一种实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种实现太赫兹光谱探测的方法及系统，采用一对高稳定性的单纵模近红外激光器作为种子光源，利用光纤调制激光信号，光混频器在外加偏压下向外辐射出连续的太赫兹波；在信号接收端，采用光电导开关和天线对太赫兹波进行相干探测。通过对激光器进行温度调制，实现宽带宽的差频连续太赫兹辐射输出。与常见的太赫兹时域脉冲光谱系统相比，该技术获取的谱分辨率得到极大提高，对太赫兹光谱学及其相关领域的发展起到很好的推动作用。
【专利说明】一种实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学应用【技术领域】，特别是涉及一种实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统。
【背景技术】
[0002]近年来，随着太赫兹技术在各个领域中的快速发展，太赫兹波光谱技术应用研究也愈发广泛。由于太赫兹波自身的众多优点，使得太赫兹应用技术已经延伸到了现实生活的各个方面。例如，在公共安全检测方面，太赫兹波能透过一些常见的红外无法穿透的材料，如塑料包装，信封和半导体介质等无极性材料，所以非常适合用于隐蔽物的探测；更为重要的，毒品和TNT都具有其特殊的太赫兹指纹谱，采用太赫兹光谱技术可以提高对危险品和违禁品的检测效率，丰富了安检的手段。在生物医学方面，不同组织组织(脂肪、皮肤和肌肉)对太赫兹波具有差别吸收，另外，太赫兹对组织内水分十分敏感，基于这两特点，太赫兹光谱技术能够检测不同表皮生物细胞之间的差异，如皮肤烧伤区域，皮肤癌变区域等。同时，太赫兹波能量远低于X射线等高能粒子射线，不会对生物组织产生电离损伤，所以更加安全，而较之于微波超声技术，得益于其更短的波长，获取的图像具有更高的分辨率。
[0003]由于太赫兹源和探测器的发展相对缓慢，在一定程度上制约了太赫兹光谱技术的发展。目前，太赫兹时域光谱技术使用较为广泛，该技术辐射太赫兹波主要采用两种手段:(I)基于非线性晶体的二次非线性效应；(2)基于电-光效应，采用光电导天线辐射出太赫兹波。在探测端均采用相干探测技术，受限于时域光谱系统的太赫兹辐射能量低，所以系统必须置于真空中；另一方面，响应信号为时域脉冲信号，所以系统必须要配备相应的机械时间延迟线，精确程度要求高，导致系统构架复杂，同时须对时域信号进行傅立叶变换方能得到频域谱，太赫兹信号强度低，光谱分辨率一般在10 GHz以上，谱分辨率较低，对于一些纯物质(如气体)的尖锐吸收峰无法识别，限制了太赫兹光谱技术的应用。所以，简化光谱系统、改善系统适用性和提高光谱分辨率对于太赫兹光谱技术而言就显得格外重要。
[0004]本发明的作者对太赫兹光谱技术及应用系统方面进行了深入研究，提出了一种实现连续太赫兹光谱探测的技术及系统，使太赫兹光谱分辨率得到显著提高，有利于太赫兹光谱技术的发展及应用。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种实现连续太赫兹光谱探测器的方法及系统，用于解决现有技术中太赫兹信号强度低、光谱分辨率低的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种实现连续太赫兹光谱探测器的系统，所述系统至少包括:光源模块、调制光纤模块和测试模块；
[0007]所述光源模块包括第一激光器、第二激光器、以及功率放大器，所述功率放大器通过光纤分别与所述第一激光器和第二激光器相连接；
[0008]所述光纤模块包括由所述功率放大器输出端接出的第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤分别通过电压调制器调节激光信号的相位；
[0009]所述测试模块包括连续太赫兹光产生装置、透射/发射光路装置以及相干探测装置，所述连续太赫兹光产生装置与所述第一光纤相连接；所述连续太赫兹光产生装置所产生的太赫兹光经过所述透射/反射光路装置收集并汇聚后入射至所述相干探测装置进行检测，所述相干探测装置还与所述第二光纤相连接。
[0010]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述第一激光器和第二激光器为单纵模分布式反馈近红外激光器，通过一温度调制器实现频率调制。
[0011]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述第一激光器和第二激光器的中心波长为855nm，通过所述温度调制器的调制，实现50MHz?2THz的差频输出范围，对应的温度调节的范围为O?50K。
[0012]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述功率放大器输出的激光信号通过一光纤分束器按1:1进行信号分离，分离的信号分别进入所述第一光纤和第二光纤。
[0013]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述第一光纤和第二光纤所选光纤的材质、长度和性能参数均相同，实现对光纤温漂效应的有效抑制。
[0014]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述连续太赫兹光产生装置包括由第一光电导开光和第一天线构成的第一光混频器，所述第一光纤与第一光电导开光相连，产生的连续太赫兹光由所述第一天线辐射出。
[0015]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，根据测量模式的不同，所述透射/反射光路装置为透射光路装置或者反射光路装置，所述透射光路装置由一组90°离轴抛物面镜和一组焦距为50mm的太赫兹超透镜组成，样品置于透镜焦点处，连续太赫兹光穿透样品；所述反射光路装置由一组45°离轴抛物面镜和一组焦距为50mm的太赫兹超透镜组成，样品置于透镜焦点处，连续太赫兹光被样品反射。
[0016]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种优化的方案，所述相干探测装置包括由第二光电导开关和第二天线构成的第二光混频器，所述第二光电导开关与第二光纤相连，所述第二天线接收经过所述透射/反射光路装置收集后的太赫兹光，激光信号与太赫兹光信号在所述第二光电导开关处相干稱合产生响应光电流，通过转换成电压信号再由一锁相探测器进行读取检测。
[0017]本发明还提供一种实现连续太赫兹光谱探测的方法，所述方法至少包括:
[0018]I)对第一激光器和第二激光器施加偏压出光,经过功率放大器之后的激光信号分成两束，一束由第一光纤耦合进入连续太赫兹光产生装置，在所述连续太赫兹光产生装置上加偏压后，产生太赫兹辐射并发射；另一束激光信号进入第二光纤；
[0019]2)产生的太赫兹光经过置于透射/反射光路装置中的样品后，与第二光纤的激光信号同时进入相干探测模块，两束光耦合产生光电流并由锁相探测器对光电流信号进行读取；
[0020]3)调节所述第一激光器和第二激光器，改变两者频率，通过差频实现太赫兹光谱的频域扫描，其中，在每个频点处，第二光纤中的激光信号和接收到的太赫兹光输入相干探测模块，采样一个相干周期内的信号确定极大值，最后综合各个频点处的极大值获得太赫兹频域光谱图。
[0021]作为本发明实现连续太赫兹光谱探测的方法的一种优化的方案，利用电压调制器输出正弦电压信号来调制所述第一光纤和第二光纤的长度，实现对激光信号的相位调制，完成连续太赫兹光的相干探测，系统在整个频段内的平均信噪比大于60db，太赫兹光谱的分辨率为50MHz。
[0022]如上所述，本发明提供一种实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统，鉴于常用时域太赫兹光谱系统的局限性，如低光谱分辨率、时间延迟线、太赫兹信号强度低和测试环境真空等方面，本发明优先采用高性能DFB激光器温度调制差频产生连续太赫兹波，激光器频率的高稳定性使得到的太赫兹光谱分辨率显著提高，采用调制光纤实现相干探测有效降低光谱系统的复杂程度，非常有利于太赫兹光谱技术的发展，在太赫兹光谱学实际应用方面具有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的一种示意图。
[0024]图2为本发明实现连续太赫兹光谱探测的系统的另一种示意图。
[0025]图3为本发明获得的大气太赫兹光谱图。
[0026]元件标号说明
[0027]I光源模块
[0028]11第一激光器
[0029]12第二激光器
[0030]13功率放大器
[0031]14温度调制器
[0032]15光纤
[0033]2调制光纤模块
[0034]21第一光纤
[0035]22第二光纤
[0036]3测试模块
[0037]31太赫兹光产生装置
[0038]311第一光电导开关
[0039]312第一天线
[0040]312偏压装置
[0041]32透射/发射光路装置
[0042]321离轴抛物面镜
[0043]322透镜
[0044]33相干探测装置
[0045]331第二光电导开关
[0046]332第二天线
[0047]4锁相探测器
[0048]5样品
【具体实施方式】
[0049]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0050]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0051]目前，太赫兹光谱技术普遍采用时域光谱系统，利用傅立叶变换处理时域脉冲信号得到频域光谱，太赫兹信号强度低，光谱分辨率不高；鉴于此，本发明提供了一种实现连续太赫兹探测的方法及系统，基于光学混频技术，采用稳定性高且成熟的近红外激光器作为种子光源，结合光电导天线技术获得连续的太赫兹光谱，通过温控调制激光频率，天线辐射出的太赫兹光谱达到MHz量级的光谱分辨率，相比于常用的太赫兹时域光谱技术，谱分辨率得到显著提高。同时，本发明的实现连续太赫兹光谱探测系统的结构简单，易于实施。以下将详细阐述本发明实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统。
[0052]本发明提供一种实现连续太赫兹光谱探测的系统，如图1和图2所示，所述系统至少包括:光源模块1、调制光纤模块2和测试模块3。
[0053]所述光源模块I包括第一激光器11、第二激光器12、以及功率放大器13，所述功率放大器13通过光纤15分别与所述第一激光器11和第二激光器12相连接，激光信号通过光纤15耦合进功率放大器13，功率放大器可将激光平均功率提升到150mW的量级。
[0054]其中，所述第一激光器11和第二激光器12为高性能单纵模分布式反馈(DFB)近红外激光器，中心波长为855nm，单个出光功率约为40mW。所述光源模块I还包括与所述第一激光器11和第二激光器12相连接的温度调制器14，通过调制温度来调制第一激光器11和第二激光器12的波长，从而实现两台激光器频率的调节。进一步地，温度调制器14的温度调制速率为25GHz/K，调节范围为O?50K，对应第一激光器11和第二激光器12频率的可调范围为50MHz?2THz，调制后第一激光器11和第二激光器12的频率不相等。
[0055]所述光纤模块2包括由所述功率放大器13输出端接出的第一光纤21和第二光纤22，所述第一光纤21和第二光纤22分别通过电压调制器(未予以图示)调节激光信号的相位。
[0056]其中，需要说明的是，所述功率放大器13输出的激光信号通过一光纤分束器(未予以图示)按1:1进行信号分离，分离的信号分别进入所述第一光纤21和第二光纤22。所述第一光纤21和第二光纤22所选光纤的材质、长度和光学参数最好均相同，这样可以有效抑制光纤的温漂效应。利用电压调制器调制所述第一光纤21和第二光纤22的长度，进而分别实现对两束激光相位(光程)的调制。本实施例中，由电压调制器输出正弦电压信号来调制光纤长度。
[0057]所述测试模块3包括连续太赫兹光产生装置31、透射/发射光路装置32以及相干探测装置33，所述连续太赫兹光产生装置31与所述第一光纤21相连接；所述连续太赫兹光产生装置31所产生的太赫兹光经过所述透射/反射光路装置32收集并汇聚后入射至所述相干探测装置33进行检测，所述相干探测装置33还与所述第二光纤22相连接。
[0058]其中，所述连续太赫兹光产生装置31包括由第一光电导开光311和第一天线312构成的第一光混频器。具体地，所述第一光纤21与第一光电导开光311相连，产生的连续太赫兹光由所述第一天线312辐射出。需要说明的是，所述连续太赫兹光产生装置31还包括与所述第一光电导开光311相连的偏压装置313，用于给所述连续太赫兹光产生装置31加偏压。本实施例中，所述第一光混频器的第一光电导开关311选择为GaAs材料,带宽可至3THz，发射的连续太赫兹波辐射功率可达I微瓦,信噪比最高可达80db。
[0059]根据测量模式的不同，所述透射/反射光路装置32为透射光路装置或者反射光路装置，分别由不同离轴度的离轴抛物面镜组321和太赫兹超透镜322构成。具体为:如图1所示，所述透射光路装置由一组90°离轴抛物面镜321和一组焦距为50mm的太赫兹超透镜322组成，样品置于透镜322焦点处，连续太赫兹光穿透样品5 ;如图2所示，所述反射光路装置由一组45°离轴抛物面镜321和一组焦距为50mm的太赫兹超透镜322组成，样品置于透镜322焦点处，连续太赫兹光被样品5反射。
[0060]所述相干探测装置33包括由第二光电导开关331和第二天线332构成的第二光混频器，所述第二光电导开关331与第二光纤22相连，所述第二天线332接收经过所述透射/反射光路装置32收集后的太赫兹光，激光信号与太赫兹光信号在所述第二光电导开关332处相干耦合产生响应光电流，通过转换成电压信号再由一锁相探测器4进行读取检测。具体地，本实施例中，所述锁相探测器4为锁相放大器。
[0061]为使本领域技术人员进一步理解本发明探测系统的实施方式，以下将详细说明本发明的相关原理及具体使用本发明探测系统的方法。
[0062]本发明还提供一种实现联系太赫兹光谱探测的方法，所述方法至少包括以下步骤:
[0063]首先执行步骤I)，对第一激光器和第二激光器施加偏压出光，经过功率放大器之后的激光信号分成两束，一束由第一光纤耦合进入连续太赫兹光产生装置，在所述连续太赫兹光产生装置上加偏压后，产生太赫兹辐射并发射；另一束激光信号进入第二光纤。
[0064]本实施例以测试大气的太赫兹光谱为例，采用如图1所示的透射模式进行光谱测量，第一激光器和第二激光器米用DFB激光器,第一光纤和第二光纤的长度由电压调制器来调节，具体操作步骤如下:
[0065]1-1)驱动DFB激光器，驱动电压为9V，在温度调制器没打开的情况下，两台激光器的中心波长为855nm ；
[0066]1-2)等两台激光器稳定之后，再打开功率放大器，等待约30秒，功率放大器稳定；
[0067]1-3)打开光纤的电压调制器，选择正弦调制信号U = U0Sin (2 π fs t)，电压幅值为80V, fs为电压调制频率，设为IkHz。
[0068]然后执行步骤2)，产生的太赫兹光经过置于透射/反射光路装置中的样品后，与第二光纤的激光信号同时进入相干探测模块，两束光耦合产生光电流并由锁相探测器对光电流信号进行读取。
[0069]本步骤的具体操作过程为:
[0070]2-1)外加1V偏置电压与第一光混频器(Tx)差频产生连续的太赫兹辐射；
[0071]2-2)采用透射模式光路，测试大气的太赫兹光谱，光路中无任何目标阻挡太赫兹波(即相当于样品为大气)，光路置于开放的实验室环境下，空气相对湿度为35%，温度为24。。。
[0072]2-3)打开相干探测模块的锁相放大器，对第二光电导开关的响应光电流进行探测。
[0073]最后执行步骤3)，调节所述第一激光器和第二激光器，改变两者频率，通过差频实现太赫兹光谱的频域扫描，其中，在每个频点处，第二光纤中的激光信号和接收到的太赫兹光输入相干探测模块，采样一个相干周期内的信号确定极大值，最后综合各个频点处的极大值获得太赫兹频域光谱图。
[0074]具体地，设定测试激光器温控调制范围为4°C?49°C，对应的测试频率范围为0.2?1.8THz，频率扫描步长为50MHz。系统在整个频段内的平均信噪比大于60db，太赫兹光谱的分辨率为50MHz。
[0075]最终获得的大气太赫兹光谱图如图3所示，内插图为箭头所指低频段水气吸收峰放大示意图。可以看出，光谱主要受到大气中水气的吸收影响，水气在低频段560GHz和750GHz附近的小的吸收峰在谱线中也能清晰的观察到，对560GHz处的水气吸收峰放大可知，该峰的半峰宽约为1GHz。
[0076]综上所述，本发明提供一种实现连续太赫兹光谱探测的方法及系统，采用一对高稳定性的单纵模近红外激光器作为种子光源，利用光纤调制激光信号，光混频器在外加偏压下向外辐射出连续的太赫兹波；在信号接收端，采用光电导开关和天线对太赫兹波进行相干探测。通过对激光器进行温度调制，实现宽带宽的差频连续太赫兹辐射输出。与常见的太赫兹时域脉冲光谱系统相比，该技术获取的谱分辨率得到极大提高，对太赫兹光谱学及其相关领域的发展起到很好的推动作用。
[0077]所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0078]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0079]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于，所述系统至少包括:光源模块、调制光纤模块和测试模块； 所述光源模块包括第一激光器、第二激光器、以及功率放大器，所述功率放大器通过光纤分别与所述第一激光器和第二激光器相连接； 所述光纤模块包括由所述功率放大器输出端接出的第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤分别通过电压调制器调节激光信号的相位； 所述测试模块包括连续太赫兹光产生装置、透射/发射光路装置以及相干探测装置，所述连续太赫兹光产生装置与所述第一光纤相连接；所述连续太赫兹光产生装置所产生的太赫兹光经过所述透射/反射光路装置收集并汇聚后入射至所述相干探测装置进行检测，所述相干探测装置还与所述第二光纤相连接。
2.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述第一激光器和第二激光器为单纵模分布式反馈近红外激光器，通过一温度调制器实现频率调制。
3.根据权利要求2所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述第一激光器和第二激光器的中心波长为855nm，通过所述温度调制器的调制，实现50MHz?2THz的差频输出范围，对应的温度调节的范围为O?50K。
4.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述功率放大器输出的激光信号通过一光纤分束器按1:1进行信号分离，分离的信号分别进入所述第一光纤和第二光纤。
5.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述第一光纤和第二光纤所选光纤的材质、长度和性能参数均相同，实现对光纤温漂效应的有效抑制。
6.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述连续太赫兹光产生装置包括由第一光电导开光和第一天线构成的第一光混频器，所述第一光纤与第一光电导开光相连，产生的连续太赫兹光由所述第一天线辐射出。
7.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:根据测量模式的不同，所述透射/反射光路装置为透射光路装置或者反射光路装置，所述透射光路装置由一组90°离轴抛物面镜和一组焦距为50mm的太赫兹超透镜组成，样品置于透镜焦点处，连续太赫兹光穿透样品；所述反射光路装置由一组45°离轴抛物面镜和一组焦距为50_的太赫兹超透镜组成，样品置于透镜焦点处，连续太赫兹光被样品反射。
8.根据权利要求1所述的实现连续太赫兹光谱探测的系统，其特征在于:所述相干探测装置包括由第二光电导开关和第二天线构成的第二光混频器，所述第二光电导开关与第二光纤相连，所述第二天线接收经过所述透射/反射光路装置收集后的太赫兹光，激光信号与太赫兹光信号在所述第二光电导开关处相干耦合产生响应光电流，通过转换成电压信号再由一锁相探测器进行读取检测。
9.利用权利要求1?8任一项所述系统实现连续太赫兹光谱探测的方法，其特征在于，所述方法至少包括: 1)对第一激光器和第二激光器施加偏压出光，经过功率放大器之后的激光信号分成两束，一束由第一光纤耦合进入连续太赫兹光产生装置，在所述连续太赫兹光产生装置上加偏压后，产生太赫兹辐射并发射；另一束激光信号进入第二光纤； 2)产生的太赫兹光经过置于透射/反射光路装置中的样品后，与第二光纤的激光信号同时进入相干探测模块，两束光耦合产生光电流并由锁相探测器对光电流信号进行读取； 3)调节所述第一激光器和第二激光器，改变两者频率，通过差频实现太赫兹光谱的频域扫描，其中，在每个频点处，第二光纤中的激光信号和接收到的太赫兹光输入相干探测模块，采样一个相干周期内的信号确定极大值，最后综合各个频点处的极大值获得太赫兹频域光谱图。
10.根据权利要求9所述的实现连续太赫兹光谱探测的方法，其特征在于:利用电压调制器输出正弦电压信号来调制所述第一光纤和第二光纤的长度，实现对激光信号的相位调制，完成连续太赫兹光的相干探测，系统在整个频段内的平均信噪比大于60db，太赫兹光谱的分辨率为50MHz。
【文档编号】G01N21/3586GK104458645SQ201410742447
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】周涛, 曹俊诚, 吴义东 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所