太赫茲光譜成像系統及其快速掃描方法與流程
2024-02-29 20:50:15
本發明涉及超快光電子學和太赫茲光子學領域，具體的講是一種利用電光調製連續雷射實現飛秒雷射光源重複頻率精密調節，從而實現太赫茲時域電場快速掃描的方法，是一種實時、主動式太赫茲光譜成像方法。
背景技術：
太赫茲由於具有相對較弱的光子能量被稱為「無損傷探測」的光學波段。太赫茲光譜成像技術在生物醫學成像、物質成份檢測和鑑定方面具有重要應用價值。但目前制約太赫茲系統真正邁向小型化、走向實用化的一個重要因素是太赫茲時域掃描方式。
目前常用的太赫茲時域掃描方法主要是：基於機械平移臺的採樣探測；異步光學採樣探測方法；基於光纖延遲線的採樣探測。這幾種方法各有其弊端。
基於機械平移臺的採樣探測具有時間精度高的優點，但由於其機械慣性，其掃描速度受到限制。因此，較難實現太赫茲快速掃描。
異步光學採樣探測不需要機械式延遲導軌，不用確定零時間點，並且，這種方法的測量精度和解析度大幅度提高。但是，此方法需要兩臺重複頻率精確鎖定並具有一定差值的飛秒雷射光源，此光源對工作環境要求高，系統複雜，並且成本高，不利於走向實用化。
基於光纖延遲線的採樣探測，其掃描頻率在千赫茲量級，掃描窗口可以達到上百皮秒。但是由於光纖的存在，入射光的強度受到限制，並且在光纖傳輸中會發生展寬、色散以及損耗等現象，光纖的長度抖動也會帶來採樣時間的抖動,給電場的掃描帶來不利因素。
技術實現要素：
本發明的目的是針對目前太赫茲時域掃描存在的不足，提出一種基於精密電光調製作用實現太赫茲時域電場快速掃描的方法，在此基礎上完成太赫茲光譜成像過程。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種太赫茲光譜成像系統，其包括：
飛秒脈衝產生裝置，用於輸出重複頻率鎖定且可主動調節的飛秒脈衝；
分束器，用於將所述飛秒脈衝進行分束；
太赫茲產生裝置，用於產生太赫茲脈衝；
太赫茲收集裝置，用於收集太赫茲脈衝；
太赫茲探測裝置，用於對所述太赫茲脈衝的時域電場進行探測。
作為優選方案，所述飛秒脈產生裝置包括：
電脈衝產生模塊，用於將信號源輸出的頻率為f的電信號作用到階躍恢復二極體，在負載上輸出重複頻率為f、脈衝寬度為階躍二極體階躍時間t的電脈衝信號；
連續雷射光源；
強度調製模塊，用於將所述連續雷射光源輸出的單縱模連續雷射調製成輸出重複頻率與所述電脈衝信號的重複頻率相同，脈衝寬度與所述電脈衝信號的寬度相似的雷射脈衝信號；
多級級聯放大模塊，用於將所述雷射脈衝信號的雷射功率進行放大；
非線性放大模塊，用於將在多級級聯放大後的雷射脈衝信號的光譜寬度和能量進行放大；
脈寬壓縮模塊，用於將在非線性放大後的雷射脈衝信號的脈衝寬度進行壓縮至飛秒級。
作為優選方案，所述階躍時間t為皮秒級。
作為優選方案，所述連續雷射光源為單縱模cw雷射器、半導體雷射器、光纖雷射器或固體雷射器。
作為優選方案，所述強度調製模塊為電光調製器、mzi調製器或半導體調製器。
作為優選方案，所述多級級聯放大模塊為光纖放大器、固體放大器、薄片雷射器、陶瓷放大器中的一種。
所述多級級聯放大和非線性放大的方法均為分離脈衝放大，啁啾脈衝放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補償的非線性放大，以及這些方法的組合等。
一種基於前所述的太赫茲光譜成像系統的快速掃描方法，其包括如下步驟：
將飛秒脈衝產生裝置輸出的飛秒脈衝雷射利用分束器分束成兩束雷射，記為第一雷射束和第二雷射束；
將所述第一雷射束照射在光電導天線或電光晶體上，產生太赫茲脈衝；
利用太赫茲收集裝置將所述太赫茲脈衝進行收集，並輸入至太赫茲探測裝置中；
將所述第二雷射束作為參考光，耦合到光纖中以達到空間距離的偏移，使得光束中的參考光與太赫茲脈衝偏離a個脈衝信號；
改變電脈衝信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒脈衝雷射的重複頻率進行主動調節，改變參考光與太赫茲脈衝的時間延時，完成對太赫茲脈衝的取樣過程，實現太赫茲脈衝時域掃描。
作為優選方案，所述飛秒脈衝雷射的生成方法為：
利用信號源輸出以頻率f周期性變化的電信號，將所述電信號作用到階躍恢復二極體，隨著輸入信號的周期性變化，在負載上輸出重複頻率為f，脈衝寬度為階躍恢復二極體階躍時間t的電脈衝信號；
將連續雷射光源輸出的單縱模連續雷射輸入強度調製模塊，利用所述電脈衝信號對強度調製模塊進行調製，輸出重複頻率與電脈衝信號的重複頻率相同，脈衝寬度與電脈衝信號寬度相似的雷射脈衝信號；
將所述雷射脈衝信號進行功率調節、脈衝寬度調節和能量調節後，得到飛秒脈衝雷射。
作為優選方案，所述雷射脈衝信號的功率調節是通過多級級聯放大模塊實現的。
作為優選方案，所述雷射脈衝信號的脈衝寬度和能量的調節是通過非線性放大模塊和脈寬壓縮模塊實現的。
以上對雷射脈衝進行展寬與放大的過程可以採用多種方式，亦可改變順序，如放大同時展寬，預先放大後展寬再放大等。
放大器的種類可以為光纖(保偏，faradaymirror+單模),固體,thindisk,ceramic，cpa，分離脈衝放大，啁啾脈衝放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補償的非線性放大，以及這些方法的組合等。通過調節信號源輸出電信號的重複頻率f，可實現對該飛秒雷射重複頻率的主動調節，該輸出電信號重複頻率的變化可以為連續變化、快速變化、慢速變化、階躍式變化、多脈衝遞增式變化等變化模式，亦可為多種變化模式的組合形式。
太赫茲產生裝置是指利用飛秒雷射泵浦源泵浦光電導天線或電光晶體，產生太赫茲脈衝的裝置。將重頻鎖定且可主動調節的飛秒雷射脈衝輸入分束器，將雷射脈衝分為兩束，其中一束照射在光電導天線或電光晶體上，產生太赫茲輻射，通過太赫茲收集模塊將產生的太赫茲脈衝收集並輸入探測器件。
太赫茲探測裝置指將分出來的另一束雷射作為參考光來探測產生的太赫茲脈衝，並通過重複頻率調節實現太赫茲脈衝的取樣裝置。通過空間距離的偏移使得光束中的參考光與太赫茲脈衝偏離a個脈衝，改變電脈衝信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒雷射光源重複頻率進行調節，從而改變參考光與太赫茲脈衝的時間延時，完成對太赫茲脈衝的取樣過程，實現太赫茲脈衝時域掃描。由於電信號重複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掃描，快速掃描，慢速掃描，隨機掃描，編程掃描，多個脈衝遞增式掃描，階躍式掃描，亦可是多個掃描模式的組合。
參考光對太赫茲脈衝進行取樣探測的技術原理為：飛秒脈衝產生裝置輸出雷射脈衝的重複頻率為f1，通過精密電光調製作用使其重複頻率變化為△f。由於參考光與太赫茲脈衝經過不同的空間光程後相互作用，當太赫茲波的第j個脈衝作用到探測器件上時，參考光的第j-a個脈衝同時作用到探測器件上。而由於雷射重複頻率改變△f而引起的兩個脈衝之間的時間延時△τ表示為；
此時需要的空間光程長度l1表示為：
當參考光與太赫茲脈衝的空間光程差l1確定，由於△f《f，兩脈衝之間時間延時可以表示為：
其中，c0表示光的傳播速度，n表示介質折射率。在掃描過程中，由於雷射器的重複頻率可通過信號源連續調節，通過△f的連續變化，可以改變所掃描兩個脈衝之間的延時，從而實現參考光對太赫茲脈衝的取樣。
以飛秒脈衝重複頻率f1＝100mhz，參考光與太赫茲脈衝空間距離相差l1＝30m，c0＝3×108m/s，n＝1為例，參考光與太赫茲脈衝作用到探測裝置的時間延時為△τ＝10-15△f(s)。當雷射器重複頻率改變100hz，即△f＝100時，作用到探測裝置的參考光與太赫茲脈衝時間間隔為100fs。因此，參考光對太赫茲脈衝的取樣精度由雷射器重複頻率改變量決定，取樣時間間隔與雷射器重複頻率改變量呈線性關係。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
1、掃描範圍廣：由於飛秒雷射光源的重複頻率由信號源的輸出頻率決定，因此重複頻率調節範圍從mhz到mhz量級；
2、掃描準確度高：用精密電信號調製代替機械延遲線，大大減小了掃描過程中引入的誤差，提高了掃描準確度；
3、取樣精度高：掃描過程中的取樣精度由重複頻率改變量決定，電光調製過程的精度變化可以在mhz量級，因此，相比傳統方法，太赫茲掃描過程中的取樣精度大大提高；
4、系統穩定性高：與異步採樣相比，精密電光調製的使用使得系統穩定性增強，受外界環境的影響降低，大大促進了其向應用方面的發展。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明的快速掃描方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
如圖1所示，飛秒脈衝產生裝置01輸出重複頻率可通過電光調製器鎖定並進行主動調節的飛秒雷射脈衝。利用分束器02將雷射脈衝分束，其中照射在光電導天線或電光晶體03，產生太赫茲輻射，通過太赫茲收集模塊04(一組拋物面鏡)將產生的太赫茲脈衝收集並輸入太赫茲探測裝置05；將另一束雷射作為參考光耦合到長度為幾十米的光纖以達到空間距離的偏移，使得光束中的參考脈衝與太赫茲脈衝偏離a個脈衝信號。改變電脈衝信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒雷射光源重複頻率進行調節，通過探測參考脈衝與太赫茲脈衝的頻率掃描採集到太赫茲脈衝信號，實現太赫茲脈衝時域掃描。
圖1中，飛秒脈衝產生裝置01輸出重複頻率為f，脈衝寬度在fs量級的飛秒雷射脈衝。其中，101為電脈衝產生模塊，其中利用信號源輸出以頻率f周期性變化的電信號，將此電信號作用到階躍恢復二極體，隨著輸入信號的周期性變化，在負載上輸出時域間隔為t＝1/f，脈衝寬度為階躍恢復二極體階躍時間t(ps量級)的電脈衝信號。102為連續雷射光源，輸出連續雷射到強度調製器103，強度調製器103由電脈衝產生裝置101輸出的ps量級電脈衝信號調製，從而得到脈衝寬度與電脈衝寬度相似、重複頻率與信號源輸出頻率一致的雷射脈衝信號。連續雷射光源104、107，波分復用器105、108，增益光纖106、109組成多級級聯放大模塊，對強度調製器103輸出的雷射脈衝進行放大。放大後的雷射脈衝輸入光譜展寬模塊110，展寬光譜。然後輸入由連續雷射光源111、波分復用器112、非線性增益光纖113組成的非線性放大模塊，對雷射功率進一步放大。最後將雷射脈衝輸入脈寬壓縮模塊114，實現對雷射脈寬壓縮，得到脈衝寬度在fs量級的雷射光源。該fs雷射光源重複頻率精確鎖定為f。
圖1中，04為太赫茲收集模塊，由一對離軸拋物面鏡組成，完成對太赫茲波的收集作用。
圖1中，05為太赫茲探測裝置，由一定長度光纖501和光電導天線502組成。一定長度光纖501在光路中的作用使太赫茲脈衝與參考脈衝具有不同的光程差，以達到參考脈衝與太赫茲脈衝的偏離。
在上述基礎上，改變電脈衝信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒雷射光源重複頻率進行調節，通過探測參考脈衝與太赫茲脈衝的頻率掃描採集到太赫茲脈衝信號，實現太赫茲脈衝時域掃描。
以上實施例僅用於說明本發明的具體實施方式，本發明的範圍不僅限於上述實施例所描述的範圍。
例如，圖1中的實施例是太赫茲光譜儀，而該基於精密電光調製的太赫茲信號掃描取樣方法同樣可適用於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裝置。
圖2為該發明快速掃描方法流程圖，虛線代表電信號，實現代表光信號，箭頭方向表示電信號、光信號傳播方向。該掃描方法實現流程如下：首先，確定強度調製器頻率為一特定頻率，此時，產生的飛秒雷射重複頻率與該頻率一致；利用此飛秒雷射分束，一束產生太赫茲脈衝，照射在太赫茲探測裝置；另一束經過不同的空間路逕到達太赫茲探測裝置；太赫茲脈衝對探測脈衝產生一定影響，探測裝置輸出一電壓信號到取樣掃描裝置，此電壓信號由太赫茲脈衝與探測脈衝的延時差異決定；將此電壓信號取樣後反饋給強度調製器，改變強度調製器的頻率，從而改變飛秒雷射重複頻率，此時到達太赫茲探測裝置的太赫茲脈衝與雷射脈衝延時差異發生變化，輸出表示太赫茲脈衝某一時域信息的電壓信號，並通過取樣完成電壓信號的記錄。重複以上過程，以達到對整個太赫茲時域信息的取樣掃描。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。