本發(fā)明涉及超快光電子學(xué)和太赫茲光子學(xué)領(lǐng)域，具體的講是一種利用電光調(diào)制連續(xù)激光實(shí)現(xiàn)飛秒激光光源重復(fù)頻率精密調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域電場(chǎng)快速掃描的方法，是一種實(shí)時(shí)、主動(dòng)式太赫茲光譜成像方法。

背景技術(shù)：

太赫茲由于具有相對(duì)較弱的光子能量被稱為“無損傷探測(cè)”的光學(xué)波段。太赫茲光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像、物質(zhì)成份檢測(cè)和鑒定方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。但目前制約太赫茲系統(tǒng)真正邁向小型化、走向?qū)嵱没囊粋€(gè)重要因素是太赫茲時(shí)域掃描方式。

目前常用的太赫茲時(shí)域掃描方法主要是：基于機(jī)械平移臺(tái)的采樣探測(cè)；異步光學(xué)采樣探測(cè)方法；基于光纖延遲線的采樣探測(cè)。這幾種方法各有其弊端。

基于機(jī)械平移臺(tái)的采樣探測(cè)具有時(shí)間精度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于其機(jī)械慣性，其掃描速度受到限制。因此，較難實(shí)現(xiàn)太赫茲快速掃描。

異步光學(xué)采樣探測(cè)不需要機(jī)械式延遲導(dǎo)軌，不用確定零時(shí)間點(diǎn)，并且，這種方法的測(cè)量精度和分辨率大幅度提高。但是，此方法需要兩臺(tái)重復(fù)頻率精確鎖定并具有一定差值的飛秒激光光源，此光源對(duì)工作環(huán)境要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，并且成本高，不利于走向?qū)嵱没?/p>

基于光纖延遲線的采樣探測(cè)，其掃描頻率在千赫茲量級(jí)，掃描窗口可以達(dá)到上百皮秒。但是由于光纖的存在，入射光的強(qiáng)度受到限制，并且在光纖傳輸中會(huì)發(fā)生展寬、色散以及損耗等現(xiàn)象，光纖的長(zhǎng)度抖動(dòng)也會(huì)帶來采樣時(shí)間的抖動(dòng),給電場(chǎng)的掃描帶來不利因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前太赫茲時(shí)域掃描存在的不足，提出一種基于精密電光調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域電場(chǎng)快速掃描的方法，在此基礎(chǔ)上完成太赫茲光譜成像過程。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種太赫茲光譜成像系統(tǒng)，其包括：

飛秒脈沖產(chǎn)生裝置，用于輸出重復(fù)頻率鎖定且可主動(dòng)調(diào)節(jié)的飛秒脈沖；

分束器，用于將所述飛秒脈沖進(jìn)行分束；

太赫茲產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生太赫茲脈沖；

太赫茲收集裝置，用于收集太赫茲脈沖；

太赫茲探測(cè)裝置，用于對(duì)所述太赫茲脈沖的時(shí)域電場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。

作為優(yōu)選方案，所述飛秒脈產(chǎn)生裝置包括：

電脈沖產(chǎn)生模塊，用于將信號(hào)源輸出的頻率為f的電信號(hào)作用到階躍恢復(fù)二極管，在負(fù)載上輸出重復(fù)頻率為f、脈沖寬度為階躍二極管階躍時(shí)間t的電脈沖信號(hào)；

連續(xù)激光光源；

強(qiáng)度調(diào)制模塊，用于將所述連續(xù)激光光源輸出的單縱模連續(xù)激光調(diào)制成輸出重復(fù)頻率與所述電脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率相同，脈沖寬度與所述電脈沖信號(hào)的寬度相似的激光脈沖信號(hào)；

多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊，用于將所述激光脈沖信號(hào)的激光功率進(jìn)行放大；

非線性放大模塊，用于將在多級(jí)級(jí)聯(lián)放大后的激光脈沖信號(hào)的光譜寬度和能量進(jìn)行放大；

脈寬壓縮模塊，用于將在非線性放大后的激光脈沖信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行壓縮至飛秒級(jí)。

作為優(yōu)選方案，所述階躍時(shí)間t為皮秒級(jí)。

作為優(yōu)選方案，所述連續(xù)激光光源為單縱模cw激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或固體激光器。

作為優(yōu)選方案，所述強(qiáng)度調(diào)制模塊為電光調(diào)制器、mzi調(diào)制器或半導(dǎo)體調(diào)制器。

作為優(yōu)選方案，所述多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊為光纖放大器、固體放大器、薄片激光器、陶瓷放大器中的一種。

所述多級(jí)級(jí)聯(lián)放大和非線性放大的方法均為分離脈沖放大，啁啾脈沖放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補(bǔ)償?shù)姆蔷€性放大，以及這些方法的組合等。

一種基于前所述的太赫茲光譜成像系統(tǒng)的快速掃描方法，其包括如下步驟：

將飛秒脈沖產(chǎn)生裝置輸出的飛秒脈沖激光利用分束器分束成兩束激光，記為第一激光束和第二激光束；

將所述第一激光束照射在光電導(dǎo)天線或電光晶體上，產(chǎn)生太赫茲脈沖；

利用太赫茲收集裝置將所述太赫茲脈沖進(jìn)行收集，并輸入至太赫茲探測(cè)裝置中；

將所述第二激光束作為參考光，耦合到光纖中以達(dá)到空間距離的偏移，使得光束中的參考光與太赫茲脈沖偏離a個(gè)脈沖信號(hào)；

改變電脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊中信號(hào)源的輸出頻率，對(duì)飛秒脈沖激光的重復(fù)頻率進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，改變參考光與太赫茲脈沖的時(shí)間延時(shí)，完成對(duì)太赫茲脈沖的取樣過程，實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖時(shí)域掃描。

作為優(yōu)選方案，所述飛秒脈沖激光的生成方法為：

利用信號(hào)源輸出以頻率f周期性變化的電信號(hào)，將所述電信號(hào)作用到階躍恢復(fù)二極管，隨著輸入信號(hào)的周期性變化，在負(fù)載上輸出重復(fù)頻率為f，脈沖寬度為階躍恢復(fù)二極管階躍時(shí)間t的電脈沖信號(hào)；

將連續(xù)激光光源輸出的單縱模連續(xù)激光輸入強(qiáng)度調(diào)制模塊，利用所述電脈沖信號(hào)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)制，輸出重復(fù)頻率與電脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率相同，脈沖寬度與電脈沖信號(hào)寬度相似的激光脈沖信號(hào)；

將所述激光脈沖信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)、脈沖寬度調(diào)節(jié)和能量調(diào)節(jié)后，得到飛秒脈沖激光。

作為優(yōu)選方案，所述激光脈沖信號(hào)的功率調(diào)節(jié)是通過多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊實(shí)現(xiàn)的。

作為優(yōu)選方案，所述激光脈沖信號(hào)的脈沖寬度和能量的調(diào)節(jié)是通過非線性放大模塊和脈寬壓縮模塊實(shí)現(xiàn)的。

以上對(duì)激光脈沖進(jìn)行展寬與放大的過程可以采用多種方式，亦可改變順序，如放大同時(shí)展寬，預(yù)先放大后展寬再放大等。

放大器的種類可以為光纖(保偏，faradaymirror+單模),固體,thindisk,ceramic，cpa，分離脈沖放大，啁啾脈沖放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補(bǔ)償?shù)姆蔷€性放大，以及這些方法的組合等。通過調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電信號(hào)的重復(fù)頻率f，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該飛秒激光重復(fù)頻率的主動(dòng)調(diào)節(jié)，該輸出電信號(hào)重復(fù)頻率的變化可以為連續(xù)變化、快速變化、慢速變化、階躍式變化、多脈沖遞增式變化等變化模式，亦可為多種變化模式的組合形式。

太赫茲產(chǎn)生裝置是指利用飛秒激光泵浦源泵浦光電導(dǎo)天線或電光晶體，產(chǎn)生太赫茲脈沖的裝置。將重頻鎖定且可主動(dòng)調(diào)節(jié)的飛秒激光脈沖輸入分束器，將激光脈沖分為兩束，其中一束照射在光電導(dǎo)天線或電光晶體上，產(chǎn)生太赫茲輻射，通過太赫茲收集模塊將產(chǎn)生的太赫茲脈沖收集并輸入探測(cè)器件。

太赫茲探測(cè)裝置指將分出來的另一束激光作為參考光來探測(cè)產(chǎn)生的太赫茲脈沖，并通過重復(fù)頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖的取樣裝置。通過空間距離的偏移使得光束中的參考光與太赫茲脈沖偏離a個(gè)脈沖，改變電脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊中信號(hào)源的輸出頻率，對(duì)飛秒激光光源重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變參考光與太赫茲脈沖的時(shí)間延時(shí)，完成對(duì)太赫茲脈沖的取樣過程，實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖時(shí)域掃描。由于電信號(hào)重復(fù)頻率的變化是多種形式的，因此，該掃描取樣過程可以為連續(xù)掃描，快速掃描，慢速掃描，隨機(jī)掃描，編程掃描，多個(gè)脈沖遞增式掃描，階躍式掃描，亦可是多個(gè)掃描模式的組合。

參考光對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行取樣探測(cè)的技術(shù)原理為：飛秒脈沖產(chǎn)生裝置輸出激光脈沖的重復(fù)頻率為f1，通過精密電光調(diào)制作用使其重復(fù)頻率變化為△f。由于參考光與太赫茲脈沖經(jīng)過不同的空間光程后相互作用，當(dāng)太赫茲波的第j個(gè)脈沖作用到探測(cè)器件上時(shí)，參考光的第j-a個(gè)脈沖同時(shí)作用到探測(cè)器件上。而由于激光重復(fù)頻率改變△f而引起的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延時(shí)△τ表示為；

此時(shí)需要的空間光程長(zhǎng)度l1表示為：

當(dāng)參考光與太赫茲脈沖的空間光程差l1確定，由于△f《f，兩脈沖之間時(shí)間延時(shí)可以表示為：

其中，c0表示光的傳播速度，n表示介質(zhì)折射率。在掃描過程中，由于激光器的重復(fù)頻率可通過信號(hào)源連續(xù)調(diào)節(jié)，通過△f的連續(xù)變化，可以改變所掃描兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)參考光對(duì)太赫茲脈沖的取樣。

以飛秒脈沖重復(fù)頻率f1＝100mhz，參考光與太赫茲脈沖空間距離相差l1＝30m，c0＝3×10⁸m/s，n＝1為例，參考光與太赫茲脈沖作用到探測(cè)裝置的時(shí)間延時(shí)為△τ＝10^-15△f(s)。當(dāng)激光器重復(fù)頻率改變100hz，即△f＝100時(shí)，作用到探測(cè)裝置的參考光與太赫茲脈沖時(shí)間間隔為100fs。因此，參考光對(duì)太赫茲脈沖的取樣精度由激光器重復(fù)頻率改變量決定，取樣時(shí)間間隔與激光器重復(fù)頻率改變量呈線性關(guān)系。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、掃描范圍廣：由于飛秒激光光源的重復(fù)頻率由信號(hào)源的輸出頻率決定，因此重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍從mhz到mhz量級(jí)；

2、掃描準(zhǔn)確度高：用精密電信號(hào)調(diào)制代替機(jī)械延遲線，大大減小了掃描過程中引入的誤差，提高了掃描準(zhǔn)確度；

3、取樣精度高：掃描過程中的取樣精度由重復(fù)頻率改變量決定，電光調(diào)制過程的精度變化可以在mhz量級(jí)，因此，相比傳統(tǒng)方法，太赫茲掃描過程中的取樣精度大大提高；

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性高：與異步采樣相比，精密電光調(diào)制的使用使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，受外界環(huán)境的影響降低，大大促進(jìn)了其向應(yīng)用方面的發(fā)展。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的快速掃描方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，飛秒脈沖產(chǎn)生裝置01輸出重復(fù)頻率可通過電光調(diào)制器鎖定并進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的飛秒激光脈沖。利用分束器02將激光脈沖分束，其中照射在光電導(dǎo)天線或電光晶體03，產(chǎn)生太赫茲輻射，通過太赫茲收集模塊04(一組拋物面鏡)將產(chǎn)生的太赫茲脈沖收集并輸入太赫茲探測(cè)裝置05；將另一束激光作為參考光耦合到長(zhǎng)度為幾十米的光纖以達(dá)到空間距離的偏移，使得光束中的參考脈沖與太赫茲脈沖偏離a個(gè)脈沖信號(hào)。改變電脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊中信號(hào)源的輸出頻率，對(duì)飛秒激光光源重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過探測(cè)參考脈沖與太赫茲脈沖的頻率掃描采集到太赫茲脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖時(shí)域掃描。

圖1中，飛秒脈沖產(chǎn)生裝置01輸出重復(fù)頻率為f，脈沖寬度在fs量級(jí)的飛秒激光脈沖。其中，101為電脈沖產(chǎn)生模塊，其中利用信號(hào)源輸出以頻率f周期性變化的電信號(hào)，將此電信號(hào)作用到階躍恢復(fù)二極管，隨著輸入信號(hào)的周期性變化，在負(fù)載上輸出時(shí)域間隔為t＝1/f，脈沖寬度為階躍恢復(fù)二極管階躍時(shí)間t(ps量級(jí))的電脈沖信號(hào)。102為連續(xù)激光光源，輸出連續(xù)激光到強(qiáng)度調(diào)制器103，強(qiáng)度調(diào)制器103由電脈沖產(chǎn)生裝置101輸出的ps量級(jí)電脈沖信號(hào)調(diào)制，從而得到脈沖寬度與電脈沖寬度相似、重復(fù)頻率與信號(hào)源輸出頻率一致的激光脈沖信號(hào)。連續(xù)激光光源104、107，波分復(fù)用器105、108，增益光纖106、109組成多級(jí)級(jí)聯(lián)放大模塊，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器103輸出的激光脈沖進(jìn)行放大。放大后的激光脈沖輸入光譜展寬模塊110，展寬光譜。然后輸入由連續(xù)激光光源111、波分復(fù)用器112、非線性增益光纖113組成的非線性放大模塊，對(duì)激光功率進(jìn)一步放大。最后將激光脈沖輸入脈寬壓縮模塊114，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈寬壓縮，得到脈沖寬度在fs量級(jí)的激光光源。該fs激光光源重復(fù)頻率精確鎖定為f。

圖1中，04為太赫茲收集模塊，由一對(duì)離軸拋物面鏡組成，完成對(duì)太赫茲波的收集作用。

圖1中，05為太赫茲探測(cè)裝置，由一定長(zhǎng)度光纖501和光電導(dǎo)天線502組成。一定長(zhǎng)度光纖501在光路中的作用使太赫茲脈沖與參考脈沖具有不同的光程差，以達(dá)到參考脈沖與太赫茲脈沖的偏離。

在上述基礎(chǔ)上，改變電脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊中信號(hào)源的輸出頻率，對(duì)飛秒激光光源重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過探測(cè)參考脈沖與太赫茲脈沖的頻率掃描采集到太赫茲脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)太赫茲脈沖時(shí)域掃描。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的范圍不僅限于上述實(shí)施例所描述的范圍。

例如，圖1中的實(shí)施例是太赫茲光譜儀，而該基于精密電光調(diào)制的太赫茲信號(hào)掃描取樣方法同樣可適用于使用此掃描方法的太赫茲成像儀、太赫茲光譜成像儀等各種太赫茲探測(cè)裝置。

圖2為該發(fā)明快速掃描方法流程圖，虛線代表電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)代表光信號(hào)，箭頭方向表示電信號(hào)、光信號(hào)傳播方向。該掃描方法實(shí)現(xiàn)流程如下：首先，確定強(qiáng)度調(diào)制器頻率為一特定頻率，此時(shí)，產(chǎn)生的飛秒激光重復(fù)頻率與該頻率一致；利用此飛秒激光分束，一束產(chǎn)生太赫茲脈沖，照射在太赫茲探測(cè)裝置；另一束經(jīng)過不同的空間路徑到達(dá)太赫茲探測(cè)裝置；太赫茲脈沖對(duì)探測(cè)脈沖產(chǎn)生一定影響，探測(cè)裝置輸出一電壓信號(hào)到取樣掃描裝置，此電壓信號(hào)由太赫茲脈沖與探測(cè)脈沖的延時(shí)差異決定；將此電壓信號(hào)取樣后反饋給強(qiáng)度調(diào)制器，改變強(qiáng)度調(diào)制器的頻率，從而改變飛秒激光重復(fù)頻率，此時(shí)到達(dá)太赫茲探測(cè)裝置的太赫茲脈沖與激光脈沖延時(shí)差異發(fā)生變化，輸出表示太赫茲脈沖某一時(shí)域信息的電壓信號(hào)，并通過取樣完成電壓信號(hào)的記錄。重復(fù)以上過程，以達(dá)到對(duì)整個(gè)太赫茲時(shí)域信息的取樣掃描。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。