一種全光纖太赫茲準時域?qū)崟r光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲光譜測試的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及太赫茲時域光譜領(lǐng)域和便攜、低成本、實時的全光纖太赫茲準時域?qū)崟r光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]波長在3mm到30um之間，頻譜范圍在100GHz到ΙΟΤΗζ，微波和紅外之間的電磁波波段稱為太赫茲波段。太赫茲光譜儀檢測的光譜信息能同時獲得物質(zhì)的光學幅值和相位信息，已廣泛應(yīng)用于安全檢查、無損檢測、生物醫(yī)學、化學分析、通信與國防等領(lǐng)域，尤其在爆炸物、違禁藥品、武器等識別、無損檢測，細胞分子等細分領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的太赫茲光譜儀以自由空間傳播時域和連續(xù)波外差探測構(gòu)成，其中應(yīng)用最為廣泛的是太赫茲時域光譜技術(shù)，該相干技術(shù)通過測量樣品的太赫茲脈沖時域波形，同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，快速傅里葉變換后可獲得樣品的光譜信息、吸收系數(shù)、折射率等參數(shù)。時域系統(tǒng)采用飛秒激光，由此產(chǎn)生寬帶太赫茲譜，優(yōu)點是只受系統(tǒng)帶寬限制，單次測量即含有完整的太赫茲頻率窗口信息。但這種傳統(tǒng)的自由空間傳播太赫茲時域系統(tǒng)通常在實驗室使用，體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，缺乏靈活移動性，激光源、鏡子和太赫茲發(fā)射接收器件等都需固定在工作臺上，且在自由空間傳播不能移動，易于受到環(huán)境擾動，限制了其實際應(yīng)用。尤其是關(guān)鍵設(shè)備，飛秒激光，價格非常昂貴，工業(yè)界難以推廣。于是另一種常見的與之補充的光譜儀為連續(xù)波外差太赫茲光譜系統(tǒng)，它更為實用，波長稍有不同的兩個單模連續(xù)波激光束入射到光電導(dǎo)天線中，產(chǎn)生連續(xù)波太赫茲輻射。但是這種系統(tǒng)只探測一個單一頻率成分，所獲得信息收到嚴重限制。而且為了確保準確的相位信息，一套負責精確的激光頻率穩(wěn)定系統(tǒng)必不可少，這加大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此開展抗擾動非自由空間傳播，能夠快速實時探測，集成時域和頻域系統(tǒng)優(yōu)點的全光纖便攜太赫茲光譜系統(tǒng)(THz-TDS)成了迫在眉睫的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于此，本發(fā)明提供一種全光纖太赫茲準時域?qū)崟r光譜儀，該光譜儀具時域與頻域光譜特點，寬譜及高信噪比，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的太赫茲光譜測試。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種全光纖太赫茲準時域?qū)崟r光譜儀，包括多模激光系統(tǒng)、多模激光光纖傳輸系統(tǒng)、太赫茲發(fā)射模塊與太赫茲接收模塊，所述多模激光系統(tǒng)輸出圍繞一中心頻率的多模激光，相鄰縱模頻率差為定值等間距；該多模激光經(jīng)多模激光光纖傳輸系統(tǒng)分成兩路光信號，其中一路光信號輸入到光電導(dǎo)發(fā)射天線中，另一路光信號輸入到光電導(dǎo)接收天線中。
[0005]進一步，所述多模激光光纖傳輸系統(tǒng)包括分束器、第一光纖延展器和第二光纖延展器，所述分束器將多模激光分成兩路光信號，其中一路光信號經(jīng)第一光纖延展器輸入到太赫茲發(fā)射模塊中，另一路光信號經(jīng)第二光纖延展器輸入到太赫茲接收模塊中。
[0006]進一步，施加于第一光纖延展器兩端的電壓與施加于第二光纖延展器兩端的電壓相反。
[0007]進一步，所述第一光纖延展器或/和第二光纖延展器包括壓電陶瓷線圈，所述壓電陶瓷線圈上纏繞光纖，壓電陶瓷線圈上施加電壓。
[0008]進一步，所述第一光纖延展器與太赫茲發(fā)射模塊間采用多模透鏡光纖連接。
[0009]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果:
[0010]本發(fā)明所述的全光纖準太赫茲時域?qū)崟r光譜系統(tǒng)，替代飛秒激光，采用低成本的商用多模激光器件，更適于太赫茲在工業(yè)和反恐等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。此系統(tǒng)基于可移動、緊湊和價格低廉的商用多模激光器件；使用等頻距的多?？v模激光驅(qū)動傳統(tǒng)的光電導(dǎo)混頻系統(tǒng)，獲得的信號類似于傳統(tǒng)的時域信號，這種準時域系統(tǒng)集成了飛秒激光的寬頻特性，又極大降低了系統(tǒng)價格和體積。此系統(tǒng)由商業(yè)價格低廉的多模激光系統(tǒng)激勵，全光纖傳播，快速時間延遲調(diào)制，具有可移動、低成本、便攜式、不損傷眼睛，實時等特點，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，研究將對未來太赫茲技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)生重要意義。
【附圖說明】
[0011]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0012]圖1為本發(fā)明全光纖準時域?qū)崟r太赫茲光譜儀系統(tǒng)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明光譜儀采用的多模激光器的具體實施例傅里葉頻譜圖；
[0014]圖3為本發(fā)明光譜儀中光電導(dǎo)天線具體實施器件例圖。
【具體實施方式】
[0015]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0016]全光纖太赫茲準時域?qū)崟r監(jiān)測光譜儀是一種集成太赫茲時域光譜和頻域差頻探測技術(shù)的相干探測設(shè)備，通過測量樣品的太赫茲脈沖準時域波形，可同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，且經(jīng)快速傅里葉變換后，更可獲得樣品的光譜信息、吸收系數(shù)、折射率等參數(shù)。將空間光轉(zhuǎn)入光纖內(nèi)傳輸，省去了很多用于調(diào)節(jié)光路的光學元件，還可減弱外界環(huán)境的干擾和保護眼睛；而且由于光纖的可彎曲性，可很好的縮減系統(tǒng)的空間體積，增強靈活性，克服很多應(yīng)用中遇到的實際問題，方便工業(yè)和反恐的現(xiàn)場使用。全光纖太赫茲準時域?qū)崟r光譜儀采用商用多模激光器作為光學激勵源，代替昂貴的飛秒激光，各個模式間等頻率差排列，導(dǎo)致的信號類似于時域光譜的信號。且由于各模式所產(chǎn)生的信號建設(shè)性干涉，能夠獲得更高的光譜分辨率。在爆炸物、違禁藥品、武器等的站開式識別、工業(yè)探傷無損檢測，及細胞分子構(gòu)象等領(lǐng)域的太赫茲檢測分析應(yīng)用廣泛。引入光纖延展器實現(xiàn)高速時間延遲調(diào)制，替代傳統(tǒng)自由空間時域光譜的機械線性平移延遲臺，進行等效時間采樣，更適于全光纖集成。同時對太赫茲光電導(dǎo)發(fā)射和接收模塊實行與高阻硅透鏡和電極一體封裝，適于進行全光纖耦合集成。
[0017]鑒于自由空間傳播的太赫茲時域系統(tǒng)價格昂貴，不能移動、慢速和頻域連續(xù)波系統(tǒng)的帶寬限制等問題，本發(fā)明的全光纖太赫茲準時域?qū)崟r系統(tǒng)能夠部分解決上訴問題。依據(jù)本發(fā)明，提供一種全光纖準時域?qū)崟r太赫茲光譜儀，包括多模激光系統(tǒng)、多模激光光纖傳輸系統(tǒng)、太赫茲發(fā)射模塊與太赫茲接收模塊，所述多模激光系統(tǒng)輸出圍繞一中心頻率的多模激光，相鄰縱模頻率差為定值等間距；該多模激光經(jīng)多模激光光纖傳輸系統(tǒng)分成兩路光信號，其中一路光信號輸入到太赫茲發(fā)射模塊中，另一路光信號輸入到太赫茲接收模塊中。
[0018]首先激光經(jīng)多模激光器輸出，本發(fā)明并未采用傳統(tǒng)的飛秒激光或雙連續(xù)激光差頻的形式，而是直接輸出圍繞一中心頻率的多模激光，縱模相鄰頻率差為定值等間距，探測到的信號是類似時域信號的脈沖信號。這些周期性脈沖信號的重復(fù)頻率由激光模式間的頻率差決定。這種周期性信號的優(yōu)點是，等頻差間隔的激光多模將導(dǎo)致信號中的相關(guān)頻率成分建設(shè)性疊加，從而提升信噪比。多模激光在由激光器輻射出后，為提升激光功率，接著通過摻鉺光纖激光放大器耦合進多模光纖中。接著激光經(jīng)過多模激光光纖傳輸系統(tǒng)，成為兩束激光，一束為栗浦激光，一束為探測激光；通常分光強度為6:4或1:1。
[0019]采樣探測太赫茲準時域系統(tǒng)的波形，通過等效時間采樣技術(shù)實現(xiàn)，這需要精確控制時間延遲。同時為了實現(xiàn)快速時間延遲與全光纖集成和實時探測，本發(fā)明在分束器后設(shè)置光纖延展器，為更好的平衡掉溫差帶來的漂移影響和快速延遲調(diào)制，在栗浦和探測光路上分別加上一組電壓相反的光纖延展器(即第一光纖延展器和第二光纖延展器)，其時間延遲調(diào)制頻率快速至近千赫茲。所述分束器將多模激光分成兩路光信號，其中一路光信號經(jīng)第一光纖延展器輸入到光電導(dǎo)發(fā)射天線中，另一路光信號經(jīng)第二光纖延展器輸入到光電導(dǎo)接收天線中。
[0020]進一步，為了利于聚焦激光光斑，使其能高效耦合進光電導(dǎo)發(fā)射天線，激光在通過光纖延展模塊后，進入光電導(dǎo)發(fā)射天線之前的光纖為多模透鏡光纖。
[0021]在本發(fā)明中，太赫茲發(fā)射與接收模塊由兩個光電導(dǎo)天線模塊組成。本發(fā)明的太赫茲光電導(dǎo)天線模塊就采用通常適于連續(xù)波差頻探測的光電導(dǎo)天線太赫茲模塊。通常選用適合于中心頻率780nm或1550nm激光激勵的光電導(dǎo)天線模塊，分別對應(yīng)低溫生長的GaAs和InGaAs有源材料，并封裝模塊，使其適合全光纖系統(tǒng)。光電導(dǎo)天線的材料、層厚、離子注入、天線的幾何尺寸等都將對輻射的太赫茲光譜強度和帶寬產(chǎn)生重要影響。其次是光電導(dǎo)天線芯片、高阻硅超半球透鏡、與固定盤的封裝集成。封裝后的模塊是一邊是光纖輸入，另一邊是娃透鏡。模塊與偏置電壓源，電流放大器和鎖相放大器聯(lián)用。工作時，施加一個數(shù)千赫茲的交流調(diào)制電壓到光電導(dǎo)發(fā)射天線金屬電極上，多模激光照射有源材料產(chǎn)生的自由載流子隨之產(chǎn)生光電導(dǎo)電流。就光電導(dǎo)天線接收端探測而言，金屬引線將光電導(dǎo)天線測量到的電流信號輸入電流放大器中。由于采樣的探測器輸出信號非常弱，易淹沒在噪聲信號中，需要鎖相放大技術(shù)實現(xiàn)信號提取，同步于發(fā)射端的電壓調(diào)制頻率。
[0022]當一個樣品放在太赫茲光路中時，相對于參考波形，可觀測到由于吸收和反射損耗帶來的時間延遲和脈沖幅度的減弱。若樣品為平行板結(jié)構(gòu)，更可觀察到法布里波羅回聲，即使厚度未知，利用多次反射的法布里波羅回聲性質(zhì)的參數(shù)提取，材料厚度和光學性質(zhì)能夠同時被測定。
[0023]光電導(dǎo)天線作為太赫茲的發(fā)射和接收端被面對面放置圖1所示，這充分考慮到硅透鏡的太赫茲