本發(fā)明涉及光譜檢測領域，特別地，涉及一種太赫茲脈沖時域波形探測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太赫茲輻射(太赫茲波)是對一個特定波段的電磁波的統(tǒng)稱，它所對應的電磁波譜位于微波和紅外線之間，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段，其命名源于其頻率在10¹²hz(1thz＝10¹²hz)左右。人們對于太赫茲輻射的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，早期在電子學領域被叫做亞毫米波，在光學領域被叫做遠紅外線。太赫茲波段通常所指的頻率范圍為0.3～3thz，但有時候0.1～10thz范圍附近的電磁波都被稱為太赫茲波。

自20世紀80年代中期利用超快光電子技術(shù)產(chǎn)生和探測到太赫茲波以來，對該波段電磁輻射的研究引起了科學技術(shù)界越來越多的關注，其原因可歸于以下三個方面。首先，太赫茲波具有普遍性，自然界中充斥的電磁輻射相當部分集中于太赫茲波段，自然界中絕大多數(shù)物體的熱輻射，包括宇宙背景輻射都包含了大量的太赫茲波。其次，太赫茲波具有特殊性，由于太赫茲輻射在電磁波譜中所處的特殊位置，電子學和光學中成熟的理論和技術(shù)并不能簡單的復制到太赫茲波段，太赫茲研究缺乏高效率的發(fā)射源和高靈敏度的探測器，因而對該波段的了解相對匱乏，這使得太赫茲波段成為電磁波譜中不為人熟悉的“空白”。最后也是最重要的原因是太赫茲的功能性，如透視性、安全性、光譜分辨本領等，這些特性能給通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像、無損檢測、安全檢查等領域帶來巨大的影響，使太赫茲受到學術(shù)界和各國政府高度重視。本世紀初學術(shù)界掀起了太赫茲的研究熱潮，2004年，美國政府將太赫茲科技評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，日本于2005年更是將太赫茲技術(shù)列為未來十年“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標之首”，很多國家和地區(qū)的政府、企業(yè)、大學和研究機構(gòu)紛紛投入到太赫茲的研發(fā)熱潮之中，我國則是在2005年通過“香山科技會議”專門制定了我國太赫茲技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃?！疤掌潯痹臼且粋€頻率的單位，隨著太赫茲科學和太赫茲技術(shù)的發(fā)展，“太赫茲”已成為太赫茲輻射以及與太赫茲輻射有關的代名詞。

19世紀末，科學家們在紅外天文學中曾經(jīng)涉及到太赫茲波，但由于缺乏相關的太赫茲輻射源，已有探測器在該波段的響應靈敏度又都很低，長期以來太赫茲波并未受到廣泛的重視。在電子學和光子學技術(shù)高度發(fā)達的情況下，太赫茲技術(shù)的發(fā)展一直滯后。近十幾年來，隨著科學技術(shù)手段的提高，人們在這一領域的研究才有了較大發(fā)展。由于在電磁波譜中鄰近微波與紅外線，太赫茲波的產(chǎn)生通過電子學和光學的手段都可以實現(xiàn)(效率都不高)，常用的電子學方法有回旋振蕩管、返波管、自由電子激光器等，常用的光子學方法有遠紅外激光器、光差頻、光整流、光學參量振蕩器、量子級聯(lián)激光器等。通常電子學遇到的問題是難以把頻率做高，往往在1thz以下，而光學的方法難以將頻率做低，往往都在1thz以上。除了傳統(tǒng)電子學、光子學方法外，隨著近二十年來飛秒激光器技術(shù)的迅速發(fā)展，基于超快光電子學的太赫茲波產(chǎn)生和探測方法也越來越受到重視。其中一個最重要的原因是基于采樣技術(shù)誕生了太赫茲時域光譜技術(shù)，與傳統(tǒng)的傅里葉紅外變換譜儀相比，它不但能提供光譜的幅度信息，還能提供相應的相位信息，這為太赫茲波的特定應用特別是太赫茲光譜分析提供了一個更加有效地工具。典型的太赫茲時域光譜系統(tǒng)采用飛秒激光器，飛秒激光被分成泵浦光和探測光兩束，泵浦光作用于znte晶體通過光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲波，由于1thz的太赫茲波對應的波長是0.3mm，遠小于實驗室光學器件的尺寸，可將其當作光波一樣控制其傳播，因而可利用金屬面的拋物面鏡將器聚焦，焦點處可放置待分析樣品，經(jīng)過樣品的太赫茲輻射被拋物面鏡再次聚焦，焦點處放置太赫茲探測器件。時域光譜系統(tǒng)中太赫茲的探測需要飛秒探測光作為探針，由于飛秒脈沖在時間上遠小于太赫茲脈沖的周期，探測過程可實現(xiàn)對太赫茲瞬時電場的采樣。延遲裝置通過改變探測光與泵浦光之間的光程差，使探測光在不同的時刻對太赫茲脈沖的電場強度進行采樣測量，最后獲得太赫茲脈沖電場強度的時域波形，通過對時域波形作傅里葉變換，可得到太赫茲輻射的頻譜信息。

電光采樣方法是太赫茲時域光譜技術(shù)中常用的方法之一，電光采樣是依靠電光晶體的pockels效應來實現(xiàn)對太赫茲波的探測。當太赫茲脈入射到晶體中，電場能改變晶體的光軸方向，影響晶體對飛秒激光的雙折射，從而改變飛秒激光的偏振特性，通過對透射激光偏振的分析，就可以得到與太赫茲電場相關的信息，由于電光效應對電場響應速度非?？?，遠快于太赫茲的周期，因此只要通過采樣探測，就可掃描出太赫茲的時域波型。

平衡探測是太赫茲探測技術(shù)中常用的方法之一，利用該方法可以有效的降低激光光強抖動引起的探測噪聲，通常采用的平衡探測方案中，探測光選用線偏光，通常情況下偏振方向與znte光軸垂直或平行，太赫茲偏振方向則要求與znte光軸平行或垂直，四分之一波片與入射激光偏振方向夾角為45°，波片將激光變成理想的圓偏光，經(jīng)wollaston棱鏡分出x，y兩個分量，沒有太赫茲照射時，這兩個分量光強相等，利用平衡探測器可將光電信號完全抵消，輸出為零；當有太赫茲波照射znte晶體，在太赫茲電場的作用下pockels效應使得激光偏振角發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)四分之一波片后激光變成了橢圓偏振光，wollaston棱鏡輸出的兩個分量也就不再相等，通過平衡探測器可以將此信號測量出來。

與傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜相比，太赫茲時域光譜技術(shù)能夠測量太赫茲振幅和相位，提供更多的信息，如今這項技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于多個領域，如材料鑒別、超快動力學過程研究、生物科學領域等。但除了振幅和相位信息，對電磁波而言，偏振信息也是極為重要的，在太赫茲波段對于雙折射晶體以及手性的材料的檢測更是如此。傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜技術(shù)主要依靠線性偏振的探測方式，即只響應某一固定方向的太赫茲分量。實驗中對于偏振信息的獲取主要依靠對太赫茲輻射的兩個正交成分的分別測量，進而推導出太赫茲電場的極化角度。實驗中所采用的電子設備以及光路通常較為復雜，對太赫茲兩個分量的獨立測量容易因信號處理和光路調(diào)整而引入較大誤差，故亟需設計一種能夠滿足太赫茲偏振檢測需求的太赫茲脈沖時域波形探測方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種太赫茲脈沖時域波形探測方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的太赫茲脈沖時域分析難以滿足其偏振檢測需求的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種太赫茲脈沖時域波形探測方法，用于對太赫茲波進行檢測，本發(fā)明方法包括：

采用圓偏光作為探測光，通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光；

將信號光經(jīng)分束鏡分為兩路，兩路信號光經(jīng)光電探測并經(jīng)雙通道復用器后輸出給雙相鎖相放大器獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號以檢測太赫茲時域電場的幅度和極化角度，其中，泵浦光的調(diào)制頻率設為f，雙通道復用器的切換頻率為2f，雙通道復用器輸出信號給雙相鎖相放大器進行太赫茲時域電場檢測，雙相鎖相放大器的參考頻率為f。

進一步地，經(jīng)分束鏡分為兩路的光線分別經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后由wollaston棱鏡分為兩束檢測光；每束檢測光經(jīng)第二λ/2波片和偏振片控制光強，以實現(xiàn)平衡探測。

進一步地，耦合的兩路太赫茲分量信號為經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后的兩垂直方向上的太赫茲分量。

進一步地，探測光、泵浦光由飛秒激光器輸出光脈沖后經(jīng)分束鏡生成，探測光對應的探測光路上設置光學延遲線，泵浦光對應有泵浦光路，探測光路和泵浦光路在電光晶體處重合。

進一步地，探測光為圓偏光，且探測光在電光晶體處被太赫茲調(diào)制后轉(zhuǎn)換為包含太赫茲電場強度信息及太赫茲偏振角度信息的橢圓偏振光。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種太赫茲脈沖時域波形探測系統(tǒng)，用于對太赫茲波進行檢測，本發(fā)明探測系統(tǒng)包括：太赫茲脈沖生成單元及偏振檢測單元，其中，太赫茲脈沖生成單元用于通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光；偏振檢測單元包括：

分束鏡，用于將信號光分為兩路，

光電探測器，用于接收每路信號光經(jīng)光電探測后分別輸出電信號；

雙通道復用器，包括兩個輸入端及一個輸出端，用于接收來自光電探測器的兩路電信號且經(jīng)輸出端切換輸出；

雙相鎖相放大器，用于接收雙通道復用器輸出的信號，獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號，并進行偏振檢測；

其中，泵浦光的調(diào)制頻率為f，雙通道復用器的切換頻率為2f，雙相鎖相放大器的參考頻率為f。

進一步地，經(jīng)分束鏡出射的兩路光線分別經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后由wollaston棱鏡分為兩束檢測光；每束檢測光經(jīng)第二λ/2波片和偏振片控制光強，以實現(xiàn)平衡探測。

進一步地，耦合的兩路太赫茲分離信號為經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后的兩垂直方向上的太赫茲分量。

進一步地，探測光、泵浦光由飛秒激光器輸出光脈沖后經(jīng)分束鏡生成，探測光對應的探測光路上設置光學延遲線，泵浦光對應有的泵浦光路，探測光路和泵浦光路在電光晶體處重合。

進一步地，探測光為圓偏光，且探測光在電光晶體處被太赫茲調(diào)制后轉(zhuǎn)換為包含太赫茲電場強度信息及太赫茲偏振角度信息的橢圓偏振光。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光，實現(xiàn)對太赫茲電場的采樣，調(diào)制后的信號光經(jīng)分束鏡分為兩路并經(jīng)光電檢測后輸出給雙相鎖相放大器，經(jīng)雙相鎖相放大器獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號，從而實現(xiàn)采樣過程中每一時刻太赫茲電場的極化方向檢測，構(gòu)建出太赫茲時域極化波形，獲得太赫茲幅度、相位及偏振信息，其通過單個鎖相放大器即可實現(xiàn)偏振檢測，避免了傳統(tǒng)針對太赫茲兩個正交分量分別掃描轉(zhuǎn)換處理的麻煩，且能夠消除光路調(diào)整的重復性偏差，可有效抑制激光能量抖動帶來的誤差，獲得高的角分辨探測精度。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例太赫茲脈沖時域波形探測方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例太赫茲脈沖時域波形探測系統(tǒng)的原理方框示意圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例太赫茲脈沖時域波形探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中輸入至雙相鎖相放大器的電信號的時序示意圖。

附圖標記說明：

1、太赫茲脈沖生成單元；

2、偏振檢測單元；

11、泵浦光路；

12、探測光路；

13、電光晶體；

14、光學延遲線；

21、分束鏡；

22、光電探測器；

23、雙通道復用器；

24、雙相鎖相放大器；

25、第一λ/2波片；

26、wollaston棱鏡；

27、第二λ/2波片；

28、偏振片。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種太赫茲脈沖時域波形探測方法，用于對太赫茲波進行檢測，參照圖1，本實施例方法包括：

步驟s100，通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光，實現(xiàn)對太赫茲電場的采樣；本實施例探測光為圓偏光。

步驟s200，將信號光經(jīng)分束鏡分為兩路，每路光線經(jīng)光電探測并經(jīng)雙通道復用器輸出給雙相鎖相放大器獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號，其中，泵浦光的調(diào)制頻率為f，雙通道復用器的切換頻率為2f，雙通道復用器輸出信號給雙相鎖相放大器進行太赫茲時域電場檢測，雙相鎖相放大器的參考頻率為f。

本實施例通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光，實現(xiàn)對太赫茲電場的采樣，且本實施例探測光在電光晶體處受調(diào)制后經(jīng)分束鏡分為兩路并經(jīng)光電檢測并經(jīng)雙通道復用器輸出給雙相鎖相放大器，經(jīng)雙相鎖相放大器獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號，從而實現(xiàn)采樣過程中每一時刻太赫茲電場的極化方向檢測，構(gòu)建出太赫茲時域極化波形，獲得太赫茲幅度、相位及偏振信息，其通過單個鎖相放大器即可實現(xiàn)偏振檢測，避免了傳統(tǒng)針對太赫茲兩個正交分量分別掃描轉(zhuǎn)換處理的麻煩，且能夠消除光路調(diào)整的重復性偏差，可有效抑制激光能量抖動帶來的誤差，獲得高的角分辨探測精度。

為了更準確和更方便探測太赫茲偏振角度，本實施例中，泵浦光的調(diào)制頻率設為f，并將此調(diào)制信號作為雙相鎖相放大器的參考頻率，雙相鎖相放大器的前端采用切換頻率為2f的雙通道復用電路對兩路包含了太赫茲分量信息的光電信號進行切換，通過雙相鎖相放大器獲得太赫茲波時域電場的幅度和偏振方向，再通過改變探測光與太赫茲波的延時，構(gòu)建出太赫茲時域極化波形，獲得太赫茲波的全部信息。

優(yōu)選地，本實施例中，經(jīng)分束鏡分為兩路的光線分別經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后由wollaston棱鏡分為兩束檢測光；每束光經(jīng)第二λ/2波片和偏振片控制光強，以實現(xiàn)平衡探測。

本實施例中，耦合的兩路太赫茲分離信號為經(jīng)第一λ/2波片調(diào)節(jié)后的兩垂直方向上的太赫茲分量。

與傳統(tǒng)電光采樣采用線偏光作為探測光不同，本實施例采用圓偏光作為探測光，電光晶體可采用<110>或者<111>切向的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的電光晶體，例如znte、gap等。在電光晶體中探測光被太赫茲電場調(diào)制后偏振將發(fā)生變化，圓偏光將變?yōu)闄E圓偏振光，橢圓偏振光的橢偏軸則包含了太赫茲電場的方向，及太赫茲的極化信息。為了檢測太赫茲脈沖的偏振，調(diào)制后的偏振光經(jīng)分束鏡分為兩路x和y，每路均經(jīng)第一λ/2波片后由wollaston棱鏡分為兩束，每束光經(jīng)第二λ/2波片和偏振片控制光強，以實現(xiàn)平衡探測。對x和y這兩路所探測得到的信號而言，其響應的太赫茲分量方向可由分束鏡之后的第一λ/2波片進行調(diào)節(jié)，這里使得x和y響應的太赫茲分量相互正交，即x和y分別探測兩垂直方向上的太赫茲分量。

本實施例方法通過雙相鎖相放大器來實現(xiàn)對x和y兩路的同時探測。這里對于泵浦光的調(diào)制，優(yōu)選地，采用準方波的調(diào)制方法，調(diào)制頻率為f，對于x，y兩路信號，則通過雙通道復用器來實現(xiàn)切換，切換頻率為2f，信號最后送至雙相鎖相放大器進行檢測，雙相鎖相放大器參考頻率設為f。用t＝1/f表示泵浦光調(diào)制的周期，則在t時間內(nèi)，輸入雙相鎖相放大器的信號時序如圖4所示，經(jīng)歷t時間雙通道復用器切換2次，即得到x和y路信號均為2次。由于泵浦光受到頻率f的調(diào)制，得到的4個信號中只有兩個包含了太赫茲信息。這里對輸入雙相鎖相放大器的信號進行分解(如圖4)，由于雙相鎖相放大器參考頻率為f，則其檢測得到的信號為圖4中最下方的信號，根據(jù)雙相鎖相放大器原理，則雙相鎖相放大器雙通道可直接獲得x路和y路的太赫茲信號，即利用單個鎖相放大器實現(xiàn)了對太赫茲極化波形的測量。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種太赫茲脈沖時域波形探測系統(tǒng)，用于對太赫茲波進行檢測，參照圖2及圖3，本發(fā)明系統(tǒng)包括：太赫茲脈沖生成單元1及偏振檢測單元2，其中，太赫茲脈沖生成單元1用于通過改變探測光相對于泵浦光的延時生成與太赫茲時域電場對應的信號光；偏振檢測單元2包括：

分束鏡21，用于將偏振光分為兩路，

光電探測器22，用于接收每路光線經(jīng)光電探測后分別輸出電信號；

雙通道復用器23，包括兩個輸入端及一個輸出端，用于接收來自光電探測器22的兩路電信號且經(jīng)輸出端切換輸出；

雙相鎖相放大器24，用于接收雙通道復用器23輸出的信號，獲得耦合兩路方向正交的太赫茲分量信號的探測信號，并進行偏振檢測；

其中，泵浦光的調(diào)制頻率為f，雙通道復用器23的切換頻率為2f，雙相鎖相放大器24的參考頻率為f。

優(yōu)選地，本實施例中，經(jīng)分束鏡21出射的兩路光線分別經(jīng)第一λ/2波片25調(diào)節(jié)后由wollaston棱鏡26分為兩束檢測光；每束檢測光經(jīng)第二λ/2波片27和偏振片28控制光強，以實現(xiàn)平衡探測(實際應用中部分光學元件可省略)。

優(yōu)選地，參照上述方法實施例，耦合的兩路太赫茲分離信號為經(jīng)第一λ/2波片25調(diào)節(jié)后的兩垂直方向上的太赫茲分量(實際應用中，兩個第一λ/2波片可省略一個)。探測光為圓偏光，且探測光在電光晶體13處被太赫茲調(diào)制后轉(zhuǎn)換為包含太赫茲電場方向及太赫茲極化信息的橢圓偏振光。

本實施例中，探測光、泵浦光由飛秒激光器輸出光脈沖后經(jīng)分束鏡分為兩路生成，探測光對應的探測光路12上設置光學延遲線14，泵浦光對應有的泵浦光路11，探測光路12和泵浦光路11在電光晶體13處重合。在泵浦光路11中，設置有用于鎖相放大器的同步頻率信號的斬波器及與泵浦光作用通過光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲波的znte晶體。飛秒探測光作為探針，探測過程中實現(xiàn)對太赫茲瞬時電場的采樣，光學延時線14通過改變探測光與泵浦光的光程差，實現(xiàn)探測光對太赫茲脈沖的電場進行采樣測量，最后獲得太赫茲脈沖電場強度的時域波形。

在太赫茲傳統(tǒng)的測量方法中，由于待測信號與參考信號相位差恒定，鎖相放大器的相位測量功能通常沒有發(fā)揮。太赫茲時域波形的獲取通過改變太赫茲脈沖與飛秒激光延時對太赫茲電場進行采樣，如果在采樣的過程中能夠獲得每一時刻太赫茲電場的極化方向，則可重構(gòu)出太赫茲的時域極化波形，獲得太赫茲幅度、相位及偏振信息，本實施例基于電光采樣的基本物理原理，提出了一種具有偏振分辨的太赫茲測量方案，將太赫茲偏振信息調(diào)制在最終輸出信號的相位上，通過雙相鎖相放大器可單次掃描測量任意偏振的太赫茲脈沖時域波形。

本實施例通過單次掃描即可獲得太赫茲的極化信息，將二維的太赫茲時域光譜推廣三維的太赫茲時域極化光譜。同時，本實施例方案能夠消除光路調(diào)整的重復性偏差，抑制激光能量抖動帶來的誤差，獲得高的角分辨探測精度。實驗中應用于研究單光軸雙折射樣品時，無需知道材料的光軸方向。測量中通過對樣品的單次測量，即可準確的找到材料的光軸方向，獲得材料快軸和慢軸兩個方向的光譜性質(zhì)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。