專利名稱：太赫分光計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一項^吏用在約0.1 x 1012 THz~ 100 x 1012 THz的頻
帶中的電》茲波的技術。
背景技術：
目前通常所說的生成或4企測太赫波的4支術是太赫時域光謙 (THz-TDS )。如5見有^支術已知，因為THz-TDS利用了限定4豆至約 100毫微微秒的超短脈沖的太赫波，所以太赫時域光i普學用于成像 樣品。因此，太赫時域光譜引起了諸如工業(yè)、醫(yī)療、生物技術、農(nóng) 業(yè)和安全的各種纟支術領域的注意。
在THz-TDS系統(tǒng)中，從超短脈沖激光源發(fā)出的輻射^皮分為泵 浦光束和#1測光束。泵浦光束集中在太赫波生成元件上。在太赫波 生成元件中，具有亞皮秒持續(xù)時間的電流或電才及化生成具有與時間 樣丈分成比例的場振幅的太赫波。太赫波通過光學系統(tǒng);故集中在太赫 波才企測元件上。此處，將纟果測光束施加給太赫波^r測元件。隨后， 太赫波一企測it/f牛生成載流子。載流子^皮太赫波的電場力o速且變?yōu)殡?信號。探測光束到達太赫波檢測元件的時間被延遲，從而測量出太赫波在振幅電場中所具有的時間波形。時間波形經(jīng)傅立葉轉換，從 而確定太赫波的頻譜。
已經(jīng)提出了使用太赫波時域光譜的裝置(例如，參見wo
01/06915 )。在該裝置中，從分束器延伸到太赫波生成元件的用于泵 浦光束的光徑以及乂人分束器延伸到延遲單元的用于纟笨測光束的光 徑都是光纖。
已經(jīng)提出了應該用光纖來替代光纖激光器中的 一些空間光學 元件(例如，偏振光束分光器(PBS)、波長板和準直透鏡)，以使 光纖激光器小型化。同樣，在太赫場中，非常需要更小的分光計。 然而，太赫分光計趨向于變大，這是因為它們需要用于將脈沖光束 從光纖激光器導向分束器的光學元件。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況作出本發(fā)明，本發(fā)明提出了一種具有簡單配置 并且還可以測量才羊品的太赫分光計。
鑒于以上情況，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的太赫分光計包括光 纖，從構成超短脈沖振蕩器的增益光纖中分支；以及發(fā)射器，被配 置為利用從增益光纖通過光纖導入的脈沖光束生成太赫波。
在本發(fā)明中，可以將脈沖光束(泵浦光束)從超短脈沖振蕩器 通過光纖導向發(fā)射器而無需在自由空間中傳播。太赫分光計可以比 ^f吏用外部光學部件的情況估文得更小。此夕卜，可以防止脈沖光束在從 超短脈沖振蕩器延伸到發(fā)射器的自由空間中傳纟番。因此，可以通過 減少脈沖光束的衰減來增加測量精度。因此，本發(fā)明可以^是供一種 能夠用筒單配置以比目前可能都高的精度來測量樣品的太赫分光 計。當結合附圖來閱讀時，才艮據(jù)以下的詳細描述將顯而易見本發(fā)明 的性質(zhì)、原理和效用，在附圖中，相同的部件用相同的參考婆t字或 符號表示。


在附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的太赫分光計的整體配置的示意
圖2是示出波導的示例性配置的示意圖3是闡述通過連接不同特性的光纖實現(xiàn)的色散補償 (dispersion compensation )的示意圖；以及
圖4是闡述如何通過改變光纖的溫度來調(diào)整時間延遲的示意圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。 (1 )太赫分光計的整體配置
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的太赫分光計10的整體配置。 該太赫分光計10包括超短脈沖光纖激光器11、發(fā)射器12、；險測器 13和計算一幾14。
超短脈沖光纖激光器11發(fā)射具有例如約100 fs的脈沖寬度和 約800 nm的中心波長的脈沖光束。超短脈沖光纖激光器11優(yōu)于固態(tài)鈦藍寶石激光器，這是因為它不需要冷卻、便宜、尺寸小且以高 效率發(fā)射力永沖。
從超短脈沖光纖激光器11發(fā)射的脈沖光束被分為泵浦光束和 :探測光束。泵浦光束^皮導向發(fā)射器12。纟笨測光束相對于泵浦光束浮皮 時間延遲，然后^皮導向才全測器13。
發(fā)射器12生成具有與泵浦光束的時間孩i分成比例的電場4展幅 的太赫波。具體地，例如，發(fā)射器12是光電導天線或由ZnTe等制 成的非線性光學結晶薄膜。光電導天線包括Si、 Ge、 GaAs等的光 電導薄膜、用于加速由光電導薄膜激勵的自由電子的電極以及用于 向電才及施力口l扁壓的電壓施力口單元。
檢測器13檢測從發(fā)射器12發(fā)射且來自樣品SPL (通過樣品或 被樣品反射)的太赫波。即，檢測器13生成等同于進入樣品SPL 的太赫波的電場。如果此處施加相對于泵浦光束延遲的#1測光束， 那么檢測器13就生成表示太赫波的電場強度的時間波形的信號。 例如，檢測器13是光電導天線、非線性光學結晶薄膜等。
計算機14獲取在作為測量目標的樣品SPL維持在規(guī)定位置處 時檢測器13輸出的信號、以及在作為測量基準的樣品SPL維持在 規(guī)定位置處時檢測器13輸出的信號。計算機14從這些信號的每一 個中提取出關于太赫波的振幅數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)?；谡穹鶖?shù)據(jù)項之 間的差異和相位數(shù)據(jù)項之間的差異，計算機14獲取關于樣品SPL (即，待測量的目標)的信息。由于計算才幾14可以同時獲取4展幅 凄t據(jù)和相位凄t據(jù)，所以太赫分光計10在測量^"度方面優(yōu)于〗吏用遠 紅外光束的〗專里葉光i普。
(2)波導的配置太赫分光計10具有從超短脈沖光纖激光器11延伸到發(fā)射器12 和檢測器13并由光纖構成的波導。
圖2示出了波導的示例性配置。在圖2所示的超短脈沖光纖激 光器11中，激勵源11A通過波長劃分復用單元11B連4妄至含有諸 如鉺(Er)的稀土元素的增益光纖11C,并且光耦合器IID在輸入 端連4妄至增益光纖11C的末端。
光纖OF1的一端連4妄至光耦合器11D的第一IIT出端，而另一 端連接至模式鎖定元件IIE。模式鎖定元件11E生成與發(fā)射器的垂 直模式同步且具有穩(wěn)定模式同步的功能的脈沖光束。
光纖OF2的一端連4妄至光津禺合器11D的第二l餘出端，而另一 端連4妻至發(fā)射器12。因此，爿t人增益光纖uc ^"出的l^沖光束在光 耦合器11D中被分支，并被直接施加給光纖OF2。光纖OF2將脈 沖光束導向發(fā)射器12。
在太赫分光計10中，可以由此防止乂人增益光纖11C輸出至發(fā) 射器12的脈沖光束在自由空間中傳播。
光纖OF3的一端連4妄至光耦合器11D的第三輸出端，而另一 端連4妄至4企測器13。因此，從增益光纖11C輸出的月永沖光束在光 耦合器11D中被分支，并被直接引入到光纖OF3中。光纖OF3將 月永沖光束導向4企測器13。
在太赫分光計10中，可以由此防止從增益光纖IIC豐命出至檢 測器13的脈沖光束在自由空間中傳才番。
各種類型的光連接器CN都是可用的，諸如SC型、FC型、 MU型、LC型和SMA型。選擇和使用適合于所使用光纖形狀的任何類型的光連接器。光耦合器IID可以是熔融耦合器，其中，光纖 :故熔融并連一妻以具有錐形形狀。在這種情況下，AU曾益光纖11C輸
出的脈沖光束可以^皮同時傳輸至光纖OF2和OF3。因此，可以相
對于泵浦光束在時間方面容易地調(diào)整^:測光束。
如現(xiàn)有技術已知，光纖具有使脈沖光束分散的特性，這是因為 它們的折射率隨輸入的脈沖光束的波長而改變。脈沖光束的色散通 過由光學系統(tǒng)(由棱鏡、光柵、啁嗽鏡等組成)構成的色散補償單 元來補償。
在才艮據(jù)本實施例的太赫分光計10中，脈沖光束的補償并不是 由光學系統(tǒng)構成的色散補償單元來補償?shù)?，而是由光纖OF2和OF3 來補償?shù)?。光纖OF2和OF3包括在失見定頻帶中呈現(xiàn)出不同光束色 散特性的多個光纖。因此，光纖OF2和OF3可以補償從增益光纖 11C輸出的脈沖光束的色散。
如圖3具體所示，在上述失見定頻帶中呈現(xiàn)出正群速色散的光纖 (圖3中標記為"正"的實線)和在規(guī)定頻帶中呈現(xiàn)出負群速色散 的光纖(圖3中標記為"負'，的實線)交替配置，并與光學連接器 (由圖3中的矩形表示)耦合，從而形成光纖OF2和OF3。注意， "規(guī)定頻帶"基于從超短脈沖光纖激光器11中的增益光纖IIC輸 出的輸入脈沖光束的中心波長。在由此得到的每個光纖(OF2或 OF3)的輸入和輸出端，脈沖光束具有相同的脈沖寬度。
呈現(xiàn)出正群速色散的光纖和呈現(xiàn)出負群速色散的光纖具有相 同的長度，且交替配置并耦合在一起，從而提供了光纖OF2和OF3。 本發(fā)明并不限于此配置。根據(jù)所使用光纖材料的特性、光纖的長度 和色散溫度，這些光纖可以以任何其他方式耦合在一起，只要光纖 OF2和OF3補償脈沖光束的色散即可。因此，在太赫分光計10中，耦合了色散特性不同的多個光纖，
從而補償了色散。因此，無需4吏用物理上獨立的任何色散補償單元。
(3)時間調(diào)整單元的配置
在根據(jù)本實施例的太赫分光計10中，探測光束到達檢測器13 的時間并不是通過具有諸如反向反射器的外部光學元件的時間延 遲單元延遲的，而是通過向光纖OF3施加溫度負載來延遲的。
更具體地，如圖4具體示出，光纖OF3用護套單元20覆蓋。 護套單元20由深層護套20A和安裝在深層護套20A上的表層護套 20B組成。深層護套20A由塑料等制成，而表層護套20B由尼龍等 制成。由這些材料制成，深層護套20A和表層護套20B向光纖OF3 賦予了機械強度和抗水性。護套單元20的表層護套20B部分或全 部被溫度負載供給單元30覆蓋。溫度負載供給單元30施加由結合 到計算片幾14中的負載變^匕單元14A所i殳定的溫度負載。從而，光 纖OF3維持在比光纖OF2 j氐的溫度。
在太赫分光計10中，光纖OF3進行耦合以補償在溫度負載供 纟合單元30所維持的恒定溫度下的色散。因此，溫度負載供給單元 30充當時間延遲單元。因此，從光耦合器11D分布到光纖OF3的 脈沖光束(探測光束)相對于從光耦合器11D分布到光纖OF2的 脈沖光束(泵浦光束)被延遲而到達檢測器13。
為了方便，在圖4中示出了單模式光纖。盡管如此，仍可以用 與調(diào)整單模式光纖的時間延遲相同的方式來調(diào)整多模式光纖的時
間延遲。
如上所述，通過向光纖OF3施加溫度負載來延遲探測光束到 達才企測器13的時間。因此，無需〗吏用物理上獨立的〗壬"f可獨立時間 延遲單元。(4 )操作和效果
在如上所述配置的太赫分光計10中，光纖OF2通過光耦合器 IID耦合至設置在超短脈沖光纖激光器11中的增益光纖IIC。通過 光纖OF2將從增益光纖11C輸出的脈沖光束(泵浦光束)導向發(fā) 射器12 (圖2)。
因此，在太赫分光計10中，無需4吏用光學透4竟就可以將月永沖 光束(泵浦光束)通過超短脈沖光纖激光器11引入到光纖OF2中。 因此，太赫分光計10可以比4吏用光學透4竟情況下更小。此外，可 以防止/人超短月永沖光纖激光器11輸出到發(fā)射器12的脈沖光束在自 由空間中傳播。因此，可以通過減少月氷沖光束的衰減來增加測量精 度。
在本實施例中，光纖OF2由在失見定頻帶中呈現(xiàn)出不同色散特
性并4皮此耦合的多個光纖構成，^f吏得乂人增益光纖iiciir出的月永沖光
束的色散可以得到補償(圖3 )。
因此，無需使用由外部光學元件構成的色散補償單元，太赫分
光計10就可以實現(xiàn)色散的補償。太赫分光計10可以比使用色散補
償單元情況下更小。此外，與4吏用色散補償單元的情況相比，可以 大大降低維護成本。此外，當改變激光器的中心波長時，可以才艮據(jù) 需要容易地調(diào)整色散的補償。
另夕卜，在根據(jù)此實施例的太赫分光計10中，光纖OF3直接耦 合到光耦合器11D并將從增益光纖IIC輸出的脈沖光束(探測光束) 通過光纖OF3 (圖2)導向4企測器13。太赫分光計10具有時間調(diào) 整單元(即，溫度負載供給單元30和負載變化單元14A)，時間調(diào) 整單元向光纖OF3的一部分或全部施加溫度負載，使得光纖OF3 可以維4爭在比光纖OF2更^[氐的溫度(圖4 )。因此，在太赫分光計10中，無需4吏用光學透4竟，就可以將月永 沖光束(探測光束)從超短脈沖光纖激光器11引入到光纖OF3中， 并且無需使用諸如反向反射器透鏡的光學透鏡，就可以延遲脈沖光 束(探測光束)到達^r測器13的時間。因此，太赫分光計10可以 比使用光學透鏡的情況下小得多。此外，可以防止輸出的脈沖光束 在從超短脈沖光纖激光器11延伸到檢測器13的自由空間中傳播。 因此，可以通過減少脈沖光束的衰減來增加測量津奇度。
因為從超短脈沖光纖激光器11延伸到發(fā)射器的一個波導和從 超短脈沖光纖激光器11延伸到檢測器13的另一個波導都是光纖， 所以本實施例可以實現(xiàn)能夠4艮d、的太赫分光計10。
(5)其他實施例
在上述實施例中，光纖OF3直接從增益光纖11C中分支。然 而，本發(fā)明并不限于此。替代地，光纖OF3可以從光纖OF2分支。 例如，可以在光纖OF2的波導上設置光耦合器(或分離器)。在這 種情況下，可以獲得與從增益光纖11C中直接分支光纖OF3的情
況相同的伊乙點。
在上述實施例中，溫度負載供主會單元30覆蓋護套單元20，護 套單元20又覆蓋光纖OF3。本發(fā)明并不限于此。替代地，溫度負 載供給單元30覆蓋護套單元20的深層護套20A?？蛇x地，溫度負 載供纟會單元30可以直沖妄覆蓋光纖OF3。在這種情況下，可以部分 或全部省去護套單元20。這可以4吏太赫分光計10更小。
如上所述，施加溫度負載的位置為光纖OF3。替代地，可以向 光纖OF2施加溫度負載。在這種情況下，溫度負載是通過結合到計
因此，獲得與上述實施例相同的優(yōu)點。即，如果月永沖光束在通過波導之后到達檢測器13的時間相對于光束乂人光耦合器11D (即，設 置在光纖OF2的波導上的光耦合器)到達發(fā)射器12的時間被延遲， 那么可以根據(jù)需要改變施加溫度負載的位置?？梢詫⒇撦d施加給波 導中的一個或兩個。
在上述實施例中將溫度作為負載施加。替代地，可以施加諸如 壓力、電場或商業(yè)光纖延遲系統(tǒng)的任何其他類型的負載。
在上述實施例中，將被施加負載的光纖被施以負載，以使其可 以維持不^皮施加負載的任何其他光纖的狀態(tài)不同的"唯一"負載狀 態(tài)。然而，本發(fā)明并不限于此?？梢郧袚Q負載，使得光纖可以纟皮加 載到多種狀態(tài)中的"選擇，，狀態(tài)。如果是這種情況，就可以切換脈 沖光束到達檢測器13的時間。因此，可增加測量精度。
在上述實施例中，圖2所示的超短月永沖光纖激光器11用作超 短脈沖振蕩器。本發(fā)明并不限于此?？梢蕴娲?吏用其他多種超短 脈沖振蕩器中的任一種。
本發(fā)明可以用于諸如工業(yè)、醫(yī)療、生物技術、農(nóng)業(yè)、安全、數(shù) 據(jù)通信和電子的多種技術領域。
本領i或的4支術人員應理解，才艮才居i殳計要求和其4也因素，可以有 多種修改、組合、再組合和改進，均應包含在隨附權利要求或等同 物的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種太赫分光計，包括光纖，從構成超短脈沖振蕩器的增益光纖中分支；以及發(fā)射器，被配置為利用從所述增益光纖通過所述光纖導入的脈沖光束生成太赫波。
2. 根據(jù)權利要求1所述的太赫分光計，其中，所述光纖由在基于 所述脈沖光束的中心頻率的》見定頻帶中呈現(xiàn)出不同色散特性 的多個光纖構成，并被配置為抵消從所述增益光纖輸出的所述 脈沖光束的脈沖寬度色散。
3. 沖艮據(jù)權利要求1所述的太赫分光計，還包括另一光纖，從所述增益光纖或所述光纖分支；才全測器，；故配置為通過4吏用通過所述另一光纖從所述增 益光纖導入的力永沖光束來一企測太赫波；以及時間調(diào)整單元，被配置為向?qū)⒈皇┮载撦d的所述光纖或 所述另 一光纖施加負載，以使所述光纖或所述另 一光纖維持在 與將不被施以負載的所述光纖或所述另 一 光纖的狀態(tài)不同的 負載狀態(tài)，并最終延遲所述脈沖光束到達所述4企測器的時間。
4. 根據(jù)權利要求3所述的太赫分光計，其中，被施加負載的所述 光纖或所述另一光纖由在基于所述^o中光束的中心頻率的夫見 定頻帶中并在被所述時間調(diào)整單元維持的負載狀態(tài)下呈現(xiàn)出 不同色散特性的多個光纖構成，并被配置為抵消從所述增益光 纖輸出的所述脈沖光束的脈沖寬度色散。
5 根據(jù)權利要求3所述的太赫分光計，其中，所述時間調(diào)整單元 施加負載以維持所述負載狀態(tài)中與未選狀態(tài)不同的選擇狀態(tài)， 從而延遲所述脈沖光束到達所述4全測器的時間。
全文摘要
一種太赫分光計，包括光纖和發(fā)射器。光纖從構成超短脈沖振蕩器的增益光纖中分支。發(fā)射器利用從增益光纖通過光纖引入的脈沖光束生成太赫波。通過本發(fā)明的太赫分光計可以用簡單配置以較高的精度來測量樣品。
文檔編號G01J3/12GK101526398SQ20091012604
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權日2008年3月4日
發(fā)明者弗洛里安·福爾馬內(nèi), 馬克-奧雷勒·布蘭 申請人:索尼株式會社