一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)，采用一對(duì)高穩(wěn)定性的單縱模近紅外激光器作為種子光源，利用光纖調(diào)制激光信號(hào)，光混頻器在外加偏壓下向外輻射出連續(xù)的太赫茲波；在信號(hào)接收端，采用光電導(dǎo)開關(guān)和天線對(duì)太赫茲波進(jìn)行相干探測(cè)。通過對(duì)激光器進(jìn)行溫度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)寬帶寬的差頻連續(xù)太赫茲輻射輸出。與常見的太赫茲時(shí)域脈沖光譜系統(tǒng)相比，該技術(shù)獲取的譜分辨率得到極大提高，對(duì)太赫茲光譜學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到很好的推動(dòng)作用。
【專利說明】一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著太赫茲技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的快速發(fā)展，太赫茲波光譜技術(shù)應(yīng)用研究也愈發(fā)廣泛。由于太赫茲波自身的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得太赫茲應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)延伸到了現(xiàn)實(shí)生活的各個(gè)方面。例如，在公共安全檢測(cè)方面，太赫茲波能透過一些常見的紅外無(wú)法穿透的材料，如塑料包裝，信封和半導(dǎo)體介質(zhì)等無(wú)極性材料，所以非常適合用于隱蔽物的探測(cè)；更為重要的，毒品和TNT都具有其特殊的太赫茲指紋譜，采用太赫茲光譜技術(shù)可以提高對(duì)危險(xiǎn)品和違禁品的檢測(cè)效率，豐富了安檢的手段。在生物醫(yī)學(xué)方面，不同組織組織(脂肪、皮膚和肌肉)對(duì)太赫茲波具有差別吸收，另外，太赫茲對(duì)組織內(nèi)水分十分敏感，基于這兩特點(diǎn)，太赫茲光譜技術(shù)能夠檢測(cè)不同表皮生物細(xì)胞之間的差異，如皮膚燒傷區(qū)域，皮膚癌變區(qū)域等。同時(shí)，太赫茲波能量遠(yuǎn)低于X射線等高能粒子射線，不會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生電離損傷，所以更加安全，而較之于微波超聲技術(shù)，得益于其更短的波長(zhǎng)，獲取的圖像具有更高的分辨率。
[0003]由于太赫茲源和探測(cè)器的發(fā)展相對(duì)緩慢，在一定程度上制約了太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展。目前，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)使用較為廣泛，該技術(shù)輻射太赫茲波主要采用兩種手段:(I)基于非線性晶體的二次非線性效應(yīng)；(2)基于電-光效應(yīng)，采用光電導(dǎo)天線輻射出太赫茲波。在探測(cè)端均采用相干探測(cè)技術(shù)，受限于時(shí)域光譜系統(tǒng)的太赫茲輻射能量低，所以系統(tǒng)必須置于真空中；另一方面，響應(yīng)信號(hào)為時(shí)域脈沖信號(hào)，所以系統(tǒng)必須要配備相應(yīng)的機(jī)械時(shí)間延遲線，精確程度要求高，導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，同時(shí)須對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換方能得到頻域譜，太赫茲信號(hào)強(qiáng)度低，光譜分辨率一般在10 GHz以上，譜分辨率較低，對(duì)于一些純物質(zhì)(如氣體)的尖銳吸收峰無(wú)法識(shí)別，限制了太赫茲光譜技術(shù)的應(yīng)用。所以，簡(jiǎn)化光譜系統(tǒng)、改善系統(tǒng)適用性和提高光譜分辨率對(duì)于太赫茲光譜技術(shù)而言就顯得格外重要。
[0004]本發(fā)明的作者對(duì)太赫茲光譜技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)方面進(jìn)行了深入研究，提出了一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的技術(shù)及系統(tǒng)，使太赫茲光譜分辨率得到顯著提高，有利于太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)器的方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲信號(hào)強(qiáng)度低、光譜分辨率低的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)器的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)至少包括:光源模塊、調(diào)制光纖模塊和測(cè)試模塊；
[0007]所述光源模塊包括第一激光器、第二激光器、以及功率放大器，所述功率放大器通過光纖分別與所述第一激光器和第二激光器相連接；
[0008]所述光纖模塊包括由所述功率放大器輸出端接出的第一光纖和第二光纖，所述第一光纖和第二光纖分別通過電壓調(diào)制器調(diào)節(jié)激光信號(hào)的相位；
[0009]所述測(cè)試模塊包括連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置、透射/發(fā)射光路裝置以及相干探測(cè)裝置，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置與所述第一光纖相連接；所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過所述透射/反射光路裝置收集并匯聚后入射至所述相干探測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，所述相干探測(cè)裝置還與所述第二光纖相連接。
[0010]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述第一激光器和第二激光器為單縱模分布式反饋近紅外激光器，通過一溫度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。
[0011]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述第一激光器和第二激光器的中心波長(zhǎng)為855nm，通過所述溫度調(diào)制器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)50MHz?2THz的差頻輸出范圍，對(duì)應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)的范圍為O?50K。
[0012]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述功率放大器輸出的激光信號(hào)通過一光纖分束器按1:1進(jìn)行信號(hào)分離，分離的信號(hào)分別進(jìn)入所述第一光纖和第二光纖。
[0013]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述第一光纖和第二光纖所選光纖的材質(zhì)、長(zhǎng)度和性能參數(shù)均相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖溫漂效應(yīng)的有效抑制。
[0014]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置包括由第一光電導(dǎo)開光和第一天線構(gòu)成的第一光混頻器，所述第一光纖與第一光電導(dǎo)開光相連，產(chǎn)生的連續(xù)太赫茲光由所述第一天線輻射出。
[0015]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，根據(jù)測(cè)量模式的不同，所述透射/反射光路裝置為透射光路裝置或者反射光路裝置，所述透射光路裝置由一組90°離軸拋物面鏡和一組焦距為50mm的太赫茲超透鏡組成，樣品置于透鏡焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光穿透樣品；所述反射光路裝置由一組45°離軸拋物面鏡和一組焦距為50mm的太赫茲超透鏡組成，樣品置于透鏡焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光被樣品反射。
[0016]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種優(yōu)化的方案，所述相干探測(cè)裝置包括由第二光電導(dǎo)開關(guān)和第二天線構(gòu)成的第二光混頻器，所述第二光電導(dǎo)開關(guān)與第二光纖相連，所述第二天線接收經(jīng)過所述透射/反射光路裝置收集后的太赫茲光，激光信號(hào)與太赫茲光信號(hào)在所述第二光電導(dǎo)開關(guān)處相干稱合產(chǎn)生響應(yīng)光電流，通過轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再由一鎖相探測(cè)器進(jìn)行讀取檢測(cè)。
[0017]本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法，所述方法至少包括:
[0018]I)對(duì)第一激光器和第二激光器施加偏壓出光,經(jīng)過功率放大器之后的激光信號(hào)分成兩束，一束由第一光纖耦合進(jìn)入連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置，在所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置上加偏壓后，產(chǎn)生太赫茲輻射并發(fā)射；另一束激光信號(hào)進(jìn)入第二光纖；
[0019]2)產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過置于透射/反射光路裝置中的樣品后，與第二光纖的激光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入相干探測(cè)模塊，兩束光耦合產(chǎn)生光電流并由鎖相探測(cè)器對(duì)光電流信號(hào)進(jìn)行讀?。?br> [0020]3)調(diào)節(jié)所述第一激光器和第二激光器，改變兩者頻率，通過差頻實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜的頻域掃描，其中，在每個(gè)頻點(diǎn)處，第二光纖中的激光信號(hào)和接收到的太赫茲光輸入相干探測(cè)模塊，采樣一個(gè)相干周期內(nèi)的信號(hào)確定極大值，最后綜合各個(gè)頻點(diǎn)處的極大值獲得太赫茲頻域光譜圖。
[0021]作為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法的一種優(yōu)化的方案，利用電壓調(diào)制器輸出正弦電壓信號(hào)來調(diào)制所述第一光纖和第二光纖的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的相位調(diào)制，完成連續(xù)太赫茲光的相干探測(cè)，系統(tǒng)在整個(gè)頻段內(nèi)的平均信噪比大于60db，太赫茲光譜的分辨率為50MHz。
[0022]如上所述，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)，鑒于常用時(shí)域太赫茲光譜系統(tǒng)的局限性，如低光譜分辨率、時(shí)間延遲線、太赫茲信號(hào)強(qiáng)度低和測(cè)試環(huán)境真空等方面，本發(fā)明優(yōu)先采用高性能DFB激光器溫度調(diào)制差頻產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波，激光器頻率的高穩(wěn)定性使得到的太赫茲光譜分辨率顯著提高，采用調(diào)制光纖實(shí)現(xiàn)相干探測(cè)有效降低光譜系統(tǒng)的復(fù)雜程度，非常有利于太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展，在太赫茲光譜學(xué)實(shí)際應(yīng)用方面具有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的一種示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)的另一種示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明獲得的大氣太赫茲光譜圖。
[0026]元件標(biāo)號(hào)說明
[0027]I光源模塊
[0028]11第一激光器
[0029]12第二激光器
[0030]13功率放大器
[0031]14溫度調(diào)制器
[0032]15光纖
[0033]2調(diào)制光纖模塊
[0034]21第一光纖
[0035]22第二光纖
[0036]3測(cè)試模塊
[0037]31太赫茲光產(chǎn)生裝置
[0038]311第一光電導(dǎo)開關(guān)
[0039]312第一天線
[0040]312偏壓裝置
[0041]32透射/發(fā)射光路裝置
[0042]321離軸拋物面鏡
[0043]322透鏡
[0044]33相干探測(cè)裝置
[0045]331第二光電導(dǎo)開關(guān)
[0046]332第二天線
[0047]4鎖相探測(cè)器
[0048]5樣品

【具體實(shí)施方式】
[0049]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0050]請(qǐng)參閱附圖。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0051]目前，太赫茲光譜技術(shù)普遍采用時(shí)域光譜系統(tǒng)，利用傅立葉變換處理時(shí)域脈沖信號(hào)得到頻域光譜，太赫茲信號(hào)強(qiáng)度低，光譜分辨率不高；鑒于此，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲探測(cè)的方法及系統(tǒng)，基于光學(xué)混頻技術(shù)，采用穩(wěn)定性高且成熟的近紅外激光器作為種子光源，結(jié)合光電導(dǎo)天線技術(shù)獲得連續(xù)的太赫茲光譜，通過溫控調(diào)制激光頻率，天線輻射出的太赫茲光譜達(dá)到MHz量級(jí)的光譜分辨率，相比于常用的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，譜分辨率得到顯著提高。同時(shí)，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。以下將詳細(xì)闡述本發(fā)明實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)的原理及實(shí)施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)即可理解本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)。
[0052]本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，所述系統(tǒng)至少包括:光源模塊1、調(diào)制光纖模塊2和測(cè)試模塊3。
[0053]所述光源模塊I包括第一激光器11、第二激光器12、以及功率放大器13，所述功率放大器13通過光纖15分別與所述第一激光器11和第二激光器12相連接，激光信號(hào)通過光纖15耦合進(jìn)功率放大器13，功率放大器可將激光平均功率提升到150mW的量級(jí)。
[0054]其中，所述第一激光器11和第二激光器12為高性能單縱模分布式反饋(DFB)近紅外激光器，中心波長(zhǎng)為855nm，單個(gè)出光功率約為40mW。所述光源模塊I還包括與所述第一激光器11和第二激光器12相連接的溫度調(diào)制器14，通過調(diào)制溫度來調(diào)制第一激光器11和第二激光器12的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)激光器頻率的調(diào)節(jié)。進(jìn)一步地，溫度調(diào)制器14的溫度調(diào)制速率為25GHz/K，調(diào)節(jié)范圍為O?50K，對(duì)應(yīng)第一激光器11和第二激光器12頻率的可調(diào)范圍為50MHz?2THz，調(diào)制后第一激光器11和第二激光器12的頻率不相等。
[0055]所述光纖模塊2包括由所述功率放大器13輸出端接出的第一光纖21和第二光纖22，所述第一光纖21和第二光纖22分別通過電壓調(diào)制器(未予以圖示)調(diào)節(jié)激光信號(hào)的相位。
[0056]其中，需要說明的是，所述功率放大器13輸出的激光信號(hào)通過一光纖分束器(未予以圖示)按1:1進(jìn)行信號(hào)分離，分離的信號(hào)分別進(jìn)入所述第一光纖21和第二光纖22。所述第一光纖21和第二光纖22所選光纖的材質(zhì)、長(zhǎng)度和光學(xué)參數(shù)最好均相同，這樣可以有效抑制光纖的溫漂效應(yīng)。利用電壓調(diào)制器調(diào)制所述第一光纖21和第二光纖22的長(zhǎng)度，進(jìn)而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)兩束激光相位(光程)的調(diào)制。本實(shí)施例中，由電壓調(diào)制器輸出正弦電壓信號(hào)來調(diào)制光纖長(zhǎng)度。
[0057]所述測(cè)試模塊3包括連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31、透射/發(fā)射光路裝置32以及相干探測(cè)裝置33，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31與所述第一光纖21相連接；所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31所產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過所述透射/反射光路裝置32收集并匯聚后入射至所述相干探測(cè)裝置33進(jìn)行檢測(cè)，所述相干探測(cè)裝置33還與所述第二光纖22相連接。
[0058]其中，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31包括由第一光電導(dǎo)開光311和第一天線312構(gòu)成的第一光混頻器。具體地，所述第一光纖21與第一光電導(dǎo)開光311相連，產(chǎn)生的連續(xù)太赫茲光由所述第一天線312輻射出。需要說明的是，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31還包括與所述第一光電導(dǎo)開光311相連的偏壓裝置313，用于給所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置31加偏壓。本實(shí)施例中，所述第一光混頻器的第一光電導(dǎo)開關(guān)311選擇為GaAs材料,帶寬可至3THz，發(fā)射的連續(xù)太赫茲波輻射功率可達(dá)I微瓦,信噪比最高可達(dá)80db。
[0059]根據(jù)測(cè)量模式的不同，所述透射/反射光路裝置32為透射光路裝置或者反射光路裝置，分別由不同離軸度的離軸拋物面鏡組321和太赫茲超透鏡322構(gòu)成。具體為:如圖1所示，所述透射光路裝置由一組90°離軸拋物面鏡321和一組焦距為50mm的太赫茲超透鏡322組成，樣品置于透鏡322焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光穿透樣品5 ;如圖2所示，所述反射光路裝置由一組45°離軸拋物面鏡321和一組焦距為50mm的太赫茲超透鏡322組成，樣品置于透鏡322焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光被樣品5反射。
[0060]所述相干探測(cè)裝置33包括由第二光電導(dǎo)開關(guān)331和第二天線332構(gòu)成的第二光混頻器，所述第二光電導(dǎo)開關(guān)331與第二光纖22相連，所述第二天線332接收經(jīng)過所述透射/反射光路裝置32收集后的太赫茲光，激光信號(hào)與太赫茲光信號(hào)在所述第二光電導(dǎo)開關(guān)332處相干耦合產(chǎn)生響應(yīng)光電流，通過轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再由一鎖相探測(cè)器4進(jìn)行讀取檢測(cè)。具體地，本實(shí)施例中，所述鎖相探測(cè)器4為鎖相放大器。
[0061]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方式，以下將詳細(xì)說明本發(fā)明的相關(guān)原理及具體使用本發(fā)明探測(cè)系統(tǒng)的方法。
[0062]本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)聯(lián)系太赫茲光譜探測(cè)的方法，所述方法至少包括以下步驟:
[0063]首先執(zhí)行步驟I)，對(duì)第一激光器和第二激光器施加偏壓出光，經(jīng)過功率放大器之后的激光信號(hào)分成兩束，一束由第一光纖耦合進(jìn)入連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置，在所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置上加偏壓后，產(chǎn)生太赫茲輻射并發(fā)射；另一束激光信號(hào)進(jìn)入第二光纖。
[0064]本實(shí)施例以測(cè)試大氣的太赫茲光譜為例，采用如圖1所示的透射模式進(jìn)行光譜測(cè)量，第一激光器和第二激光器米用DFB激光器,第一光纖和第二光纖的長(zhǎng)度由電壓調(diào)制器來調(diào)節(jié)，具體操作步驟如下:
[0065]1-1)驅(qū)動(dòng)DFB激光器，驅(qū)動(dòng)電壓為9V，在溫度調(diào)制器沒打開的情況下，兩臺(tái)激光器的中心波長(zhǎng)為855nm ；
[0066]1-2)等兩臺(tái)激光器穩(wěn)定之后，再打開功率放大器，等待約30秒，功率放大器穩(wěn)定；
[0067]1-3)打開光纖的電壓調(diào)制器，選擇正弦調(diào)制信號(hào)U = U0Sin (2 π fs t)，電壓幅值為80V, fs為電壓調(diào)制頻率，設(shè)為IkHz。
[0068]然后執(zhí)行步驟2)，產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過置于透射/反射光路裝置中的樣品后，與第二光纖的激光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入相干探測(cè)模塊，兩束光耦合產(chǎn)生光電流并由鎖相探測(cè)器對(duì)光電流信號(hào)進(jìn)行讀取。
[0069]本步驟的具體操作過程為:
[0070]2-1)外加1V偏置電壓與第一光混頻器(Tx)差頻產(chǎn)生連續(xù)的太赫茲輻射；
[0071]2-2)采用透射模式光路，測(cè)試大氣的太赫茲光譜，光路中無(wú)任何目標(biāo)阻擋太赫茲波(即相當(dāng)于樣品為大氣)，光路置于開放的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，空氣相對(duì)濕度為35%，溫度為24。。。
[0072]2-3)打開相干探測(cè)模塊的鎖相放大器，對(duì)第二光電導(dǎo)開關(guān)的響應(yīng)光電流進(jìn)行探測(cè)。
[0073]最后執(zhí)行步驟3)，調(diào)節(jié)所述第一激光器和第二激光器，改變兩者頻率，通過差頻實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜的頻域掃描，其中，在每個(gè)頻點(diǎn)處，第二光纖中的激光信號(hào)和接收到的太赫茲光輸入相干探測(cè)模塊，采樣一個(gè)相干周期內(nèi)的信號(hào)確定極大值，最后綜合各個(gè)頻點(diǎn)處的極大值獲得太赫茲頻域光譜圖。
[0074]具體地，設(shè)定測(cè)試激光器溫控調(diào)制范圍為4°C?49°C，對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率范圍為0.2?1.8THz，頻率掃描步長(zhǎng)為50MHz。系統(tǒng)在整個(gè)頻段內(nèi)的平均信噪比大于60db，太赫茲光譜的分辨率為50MHz。
[0075]最終獲得的大氣太赫茲光譜圖如圖3所示，內(nèi)插圖為箭頭所指低頻段水氣吸收峰放大示意圖。可以看出，光譜主要受到大氣中水氣的吸收影響，水氣在低頻段560GHz和750GHz附近的小的吸收峰在譜線中也能清晰的觀察到，對(duì)560GHz處的水氣吸收峰放大可知，該峰的半峰寬約為1GHz。
[0076]綜上所述，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法及系統(tǒng)，采用一對(duì)高穩(wěn)定性的單縱模近紅外激光器作為種子光源，利用光纖調(diào)制激光信號(hào)，光混頻器在外加偏壓下向外輻射出連續(xù)的太赫茲波；在信號(hào)接收端，采用光電導(dǎo)開關(guān)和天線對(duì)太赫茲波進(jìn)行相干探測(cè)。通過對(duì)激光器進(jìn)行溫度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)寬帶寬的差頻連續(xù)太赫茲輻射輸出。與常見的太赫茲時(shí)域脈沖光譜系統(tǒng)相比，該技術(shù)獲取的譜分辨率得到極大提高，對(duì)太赫茲光譜學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到很好的推動(dòng)作用。
[0077]所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0078]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0079]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)至少包括:光源模塊、調(diào)制光纖模塊和測(cè)試模塊； 所述光源模塊包括第一激光器、第二激光器、以及功率放大器，所述功率放大器通過光纖分別與所述第一激光器和第二激光器相連接； 所述光纖模塊包括由所述功率放大器輸出端接出的第一光纖和第二光纖，所述第一光纖和第二光纖分別通過電壓調(diào)制器調(diào)節(jié)激光信號(hào)的相位； 所述測(cè)試模塊包括連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置、透射/發(fā)射光路裝置以及相干探測(cè)裝置，所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置與所述第一光纖相連接；所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過所述透射/反射光路裝置收集并匯聚后入射至所述相干探測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，所述相干探測(cè)裝置還與所述第二光纖相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一激光器和第二激光器為單縱模分布式反饋近紅外激光器，通過一溫度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一激光器和第二激光器的中心波長(zhǎng)為855nm，通過所述溫度調(diào)制器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)50MHz?2THz的差頻輸出范圍，對(duì)應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)的范圍為O?50K。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述功率放大器輸出的激光信號(hào)通過一光纖分束器按1:1進(jìn)行信號(hào)分離，分離的信號(hào)分別進(jìn)入所述第一光纖和第二光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一光纖和第二光纖所選光纖的材質(zhì)、長(zhǎng)度和性能參數(shù)均相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖溫漂效應(yīng)的有效抑制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置包括由第一光電導(dǎo)開光和第一天線構(gòu)成的第一光混頻器，所述第一光纖與第一光電導(dǎo)開光相連，產(chǎn)生的連續(xù)太赫茲光由所述第一天線輻射出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:根據(jù)測(cè)量模式的不同，所述透射/反射光路裝置為透射光路裝置或者反射光路裝置，所述透射光路裝置由一組90°離軸拋物面鏡和一組焦距為50mm的太赫茲超透鏡組成，樣品置于透鏡焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光穿透樣品；所述反射光路裝置由一組45°離軸拋物面鏡和一組焦距為50_的太赫茲超透鏡組成，樣品置于透鏡焦點(diǎn)處，連續(xù)太赫茲光被樣品反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于:所述相干探測(cè)裝置包括由第二光電導(dǎo)開關(guān)和第二天線構(gòu)成的第二光混頻器，所述第二光電導(dǎo)開關(guān)與第二光纖相連，所述第二天線接收經(jīng)過所述透射/反射光路裝置收集后的太赫茲光，激光信號(hào)與太赫茲光信號(hào)在所述第二光電導(dǎo)開關(guān)處相干耦合產(chǎn)生響應(yīng)光電流，通過轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再由一鎖相探測(cè)器進(jìn)行讀取檢測(cè)。
9.利用權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法，其特征在于，所述方法至少包括: 1)對(duì)第一激光器和第二激光器施加偏壓出光，經(jīng)過功率放大器之后的激光信號(hào)分成兩束，一束由第一光纖耦合進(jìn)入連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置，在所述連續(xù)太赫茲光產(chǎn)生裝置上加偏壓后，產(chǎn)生太赫茲輻射并發(fā)射；另一束激光信號(hào)進(jìn)入第二光纖； 2)產(chǎn)生的太赫茲光經(jīng)過置于透射/反射光路裝置中的樣品后，與第二光纖的激光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入相干探測(cè)模塊，兩束光耦合產(chǎn)生光電流并由鎖相探測(cè)器對(duì)光電流信號(hào)進(jìn)行讀?。? 3)調(diào)節(jié)所述第一激光器和第二激光器，改變兩者頻率，通過差頻實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜的頻域掃描，其中，在每個(gè)頻點(diǎn)處，第二光纖中的激光信號(hào)和接收到的太赫茲光輸入相干探測(cè)模塊，采樣一個(gè)相干周期內(nèi)的信號(hào)確定極大值，最后綜合各個(gè)頻點(diǎn)處的極大值獲得太赫茲頻域光譜圖。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲光譜探測(cè)的方法，其特征在于:利用電壓調(diào)制器輸出正弦電壓信號(hào)來調(diào)制所述第一光纖和第二光纖的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的相位調(diào)制，完成連續(xù)太赫茲光的相干探測(cè)，系統(tǒng)在整個(gè)頻段內(nèi)的平均信噪比大于60db，太赫茲光譜的分辨率為50MHz。
【文檔編號(hào)】G01N21/3586GK104458645SQ201410742447
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】周濤, 曹俊誠(chéng), 吳義東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所