脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置及方法

2023-04-22 23:16:26

專利名稱：脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬於太赫茲技術領域，涉及一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置及方法。
背景技術：
太赫茲(THz，lTHz = IO12Hz)頻段是介於毫米波與紅外光之間頻譜範圍相當寬的一段電磁波區域，其頻率範圍為lOOGHz-lOTHz。隨著光子學和納米技術領域的不斷革新，THz波在信息通信技術、國家安全、生物醫學、無損檢測、食品和農產品的質量控制、全球性環境監測等方面取得了較快發展，並被認為在上述領域中具有重大的應用前景和應用價值。近年來，THz領域發展迅速，作為THz頻段重要輻射源的太赫茲量子級聯雷射器 (Terahertz Quantum Cascade Laser,THz QCL)得到了廣泛而深入的研究，並取得了重要的進展。THz QCL具有能量轉換效率高、響應速度快、體積小、易集成以及使用壽命長等特點。 到目前為止，脈衝工作模式下THz QCL的最高工作溫度為186K，在最優的工作條件下器件的最高輸出功率可達M8mW;通過器件有源區結構的改進，目前脈衝工作模式下THz QCL的
工作溫度已經達到1.9h(D/kB (其中ω為雷射器的激射頻率)，並有望進一步改進結構使器
件實現室溫激射；在激射頻率方面，目前THz QCL的最低工作頻率為1. 2ΤΗζ，在磁場輔助下可達0.68ΤΗΖ。隨著上述器件工作性能的快速發展，上述器件的應用也倍受關注。目前THz QCLs已經成功應用於外差接收的局域振蕩源、THz無線通信、THz實時成像等THz應用技術中。而脈衝工作模式下的THz QCL，由於其所需製冷量小，單個脈衝的峰值功率比連續工作模式器件的輸出功率值大很多，使其在THz探測與成像應用中更具優勢。輸出功率是器件應用的重要性能指標，器件輸出功率的大小直接決定了其應用領域和範圍。因此，如何精確地測量出器件的有效輸出功率是器件應用過程的關鍵環節。由於脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出雷射的重複頻率通常為2kHz (對應為0. 5ms)左右，而普通熱探測器(如Golay Cell)的時間常數通常為20ms左右，因此採用普通的熱探測器來測量脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出雷射的功率很難實現。目前，國際上對脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量主要採用液氦杜瓦冷卻的bolometer探測器，通過對單個THz脈衝照射在探測器敏感面上產生的熱響應波形進行積分，估算出單個THz脈衝的能量，進而得到單個THz脈衝的峰值功率。太赫茲量子阱探測器(terahertz quantum-well photodetector, THz QffP)是一種與THz QCL工作頻率範圍非常匹配的半導體探測器，器件對可探測範圍內的THz光的響應速率可達GHz量級(ns量級)，因此採用THz QWP測量脈衝激射型THz QCL的輸出功率時不需要上述積分過程，可直接根據THz QWP對脈衝THz光的響應信號幅度及其在THz QCL激射頻率處的響應率，得到THz QCL輸出的脈衝 THz光的峰值功率。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量方法，該測量方法可以非常直觀地得到雷射器激射脈衝的峰值功率，避免了傳統測量方法中通過積分計算來估算激射脈衝峰值功率的步驟；此外，本發明還提供一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案。—種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，包括光源部分、光路部分和探測部分；所述光源部分包括第一冷頭、安裝於所述第一冷頭內的第一熱沉、安裝於第一熱沉上的太赫茲量子級聯雷射器、與所述太赫茲量子級聯雷射器連接的脈衝電源、安裝於第一冷頭上的第一聚乙烯窗片；其中，所述太赫茲量子級聯雷射器發射出的太赫茲光通過第一聚乙烯窗片射出；所述光路部分包括第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡；所述第一離軸拋物鏡收集經所述第一聚乙烯窗片射出的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡；所述第二離軸拋物鏡接收經所述第一離軸拋物鏡反射過來的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至所述探測部分；所述探測部分包括第二冷頭、安裝於第二冷頭上的第二聚乙烯窗片、安裝於第二冷頭內的第二熱沉、安裝於第二熱沉上的太赫茲量子阱探測器、與所述太赫茲量子阱探測器連接的信號處理電路以及與所述信號處理電路連接的示波器；其中，所述第二聚乙烯窗片使所述第二離軸拋物鏡反射過來的太赫茲光進入所述第二冷頭內，併到達所述太赫茲量子阱探測器的敏感面上；所述太赫茲量子阱探測器用以接收所述第二離軸拋物鏡反射過來的太赫茲光，並產生相應的電流信號；所述信號處理電路將所述電流信號提取為電壓信號， 並進行放大；所述示波器用以對所述信號處理電路放大後的電壓信號進行讀取和顯示，得到所述電壓信號的幅度。作為本發明的一種優選方案，所述太赫茲量子阱探測器為光電導型低維半導體探測器，其有源區為通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AWaAs層的方式形成。作為本發明的再一種優選方案，所述太赫茲量子阱探測器的有源區包括23個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Alacil5Giia 985As層各一層。作為本發明的再一種優選方案，所述太赫茲量子阱探測器的峰值探測頻率為
3.2THz，主要探測頻率範圍為3. 0-5. 3THz，其中主要探測頻率範圍是指其響應幅度>峰值響應幅度40%的頻率範圍。作為本發明的另一種優選方案，所述太赫茲量子級聯雷射器的激射頻率範圍為
4.02-4. 13THz。作為本發明的再一種優選方案，所述太赫茲量子級聯雷射器的有源區是通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AWaAs層的方式形成的。作為本發明的再一種優選方案，所述太赫茲量子級聯雷射器的有源區為四阱共振聲子結構，其包括178個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Ala UG^85As 層各四層。作為本發明的再一種優選方案，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均採用高強度聚乙烯材料。作為本發明的再一種優選方案，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均通過將灌制的高強度聚乙烯圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而成。作為本發明的再一種優選方案，所述第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡的反射面均為鍍金離軸拋物面。作為本發明的再一種優選方案，所述脈衝電源為可編程脈衝式電源，包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式，所述脈衝電源的可輸出電流範圍為0-5A，脈寬調節範圍為 50nS-5l·! s，輸出脈衝重複頻率範圍為Ι-lOkHz，脈衝的最大佔空比為1%。作為本發明的再一種優選方案，所述信號處理電路包括電壓放大器一個，供電電池一節，分壓電阻一個，電路連接線若干，其中，供電電池、分壓電阻與太赫茲量子阱探測器串聯為閉合迴路，並採用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。作為本發明的再一種優選方案，所述示波器為數字示波器，包括4個可測量通道； 所述示波器的測量帶寬為500MHz，採樣速率為4Gsa/s，存儲深度為8Mpts。一種基於上述功率測量裝置的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量方法，包括以下步驟步驟一，採用脈衝電源給太赫茲量子級聯雷射器施加一個周期性的脈衝驅動電壓，使其輻射出周期性的脈衝太赫茲光，所述周期性的脈衝太赫茲光經過第一聚乙烯窗片後到達第一離軸拋物鏡上；步驟二，所述第一離軸拋物鏡接收經所述第一聚乙烯窗片射出的周期性脈衝太赫茲光，並使該周期性脈衝太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡；所述第二離軸拋物鏡接收經所述第一離軸拋物鏡反射過來的周期性脈衝太赫茲光，並使該周期性脈衝太赫茲光反射至所述探測部分，經所述第二離軸拋物鏡反射過來的周期性脈衝太赫茲光透過所述探測部分的第二聚乙烯窗片後到達所述第二熱沉上的太赫茲量子阱探測器的敏感面上；步驟三，所述探測部分的太赫茲量子阱探測器對入射的周期性脈衝太赫茲光響應後產生相應的周期性脈衝電流信號，採用所述信號處理電路將所述電流信號提取為電壓信號，並將所述電壓信號放大後輸入所述示波器中，所述示波器對所述電壓信號進行讀取和顯示，得到所述電壓信號的幅度，該電壓信號幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測器對太赫茲光響應的強弱；步驟四，根據所述示波器中顯示的電壓信號幅度和太赫茲量子阱探測器在太赫茲量子級聯雷射器激射頻率處的響應率，計算得到到達太赫茲量子阱探測器敏感面的太赫茲光功率，再根據整個測量裝置的收集效率計算出太赫茲量子級聯雷射器從所述第一聚乙烯窗片處輻射出的太赫茲光功率，進而完成對脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量。本發明的有益效果在於(1)本發明採用了工作頻率範圍與太赫茲量子級聯雷射器激射頻率範圍相匹配的太赫茲量子阱探測器作為接收端，對脈衝太赫茲光的探測效果非常良好；(2)太赫茲量子阱探測器對太赫茲光具有快速的響應能力，可以很好地將脈衝太赫茲光信號轉換成對應的脈衝電信號，再通過信號處理電路和示波器可以很好地得到脈衝電信號的幅度，進而可以很直觀地得到雷射器激射脈衝的峰值功率，避免了傳統方法中採用的積分估算過程；(3)本發明所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置在太赫茲頻段有很好的反射(或透射)特性，可以使測量裝置達到儘可能大的太赫茲光收集效率。


圖1為本發明所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器功率測量裝置的結構示意圖；圖2為厚度分別為1. 8mm和5. Omm的聚乙烯窗片在2. 0-6. OTHz光頻段的透射譜
測量結果；圖3為大氣在3. 0-5. OTHz光頻段的透射譜測量與推算結果；圖4為太赫茲量子阱探測器的光響應譜與太赫茲量子級聯雷射器雷射發射譜的對比圖；圖5為採用示波器讀取的太赫茲量子級聯雷射器外加脈衝偏壓信號波形和太赫茲量子阱探測器對脈衝太赫茲光響應信號波形的對比圖，其中插圖為方框範圍內的局部放大圖。主要組件符號說明A、光源部分；C、探測部分；2、第一冷頭；4、第一聚乙烯窗片；6、第二離軸拋物鏡；8、第二聚乙烯窗片；10、信號處理電路；
B、光路部分；
I、脈衝電源 3、第一熱沉；
5、第一離軸拋物鏡； 7、第二冷頭； 9、第二熱沉
II、示波器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。本發明公開了一種測量脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出雷射功率的裝置及其功率測量方法，其包括光源部分(脈衝電源、第一冷頭、安裝於第一冷頭內的第一熱沉、安裝於第一熱沉上的太赫茲量子級聯雷射器、安裝於第一冷頭上的第一聚乙烯窗片)、 光路部分(兩個離軸拋物鏡和大氣)和探測部分(第二冷頭、安裝於第二冷頭上的第二聚乙烯窗片、安裝於第二冷頭內的第二熱沉、安裝於第二熱沉上的太赫茲量子阱探測器、信號處理電路和示波器)。本發明的優點在於採用了具有快速響應能力、工作頻率範圍與太赫茲量子級聯雷射器激射頻率範圍相匹配的太赫茲量子阱探測器作為接收端，可以很好地將脈衝太赫茲光信號轉換成對應的脈衝電信號，再通過信號處理電路和示波器很好地得到脈衝電信號的幅度，進而可以很直觀地得到太赫茲量子級聯雷射器激射脈衝的峰值功率，避免了傳統方法中採用的積分估算過程。實施例一本實施例提供一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，如圖1所
該裝置包括光源部分A、光路部分B和探測部分C。光源部分A
光源部分A包括脈衝電源1、第一冷頭2、安裝於所述第一冷頭2內的第一熱沉3、 安裝於第一熱沉3上的太赫茲量子級聯雷射器，以及第一聚乙烯窗片4 ；所述第一聚乙烯窗片4安裝於所述第一冷頭2上使所述太赫茲量子級聯雷射器發射出的太赫茲光通過第一聚乙烯窗片4射出。其中，所述脈衝電源1為可編程脈衝式電源，包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式， 所述脈衝電源1的可輸出電流範圍為0-5A，脈寬調節範圍為50ns-5 μ s，輸出脈衝重複頻率範圍為Ι-lOkHz，脈衝的最大佔空比為1 %。所述的第一熱沉3為銅質材料，在低溫技術領域常作為微型器件的導熱體。所述太赫茲量子級聯雷射器的有源區為「四阱共振聲子」結構， 通過分子束外延方法在半絕緣的GaAs襯底上交替生長GaAs層和Ala 15Ga0.85As層的方式形成，有源區總共有178個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Ala 15Ga0.85As 層各四層，器件尺寸為ImmX 40 μ m (長X寬)，可激射頻率範圍為4. 02-4. 13THz，本實施例中雷射器的激射頻率優選為4. 13THz，器件工作時的溫度為10K。提供低溫環境的第一冷頭 2為閉循環機械製冷系統的一部分，其最低溫度可以達到9K ；第一聚乙烯窗片4為高強度聚乙烯(HDPE)材料，窗片通過對灌制的HDPE圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而成，窗片直徑為60mm，厚度為5. Omm,其對4. 13THz電磁波的透過率為56 %，如圖2所示。光路部分B光路部分B包括第一離軸拋物鏡5和第二離軸拋物鏡6以及太赫茲光所經過的大氣；所述第一離軸拋物鏡5接收經所述第一聚乙烯窗片4射出的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡6 ；所述第二離軸拋物鏡6接收經所述第一離軸拋物鏡5反射過來的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至所述探測部分C。其中，第一離軸拋物鏡5和第二離軸拋物鏡6的焦距均為101. 6mm，反射面均為鍍金離軸拋物面，其對4. 13THz電磁波的反射率均為98% ；上述太赫茲光所經過的大氣距離為1000mm，根據相同相對溼度(RH47% )下對1480mm厚度大氣透過率⑴的測量結果，以及透過率與介質厚度(L)的關係(T - e-aL, α為吸收係數)，計算得到IOOOmm厚度的大氣對4. 13THz電磁波的透過率為63%，如圖3所示。探測部分C探測部分C包括第二冷頭7、安裝於第二冷頭7上的第二聚乙烯窗片8、安裝於第二冷頭7內的第二熱沉9、安裝於第二熱沉9上的太赫茲量子阱探測器、信號處理電路10和示波器11 ；經所述第二離軸拋物鏡6反射的太赫茲光透過所述第二聚乙烯窗片8後會聚於所述第二熱沉9上的太赫茲量子阱探測器的敏感面上，太赫茲量子阱探測器對太赫茲光進行快速響應後產生相應的電流信號，所述信號處理電路10將所述電流信號提取為電壓信號，並將所述電壓信號放大後輸入所述示波器11，所述示波器11對該電壓信號進行讀取和顯示後可得到該電壓信號的幅度，該電壓信號幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測器對太赫茲光響應的強弱。其中，所述的第二熱沉9為銅質材料，在低溫技術領域常作為微型器件的導熱體。 所述太赫茲量子阱探測器為光電導型低維半導體探測器，其有源區採用分子束外延方法在半絕緣的GaAs襯底上交替生長GaAs層和Alatll5Giia98SAs層而形成，有源區總共有23個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Alacil5Giia98SAs層各一層，器件尺寸為 800 μ mX 800 μ m(長X寬)，器件的峰值探測頻率為3. 2THz，主要探測頻率範圍(響應幅度>峰值響應幅度的40% )為3. 0-5. 3THz，其在4. 13THz處的響應幅度為峰值響應幅度的67% (見圖4)，器件的工作溫度為4.2K，外加偏壓為-48mV。提供低溫環境的第二冷頭 7為閉循環機械製冷系統的一部分，其最低溫度可以達到3K ；第二聚乙烯窗片8為高強度聚乙烯(HDPE)材料，窗片通過對灌制的HDPE圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而成，窗片直徑為35mm，厚度為1. 8mm，其對4. 13THz電磁波的透過率為75% (見圖幻。所述信號處理電路10包括電壓放大器一個，供電電池一節，分壓電阻一個，電路連接線若干。供電電池、 分壓電阻與太赫茲量子阱探測器串聯為閉合迴路，並採用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。其中電壓放大器的耦合方式為直流耦合，放大倍數為2倍，所用供電電池為5號乾電池，分壓電阻的阻值為5ΜΩ。所述示波器11為數字示波器，其主要參數為4個可測量通道，500MHz測量帶寬，4(}sa/s採樣速率以及標準的8Mpts存儲深度。本裝置用於脈衝激射型太赫茲頻段雷射器輸出功率的測量，具體為太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量，測量裝置中採用了對太赫茲光具有快速響應能力的太赫茲量子阱探測器作為探測裝置，採用了對太赫茲光吸收較弱的聚乙烯材料作為窗片，採用了對太赫茲光反射率較高的鍍金離軸拋物鏡作為太赫茲光的收集和反射裝置。實施例二本實施例描述的是實施例一所述的測量裝置的測量方法，包括如下步驟步驟一，採用脈衝電源給安裝於光源部分的第一熱沉上的太赫茲量子級聯雷射器施加幅度為12. 4V、周期為500 μ s (對應重複頻率為2kHz)、脈衝寬度為5 μ s的電壓脈衝信號後(見圖5，為使對比效果明顯，圖中雷射器的驅動信號被歸一化)，所述太赫茲量子級聯雷射器輻射出周期為500 μ s(對應重複頻率為2kHz)、脈衝寬度為5μ s的脈衝太赫茲光 (雷射頻率為4. 13ΤΗζ)，脈衝太赫茲光經過第一聚乙烯窗片後到達第一離軸拋物鏡上；步驟二，所述第一離軸拋物鏡接收經所述第一聚乙烯窗片射出的脈衝太赫茲光， 並將該脈衝太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡；所述第二離軸拋物鏡接收經所述第一離軸拋物鏡反射過來的脈衝太赫茲光，並將該脈衝太赫茲光反射至所述探測部分；經所述第二離軸拋物鏡反射過來的脈衝太赫茲光透過所述第二聚乙烯窗片後到達探測部分的第二熱沉上的太赫茲量子阱探測器的敏感面上；步驟三，所述探測部分的太赫茲量子阱探測器對所述第二離軸拋物鏡反射過來的脈衝太赫茲光進行快速響應後產生相應的脈衝電流信號，採用所述信號處理電路將所述脈衝電流信號提取為脈衝電壓信號(周期為500 μ S、脈衝寬度為5 μ S)，並將該脈衝電壓信號放大後輸入所述示波器中進行讀取和顯示，顯示結果如圖5所示(為使對比效果明顯，圖中探測器的響應信號被歸一化)，所述示波器對該脈衝電壓信號進行讀取和顯示後可得到該脈衝電壓信號的幅度，該脈衝電壓信號幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測器對脈衝太赫茲光響應的強弱；步驟四，根據所述示波器中顯示的脈衝電壓信號幅度和太赫茲量子阱探測器在太赫茲量子級聯雷射器激射頻率處的響應率，計算得到到達太赫茲量子阱探測器敏感面上的脈衝太赫茲光的功率，再根據整個測量裝置的收集效率計算出太赫茲量子級聯雷射器從所述第一聚乙烯窗片處輻射出的脈衝太赫茲光的功率，進而完成對脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量。其中，太赫茲量子阱探測器的響應率採用標準黑體輻射源來標定，當標準黑體輻射源照射太赫茲量子阱探測器的敏感面時，探測器將產生光生電流，致使其電阻發生變化， 由於加在探測器和分壓電阻兩端的電壓固定，此時分壓電阻兩端的電壓發生改變，根據分壓電阻兩端的電壓變化值及其與太赫茲量子阱探測器的串聯關係，可精確計算得到標準黑體輻射源照射下探測器產生的光生電流，根據標準黑體輻射源的輸出功率和探測器的光電流譜，可計算得到探測器在其可探測頻率範圍內不同頻率下的響應率，進而完成對太赫茲量子阱探測器響應率的標定；整個測量裝置的收集效率為所述太赫茲量子級聯雷射器激射頻率下的太赫茲光在整個測量裝置中傳輸的通過率，即第一聚乙烯窗片對該太赫茲光的透過率、第二聚乙烯窗片對該太赫茲光的透過率、第一離軸拋物鏡對第一聚乙烯窗片處出射太赫茲光的收集效率、第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡對該太赫茲光的反射效率、以及整個光路中的大氣對該太赫茲光的透過率的乘積。實施例三本實施例對實施例一所述的測量裝置的收集效率進行了檢測，需要檢測的內容有五個部分(1)第一冷頭的第一聚乙烯窗片對4. 13THz光的透過率；(2)第二冷頭的第二聚乙烯窗片對4. 13THz光的透過率；(3)第一離軸拋物鏡對第一聚乙烯窗片處出射太赫茲光的收集效率；(4)第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡對4. 13THz光的反射效率；(5)整個光路中的大氣對4. 13THz光的透過率。以對4. 13THz光的收集效率為例獲得的實驗測量結果如下(1)安裝於第一冷頭上的第一聚乙烯窗片的透過率為56% ；(2)安裝於第二冷頭上的第二聚乙烯窗片的透過率為75% ；(3)第一離軸拋物鏡對4. 13THz光的收集效率為10% ；(4)兩個離軸拋物鏡組合起來對4. 13THz光的反射率為96% ；(5)整個光路部分(1000mm距離)對4· 13THz光的透過率為63% ；因此，整個測量裝置對4. 13THz光的收集效率為2. 。此外，本實施例還提供了脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器出射功率的計算方法，該方法的主要內容為首先，根據示波器中顯示的與太赫茲量子阱探測器響應信號相對應的電壓信號的幅度和探測器在雷射器激射頻率處的響應率，計算得到到達太赫茲量子阱探測器敏感面上的脈衝太赫茲光的光功率值；然後，根據整個測量裝置對太赫茲光的收集效率計算得到脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器從第一冷頭的第一聚乙烯窗片處出射的脈衝太赫茲光的光功率，從而得到了脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的輸出功率。本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例中。 這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現。
權利要求
1.一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於包括光源部分(A)、光路部分(B)和探測部分(C)；所述光源部分(A)包括第一冷頭O)、安裝於所述第一冷頭O)內的第一熱沉(3)、安裝於所述第一熱沉C3)上的太赫茲量子級聯雷射器、與所述太赫茲量子級聯雷射器連接的脈衝電源(1)、安裝於所述第一冷頭上的第一聚乙烯窗片；其中，所述太赫茲量子級聯雷射器發射出的太赫茲光通過第一聚乙烯窗片(4)射出；所述光路部分(B)包括第一離軸拋物鏡( 和第二離軸拋物鏡(6)；所述第一離軸拋物鏡(5)收集經所述第一聚乙烯窗片(4)射出的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡(6)；所述第二離軸拋物鏡(6)接收經所述第一離軸拋物鏡( 反射過來的太赫茲光，並使該太赫茲光反射至所述探測部分(C)；所述探測部分(C)包括第二冷頭(7)、安裝於所述第二冷頭(7)上的第二聚乙烯窗片 (8)、安裝於所述第二冷頭(7)內的第二熱沉(9)、安裝於所述第二熱沉(9)上的太赫茲量子阱探測器、與所述太赫茲量子阱探測器連接的信號處理電路(10)以及與所述信號處理電路(10)連接的示波器(11)；其中，所述第二聚乙烯窗片(8)使所述第二離軸拋物鏡(6) 反射過來的太赫茲光進入所述第二冷頭(7)內，併到達所述太赫茲量子阱探測器的敏感面上；所述太赫茲量子阱探測器用以接收所述第二離軸拋物鏡(6)反射過來的太赫茲光，並產生相應的電流信號；所述信號處理電路(10)將所述電流信號提取為電壓信號，並進行放大；所述示波器(11)用以對所述信號處理電路(10)放大後的電壓信號進行讀取和顯示，得到所述電壓信號的幅度。
2.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述太赫茲量子級聯雷射器的激射頻率範圍為4. 02-4. 13THz，所述太赫茲量子阱探測器的峰值探測頻率為3. 2THz，主要探測頻率範圍為3. 0-5. 3THz，其中主要探測頻率範圍是指響應幅度>峰值響應幅度40%的頻率範圍。
3.根據權利要求2所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述太赫茲量子阱探測器為光電導型低維半導體探測器，其有源區為通過在半絕緣 GaAs襯底上交替生長GaAs層和AWaAs層的方式形成。
4.根據權利要求3所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述太赫茲量子阱探測器的有源區包括23個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的 GaAs 層禾Π Al0.015Ga0.985As 層各一層。
5.根據權利要求2所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述太赫茲量子級聯雷射器的有源區是通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AKktAs層的方式形成的。
6.根據權利要求5所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述太赫茲量子級聯雷射器的有源區為四阱共振聲子結構，包括178個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Alai5Giia85As層各四層。
7.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述第一聚乙烯窗片(4)和第二聚乙烯窗片(8)均採用高強度聚乙烯材料。
8.根據權利要求7所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述第一聚乙烯窗片(4)和第二聚乙烯窗片(8)均通過將灌制的高強度聚乙烯圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而成。
9.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述第一離軸拋物鏡(5)和第二離軸拋物鏡(6)的反射面均為鍍金離軸拋物面。
10.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述脈衝電源(1)為可編程脈衝式電源，包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式，所述脈衝電源(1)的可輸出電流範圍為0-5A，脈寬調節範圍為50ns-5ys，輸出脈衝重複頻率範圍為Ι-lOkHz，脈衝的最大佔空比為1%0
11.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述信號處理電路(10)包括電壓放大器一個，供電電池一節，分壓電阻一個，電路連接線若干，其中，供電電池、分壓電阻與太赫茲量子阱探測器串聯為閉合迴路，並採用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。
12.根據權利要求1所述的脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置，其特徵在於所述示波器(11)為數字示波器，包括4個可測量通道；所述示波器(11)的測量帶寬為500MHz，採樣速率為4Gsa/s，存儲深度為8Mpts。
13.—種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，採用脈衝電源(1)給太赫茲量子級聯雷射器施加一個周期性的脈衝驅動電壓，使其輻射出周期性的脈衝太赫茲光，所述周期性脈衝太赫茲光經過第一聚乙烯窗片(4) 後到達第一離軸拋物鏡( 上；步驟二，所述第一離軸拋物鏡( 接收經所述第一聚乙烯窗片(4)射出的周期性脈衝太赫茲光，並使該周期性脈衝太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡(6)；所述第二離軸拋物鏡 (6)接收經所述第一離軸拋物鏡(5)反射過來的周期性脈衝太赫茲光，並使該周期性脈衝太赫茲光反射至所述探測部分(C)，經所述第二離軸拋物鏡(6)反射過來的周期性脈衝太赫茲光透過所述探測部分(C)的第二聚乙烯窗片(8)後到達所述第二熱沉(9)上的太赫茲量子阱探測器的敏感面上；步驟三，所述探測部分(C)的太赫茲量子阱探測器對入射的周期性脈衝太赫茲光響應後產生相應的周期性脈衝電流信號，採用所述信號處理電路(10)將所述電流信號提取為電壓信號，並將所述電壓信號放大後輸入所述示波器(11)中，所述示波器(11)對所述電壓信號進行讀取和顯示，得到所述電壓信號的幅度，該電壓信號幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測器對太赫茲光響應的強弱；步驟四，根據所述示波器(11)中顯示的電壓信號幅度和太赫茲量子阱探測器在太赫茲量子級聯雷射器激射頻率處的響應率，計算得到到達太赫茲量子阱探測器敏感面的太赫茲光功率，再根據整個測量裝置的收集效率計算出太赫茲量子級聯雷射器從所述第一聚乙烯窗片(4)處輻射出的太赫茲光功率，進而完成對脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量。
全文摘要
本發明公開了一種脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器的功率測量裝置及方法，該裝置包括光源部分、光路部分和探測部分；太赫茲量子級聯雷射器發出的太赫茲光通過該測量裝置抵達太赫茲量子阱探測器，接收並產生相應的電流信號；信號處理電路將該電流信號提取為電壓信號並放大，輸入示波器中讀取和顯示，根據太赫茲量子阱探測器在雷射器激射頻率處的響應率，通過計算完成對脈衝激射型太赫茲量子級聯雷射器輸出功率的測量。本發明避免了採用熱探測器測量脈衝工作模式下太赫茲量子級聯雷射器輸出功率時的積分估算，可直接根據探測器響應脈衝信號的幅度得到雷射器輸出的脈衝功率值。
文檔編號G01M11/00GK102323040SQ20111014226
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者曹俊誠, 譚智勇, 陳鎮, 韓英軍 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所