专利名称：测量太赫兹时域光谱的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种太赫兹时域光谱(THz-TDS : Terahertz Time-Domain Spectroscopy)测量技术，特别涉及一种通过使用飞秒脉 冲激光产生并探测太赫兹脉冲来测量太赫兹时域光谱的方法及设备。
背景技术：
随着太赫兹波(指波段范围为0.05 50THz，特别是0.1-lOTHz的电磁波)产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用 研究得到了快速发展。太赫兹时域光谱技术是太赫兹波研究领域最重 要的技术之一。使用太赫兹时域光谱技术能获得被检测样品的太赫兹 反射或透射光谱，所获光谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广 泛应用于质量检测、安全检査及反恐等诸多应用领域。文献l (张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光冶f学遂展， 2005年7月，35 38页)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采 用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。 一束作为抽运光 束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到 太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个 光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲， 其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉 冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同 一 个点。通过 一 套精密机 械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个 光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太 赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通 过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的频谱图 (时域光谱)。
但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟 装置。由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、 位置的偏移等)的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如lns甚至lns以上)的测量，从而直接限制了其频谱 分辨能力(典型值3-50GHz)。另外，基于机械时间延迟装置的系统扫 描速度比较慢。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱 分辨力。文献2 (A.Bartels， etc., High-resolution THz spectrometer with kHz scan rates, (9尸/7T51 ￡^P^&S^， Vol. 14, No. 1, p430 437)披露了 一种太 赫兹时域光谱方法，它是一种异步光学采样(Asynchronous Optical Sampling)时域光谱方法。在文献2的方法中，使用两台工作在不同 重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两 束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献l的太赫兹时域光谱 测量方法需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲 之间的时间延迟不同，文献2的方法中的两路光束由于工作在不同的 重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Af，则在1/Af的时 间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。 通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。 同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的时 域谱。如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去了机械 时间延迟装置，并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾， 使系统能保持高的频谱分辨能力(典型值lGHz)的同时保持高的扫 描速度(单次扫描典型时间O.lms，多次扫描信噪比典型值 60dB@60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问 题，大幅提高了飞秒激光器的重复频率(由典型值80MHz提高到了 lGHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(lGHz重复频率的 理论频谱分辨率为lGHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光 器重复频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。 发明内容为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种新的测 量太赫兹时域谱的方法及设备，它通过调整两台工作在同样重复频率 的飞秒激光器出射的两个光束之间的初始相位差来实现两个光束之间 的时间延迟。在本发明的一个方面，提出了一种测量太赫兹时域光谱的方法， 包括步骤以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束， 用于产生太赫兹脉冲；以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉 冲激光束；测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的 各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及通过对表示所述电场强 度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。此外，根据本发明的实施例，所述的方法还包括步骤通过反馈 调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相 同的重复频率上。此外，根据本发明的实施例，所述控制步骤包括通过调节所述 第-一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长，来将所述第一脉冲 激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为预定 的相位差。此外，根据本发明的实施例，所述的方法还包括步骤基于所述 重复频率将所述相位差转换成时间差。在本发明的另一方面，提出了一种测量太赫兹时域光谱的设备， 包括第一飞秒激光器，用于以预定的重复频率从第一飞秒激光器发 出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；第二飞秒激光器，用于以 所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束；测量装置，测 量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处 的太赫兹脉冲的电场强度；以及数据处理装置，通过对表示所述电场 强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。此外，根据本发明的实施例，所述的设备还包括频率和相位控 制装置，通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞 秒激光器工作在相同的重复频率上。此外，根据本发明的实施例，所述频率和相位控制装置通过调节 所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长来将所述第一 脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的相位差调节为 预定的相位差。此外，根据本发明的实施例，所述数据转换装置基于所述重复频 率将所述相位差转换成时间差。此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器的每一 个都包括连续激光泵浦源与飞秒振荡器。此外，根据本发明的实施例，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器 是分立式的。此外，根据本发明的实施例，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器 是集成式的。此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器使用同 一个连续激光泵浦源。此外，根据本发明的实施例，所述第一和第二飞秒激光器使用各 自的激光泵浦源。此外，根据本发明的实施例，所述的设备还包括第一分束镜， 设置在所述第一飞秒激光器的输出端，用于反馈第一脉冲激光束；第 一光电探测器，用于将反馈的第一脉冲激光束转换成电信号，作为所 述反馈信号；第二分束镜，设置在所述第二飞秒激光器的输出端；第 二光电探测器，用于将反馈的第二脉冲激光束转换成电信号，作为所 述反馈信号。此外，根据本发明的实施例，所述第一分束镜和所述第一光电探 测器集成在所述第一飞秒激光器内；所述第二分束镜和所述第二光电 探测器集成在所述第二飞秒激光器内。此外，根据本发明的实施例，所述第一分束镜和所述第一光电探 测器与所述第一飞秒激光器是分开的；所述第二分束镜和所述第二光 电探测器与所述第二飞秒激光器是分开的。本发明由于采用了上述的方法和结构，使其与现有技术相比有如
下几方面的优势1) 光路中没有传统方式的机械时间延迟装置，减小了光路的调节 难度并提高了时域波形的测量精度，加快了测量速度。2) 在本发明中，激光器的重复频率可以在数十兆到数G之间。 因此，用户可以根据其对频谱分辨率的要求来进行选择。例如，当激光器重复频率工作在80MHz时，系统的最高频谱分辨能力就能达到 80MHz。3) 与现有技术相比，由于使用本发明的方法和设备测量得到的太 赫兹光谱同时具有频谱分辨力高及探测范围宽的特点，使得利用本发 明的技术进行鉴别物质的能力大大加强。
从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中图1是根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的设备的结构示 意图；图2是如图1所示的设备中的部分部件的详细结构示意图；以及 图3是说明根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的方法的流程图。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽 然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组 件。为了清楚和简明，包含在这里的己知的功能和结构的详细描述将 被省略，否则它们将使本发明的主题不清楚。图1是根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的设备的结构示 意图。如图1所示，本发明实施例的设备包括工作在相同重复频率例如lOOMHz上的两台飞秒激光器2和4;太赫兹发射与探测组件3， 其中包括了太赫兹发射器31、探测晶体34、光电转换器35、飞秒激 光光路36、太赫兹光路33以及放置样品32的样品台等；两个分束镜8和9;两个光电探测器6和7;重复频率与相位控制部分1，其基于从光电探测器6和7反馈的信号将飞秒激光器2和4的重复频率稳定 在预定的基准频率上的同时将飞秒激光器2和4所发出的两束激光之 间的相位差调节到预定的值；以及基于计算机的数据采集与处理系统 5 c这里，飞秒激光器2或4包括连续激光泵浦源与飞秒振荡器，它 们可以是分立式的，也可以是集成一体式的。如果是分立式的，两个 飞秒振荡器可以使用不同的连续激光泵浦源也可以使用同一个连续激 光泵浦源。样品32被放置在太赫兹光路中，可以采用某种形式的样品台。根 据环境特点，样品台可以是普通试验台，也可能是密闭的、干燥的操 作箱。分束镜8和9及光电探测器6和7可以被分别集成在飞秒激光 器2和4的内部，这样容易保持稳定的光路。如图1所示，重复频率和相位控制部分1接受数据采集和处理系 统5发出的控制指令，控制飞秒激光器2和4使其工作在相同的重复 频率，例如100MHz，同时根据指令要求调整两台飞秒激光器2和4 发出的两束激光之间的相位差。飞秒激光器4发出的飞秒脉冲激光作 为抽运光束，用来激发组件3中的太赫兹发射器31发射太赫兹脉冲。 飞秒激光器2发出的飞秒脉冲激光作为探测光束入射到组件3中的探 测晶体34上。也就是，太赫兹发射器31所发射的太赫兹脉冲与样品 32相互作用后，沿着太赫兹光路33到达探测晶体34。探测晶体34 在光电转换器35等外围元件的辅助下探测太赫兹脉冲在各个预定的 相位差下的瞬时电场强度。具体而言，探测晶体34在太赫兹电场的作 用下使飞秒激光器2发出的激光光束偏振方向发生了改变，光电转换 器35测量在一定偏振方向上的激光幅度的微弱变化从而得到模拟信 号形式的太赫兹电场强度DTS，然后通过数据信号线传输到数据采集 和处理系统5。数据采集和处理系统5控制整个设备协调工作，并从 组件3中获得在不同相位差下太赫兹脉冲的电场强度数据，进行傅立 叶变换与处理后，最终得到太赫兹时域光谱。图2是如图1所示的设备中的部分部件的详细结构示意图。如图
2所示，数据采集与处理系统5包括数据采集单元51，它将从外部输 入的以模拟信号DTS表示的太赫兹电场强度转换成数字数据；数据存 储器52，它将数据采集单元51所采集的数字数据存储在其中；相位设定单元53，根据用户的输入预先设定多个相位(相位差)，例如e,， e2，…，e^。作为本发明的一个实施例，e,=()， e产2x2丌/65536， e3二3X2兀/65536，…，eN = 65535 X 2兀/65536;控制单元54，它根据预 先设定的各个相位差，向重复频率和相位控制部分1发出控制指令， 在重复频率稳定在预定的参考频率上的同时，指令重复频率和相位控制部分1将两束激光脉冲的相位差控制在各个预先设定的相位差ei(卜l， 2，…，N)，并且指令数据采集单元51采集各个相位差下的 太赫兹电场强度数据S, (i=l， 2，…，N);以及数据处理单元55，在 获得各个相位差e,下的太赫兹电场强度F,之后，它对控制单元54从 数据存储器52中读出的这些相位差ei转换成相应的时间差Ti (i=l， 2，…，N)，并对太赫兹电场强度数据Fi (i=l， 2，…，N)进行傅立 叶变换，从而得到了太赫兹脉冲的时域光谱。这里，由于重复频率是 已知的，所以能够求出与重复频率相对应的一个2兀周期的时间长度。 因此，l:述的相位差ei与转换的时间差Ti (i=l， 2,…，N)是一一对 应的。如图2所示，重复频率和相位控制部分1包括监测单元11，它基 于基准频率FREF、控制单元54所提供的相位差、来自光电探测器6 的反馈信号FBS1和来自光电探测器7的反馈信号FBS2的频率与相 位，向调节单元12发出指令CTL1或者CTL2，命令其例如以压电的 方式来调节飞秒激光器2或者4的腔长，从而使得飞秒激光器2和4 的发出的激光脉冲的重复频率与参考频率相同，且二者之间的相位差 与控制单元提供的相位差ei相同。在这种情况下，数据采集单元51获得该相位差erF的太赫兹电场强度数据Si。然后，重复上述的操作，就可以得到各个相位差下的太赫兹电场强度。图3是说明根据本发明实施例的测量太赫兹时域光谱的方法的流程图。如图3所示，用户通过数据釆集和处理系统5中的相位设定单元 53设定多个相位差，例如选定预定的相位区间例如0 27l和划分数N=65536后，就确定了各个相位差e,， e2，…，eN (sio)。然后，取第一个相位差e,，以进行测量(sii)。监测单元ii基于基准频率FREF、控制单元54所提供的相位差、来自光电探测器6的反 馈信号FBS1和来自光电探测器7的反馈信号7的反馈信号FBS2的 频率与相位，向调节单元12发出指令CTL1或者CTL2，命令其例如 以压电的方式来调节飞秒激光器2或者4的腔长，从而使得飞秒激光 器2和4发出的激光脉冲的重复频率与参考频率相同，且二者之间的相位差与控制单元提供的相位差ei相同(S12)。然后，探测晶体34在光电转换器35等外围元件的辅助下探测太 赫兹脉冲在该相位差下的瞬时电场强度。然后数据采集单元51将模拟 形式的太赫兹电场强度信号DTS转换成数字数据，存储在数据存储单 元52中(S13)。接下来，控制单元54判断是否已经针对所有的预设相位差进行了 测量(S14)。如果没有(S14:否)，则控制单元54取下一相位差(S15)， 并且流程返回步骤Sll，重复与上述相同的处理过程。如果己经针对所有相位差进行了测量(S14:是)，则控制单元54 从数据存储器52中读出这些相位差ei转换成相应的时间差Ti (—1， 2，…，N)，并将读出的数据发送给数据处理单元54。然后，数据处 理单元55对太赫兹电场强度数据Fi (i=l, 2，…，N)进行傅立叶变 换，从而得到了太赫兹脉冲的时域光谱(S16)。最后，将所得到的时 域光谱显示在屏幕上或者打印输出(S17)。如上所述，这里，由于重复频率是已知的，所以能够容易计算出 与重复频率相对应的一个2兀周期的时间长度。因此，上述的相位差e' 与转换的时间差Ti (Nl， 2，…，N)是一一对应的。此外，在上面 的描述中，以0 2兀的时间间隔测量了太赫兹电场强度，但是也可以 取某一个预定的区间，例如0 rc或者其中一段(例如峰值前后一定相 位差范围内)的电场强度数据。上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应 该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于 本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权 利要求书的保护范围为准。
权利要求
1. 一种测量太赫兹时域光谱的方法，包括步骤以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束；测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括步骤通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒 激光器工作在相同的重复频率上。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括 通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长，来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的 相位差调节为预定的相位差。
4. 如权利要求l所述的方法，还包括步骤 基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
5. —种测量太赫兹时域光谱的设备，包括第--飞秒激光器，用于以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；第二飞秒激光器，用于以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第 二脉冲激光束；测量装置，测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之 间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及数据处理装置，通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换 来得到太赫兹时域光谱。
6. 如权利要求5所述的设备，还包括频率和相位控制装置，通过反馈调节的方式控制所述第一飞秒激光器和所述第二飞秒激光器工作在相同的重复频率上。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述频率和相位控制 装置通过调节所述第一飞秒激光器和/或所述第二飞秒激光器的腔长 来将所述第一脉冲激光束的相位与所述第二脉冲激光束的相位之间的 相位差调节为预定的相位差。
8. 如权利要求5所述的设备，其特征在于所述数据转换装置基于所述重复频率将所述相位差转换成时间差。
9. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞秒激光器的每一个都包括连续激光泵浦源与飞秒振荡器。
10. 如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述连续激光泵浦 源与飞秒振荡器是分立式的。
11. 如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述连续激光泵浦源与飞秒振荡器是集成式的。
12. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞 秒激光器使用同一个连续激光泵浦源。
13. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一和第二飞 秒激光器使用各自的激光泵浦源。
14. 如权利要求6所述的设备，还包括第一分束镜，设置在所述第一飞秒激光器的输出端，用于反馈第 一脉冲激光束；第一光电探测器，用于将反馈的第一脉冲激光束转换成电信号，作为所述反馈信号；第二分束镜，设置在所述第二飞秒激光器的输出端； 第二光电探测器，用于将反馈的第二脉冲激光束转换成电信号，作为所述反馈信号。
15. 如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一分束镜和 所述第一光电探测器集成在所述第一飞秒激光器内；所述第二分束镜 和所述第二光电探测器集成在所述第二飞秒激光器内。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一分束镜和 所述第一光电探测器与所述第一飞秒激光器是分开的；所述第二分束 镜和所述第二光电探测器与所述第二飞秒激光器是分开的。
全文摘要
一种测量太赫兹时域光谱的方法及设备，涉及太赫兹时域光谱领域。该方法包括步骤以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，用于产生太赫兹脉冲；以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束；测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。同现有技术相比，本发明在保持高探测带宽的同时能保持高的频谱分辨力，从而使装置鉴别物质的能力优于其它同类装置。
文档编号G01N21/25GK101210874SQ200610171670
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者俞冬梅, 兵 冯, 李元景, 王迎新, 赵自然 申请人:清华大学;同方威视技术股份有限公司