器的混合端口与所述采样光频梳源连接，直流端口连接电源；所述第二T型偏置器的混合端口与所述采样光频梳源连接，直流端口连接电源，交流端口与频谱分析仪相连；所述采样光频梳源发出的太赫兹光经第一光路汇聚于待测样品，经过所述待测样品的透射光由第二光路汇聚到所述本征光频梳源的腔内，并通过激光自探测得到多外差拍频的双光梳信号，所述频谱分析仪用于实时检测和记录所述双光梳信号。
2.根据权利要求1所述的集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，所述第一光路包括第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜将所述采样光频梳源发出的太赫兹光转换为第一平行光，所述第二离轴抛物面镜将所述第一平行光汇聚于所述待测样品。
3.根据权利要求1所述的集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，所述第二光路包括第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜，所述第三离轴抛物面镜将经过所述待测样品的透射光转换为第二平行光，所述第四离轴抛物面镜将所述第二平行光汇聚于所述本征光频梳源的腔内。
4.根据权利要求1所述的集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，所述第二T型偏置器的交流端口与频谱分析仪之间设置有放大器，所述放大器的带宽大于所述双光梳信号的带宽，用于放大所述双光梳信号。
5.根据权利要求4所述的集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，所述放大器与所述频谱分析仪之间设置有带通滤波器，所述带通滤波器用于滤出所述双光梳信号。
6.根据权利要求1所述的集成型太赫兹双光梳成像系统，其特征在于，所述待测样品置于电控二维位移台上，所述电控二维位移台用于将所述待测样品在所述第一光路汇聚的焦点所在的焦平面上进行二维移动。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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