出射角度，便于最大限度最短光程接收太赫茲信號。一個激光束由多個模式頻率組成，入射進(jìn)光電導(dǎo)天線后，入射的光子將會激發(fā)半導(dǎo)體光生載流子，載流子在光電導(dǎo)天線的外加偏壓下向著電極方向加速，產(chǎn)生光電流。由于是多模激光，不同激光模式間的頻率混合，將導(dǎo)致光生電流也受到混頻模式積的調(diào)制。一個等頻率差間隔的激光模式導(dǎo)致一個類似時域譜的脈沖，重復(fù)頻率由各模式的間隔差決定。這類似于一個時域信號系統(tǒng)。
[0024]太赫茲發(fā)射模塊與太赫茲接收模塊主要部件為光電導(dǎo)天線基片、超半球硅透鏡、天線電極、天線固定盤、光纖、偏壓線。該模塊作為太赫茲波發(fā)射集成模塊時，上述天線電極連至外偏壓電源；當(dāng)作為太赫茲波接收集成模塊時，上述天線電極電連至電流放大器。具體而言，拉錐光纖將激光脈沖引導(dǎo)至天線電極gap，產(chǎn)生光生載流子，通過插指電極給光電導(dǎo)天線提供偏壓，載流子定向移動形成光電流并通過螺旋形天線向外輻射太赫茲波。進(jìn)一步通過改進(jìn)光電導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)的不同共振模式和激光更廣的譜發(fā)射，可以獲得更寬的太赫茲帶寬。天線背面的超半球硅透鏡能將輻射集中到近光軸方向并聚焦。其中光電導(dǎo)太赫茲發(fā)射天線由InAsAs/InP材料組成，適合于1.55微米多模激光激勵產(chǎn)生太赫茲福射。在1.55微米多模InGaAs/InGaAsP量子點激光器的激發(fā)下，等頻差的寬譜的太赫茲頻率脈沖梳，與激光器各縱模之間的差頻相符。這個方法可以獲得一個寬帶多峰相干太赫茲源。光電導(dǎo)天線的天線電極為插指金屬結(jié)構(gòu)，便于光生載流子在電壓下的收集，如圖3所示。具體結(jié)構(gòu)是:材料結(jié)構(gòu)為InP襯底，0.1微米InP緩沖層，1.9微米InGaAs和10nm的InP頂部覆蓋層。低溫生長的InGaAs材料，用質(zhì)子轟擊的離子注入模式來減少載流子壽命，使光電流迅速對太赫茲電場的變化做出響應(yīng)。這種材料能使太赫茲光生載流子的復(fù)合壽命時間很短，適于太赫茲連續(xù)波系統(tǒng)，也適于準(zhǔn)時域的多模激光太赫茲發(fā)射系統(tǒng)。為高效輻射太赫茲，天線為螺旋狀結(jié)構(gòu)，3_直徑的高阻超半球硅透鏡粘貼模塊上，對太赫茲波束進(jìn)行整形，將出射光束盡可能集中到近光軸方向，有效提高太赫茲輻射能量的收集效率。如圖1所示，其中光電導(dǎo)發(fā)射天線上施加電壓為千赫茲調(diào)制后的外偏壓，光電導(dǎo)接收天線上配置電流放大器和鎖相放大器，鎖相放大器設(shè)置合適積分時間后，同頻與外加調(diào)制偏壓，鎖相放大器將濾除高背景噪聲，提升信噪比。
[0025]通常自由空間的時域系統(tǒng)采用離軸拋物面鏡來準(zhǔn)直和聚焦太赫茲光束，本發(fā)明為適應(yīng)便攜化的需要，將不使用立軸拋物面鏡，太赫茲的傳輸都在光纖中進(jìn)行。與太赫茲時域系統(tǒng)類似，樣品被插入到太赫茲的光路中，產(chǎn)生一個脈沖延遲，吸收損耗并降低反射幅度。在已知樣品的厚度下，就可以推算出樣品的光學(xué)性質(zhì)參數(shù)。如果樣品是平板結(jié)構(gòu)，樣品中還會發(fā)生法布里波羅腔式的多模反射回聲現(xiàn)象。比較參考和樣品的光譜測試結(jié)果，即使在未知厚度的情況下，也能夠獲得樣品的相關(guān)光學(xué)參數(shù)。即通過計算信號波頻譜與參考波頻譜的比值，結(jié)合樣品厚度，可計算出樣品的復(fù)折射率和消光系數(shù)，進(jìn)一步利用吸收系數(shù)關(guān)系，可以獲得樣品的吸收譜，即太赫茲指紋譜。尤其當(dāng)平板樣品插入太赫茲光路中時，法布里波羅回聲脈沖也將被引發(fā)，這使得厚度和光學(xué)性質(zhì)能同時被測定。
[0026]在本發(fā)明中，可選的外部裝置為密封罩，密封光路圖中太赫茲波傳輸區(qū)域。使用有機(jī)玻璃密封罩對此區(qū)域進(jìn)行隔離，充入干燥空氣或者氮氣，控制罩內(nèi)的空氣濕度，有效減弱水汽對太赫茲輻射的吸收作用，提升信噪比，凈化光譜。
[0027]進(jìn)一步，光譜儀引入了樣品二維掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)二維成像功能，這利于廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的成像和機(jī)場等關(guān)鍵場所的安全檢查。成像方式為太赫茲輻射源與探測器固定不動，樣品固定于進(jìn)行二維電動平臺進(jìn)行移動掃描；實驗中樣品的二維移動通過駿河精機(jī)的電控二維移動平臺實現(xiàn)。樣品通過固定架夾持在二維移動平臺上，Labview程序指令控制平移臺x_y方向二維掃描，同時LabView控制一維光學(xué)快速延遲線、鎖相放大器與外加偏壓間的通信和時間同步，實現(xiàn)每移動一個像元同時獲取一個完整的太赫茲時域信號，然后提取成像參數(shù)完成太赫茲二維圖像繪制。一個χ-y 二維矩陣，根據(jù)矩陣數(shù)值的大小轉(zhuǎn)化為灰度圖像，即太赫茲準(zhǔn)時域成像。進(jìn)一步對每個像元獲得的時域信號進(jìn)行傅里葉變換，可以得到樣品的太赫茲頻率譜，數(shù)學(xué)計算即可提取出樣品的光學(xué)特征參數(shù)，如折射率、吸收系數(shù)等。
[0028]本發(fā)明實施例中，為適應(yīng)工業(yè)使用的低成本和可移動性，多模激光將替代脈沖飛秒激光，中心波長選取為適于通信波段的1.55微米。具體為圖1中的激光源為InGaAs/InGaAsP多模量子點激光，中心波長為1550nm，各模式間等頻差為50G，根據(jù)不同的量子點激光器參數(shù)設(shè)計，中心波長和模式間頻距可以相應(yīng)變化。在實施例中，為提高輸出功率，使用了摻鉺光纖放大器圖1所示，得到激光總的輸出功率是35mw。
[0029]單個頻率激光t旲式輸出最尚是8mw左右。同時臨近或次臨近等多t旲激光線之間，可獲得功率不同的頻差為50，100, 150，200，250G等激光差頻等。等頻差間距的多模激光，探測到的信號是脈沖形狀，類似太赫茲的時域信號。這些周期性的脈沖信號的重復(fù)率由激光模式間的頻率差決定。信號的周期性不僅有利于數(shù)據(jù)處理，而且最重要的是由于建設(shè)性的頻率成分相干疊加，等頻差間隔的多模激光的使用將提升信噪比。
[0030]從圖2的量子點激光器的傅里葉光譜分析儀所示，其多個模式間等間距頻差，各模式間強(qiáng)度有不同。多模激光替代了傳統(tǒng)自由空間時域光譜的飛秒激光和雙連續(xù)波差頻激光的系統(tǒng)構(gòu)建模式，價格更加低廉，體積更小，易于集成、同時1550nm的激光更適于通信波段，方便與其他通信商用器件集成。
[0031]本發(fā)明實現(xiàn)了一種寬譜、實時、價格經(jīng)濟(jì)的太赫茲譜測試系統(tǒng)。這種準(zhǔn)時域譜技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)類似時域光譜的基本信息檢測，因使用了商用緊湊多模激光替代飛秒激光而使得成本大幅降低。若樣品為平板結(jié)構(gòu)，由于法布里波羅回聲，樣品的厚度和寬帶材料參數(shù)能夠同時被確定。概括之，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)，獲得類似于傳統(tǒng)時域譜的信號。這種準(zhǔn)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。具有可移動、低成本、便攜式、不損傷眼睛，實時等特點，兼具頻域和時域光譜特點，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，研究將對未來太赫茲光譜儀及成像應(yīng)用及產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)生重要意義。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于: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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于:還包括摻鉺光纖放大器，所述摻鉺光纖放大器連接于多模激光系統(tǒng)和多模激光光纖傳輸系統(tǒng)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于: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。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于: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。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于: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。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全光纖太赫茲準(zhǔn)時域?qū)崟r光譜儀，其特征在于: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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全光纖太赫茲準(zhǔn)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。本發(fā)明成本低廉，全光纖集成、便攜、實時快速，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用。準(zhǔn)時域系統(tǒng)優(yōu)點是替代昂貴的飛秒激光和不能移動的自由空間太赫茲光譜系統(tǒng)，使用低成本的多模激光，并實現(xiàn)了全光纖的集成，高信噪比且便攜，可用于部分替代太赫茲時域光譜和頻域連續(xù)波光譜儀的典型領(lǐng)域。
【IPC分類】G01N21/3586
【公開號】CN105334182
【申請?zhí)枴緾N201510918806
【發(fā)明人】侯穎, 楊忠波, 王化斌, 魏東山, 崔洪亮, 杜春雷
【申請人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年12月10日