太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置及异脉冲探测方法
【专利摘要】本发明提供了一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置以及异脉冲探测方法，该异脉冲探测装置包括具有一定重复频率的飞秒激光产生部、分束部、太赫兹脉冲形成部、待检样品容纳部、太赫兹脉冲收集部、探测激光脉冲聚焦部、探测部、空间光程调制部、太赫兹脉冲还原部。由于空间光程调制部能够调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程差，使得太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍，因而该方法能够在整个光路系统确定的情况下，根据被测物体大小实时调整光程差，使得整个系统的设计不再受被测物体大小限制，摆脱了传统太赫兹时域光谱系统对被测物体体积的限制。
【专利说明】
太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置及异脉冲探测方法
技术领域
[0001]本发明属于太赫兹时域扫描领域，具体涉及一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置及异脉冲探测方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹波由于其具有相对较弱的光子能量而被称为“无损伤探测”的光学波段。由于生物分子的旋动及振动能级(即指纹光谱)大多处于太赫兹波段，可以利用该波段光子对生物分子结构进行分析及操控。因此，太赫兹波在生物医学成像、物质成分检测和鉴定方面具有重要应用价值。但总体看，太赫兹波在这些方面的研究仍处于实验室阶段，大规模的应用还面临诸多挑战。如现有太赫兹辐射源的功率较低，将限制太赫兹波对待检物体的穿透性;周围环境对太赫兹辐射的干扰，如水蒸气的吸收;太赫兹波成谱成像速度有待提高。而其中，制约太赫兹系统真正迈向小型化、走向实用化的一个重要因素是太赫兹时域扫描方式。
[0003]目前来说，太赫兹波时域信息的获得主要通过机械平移台的线性扫描。这种方法要求将激光光源输出的脉冲激光分成两束，其中一束作为栗浦光照射半导体天线，产生太赫兹辐射;另一束脉冲激光作为探测光照射到半导体天线，通过调节栗浦光与探测光所经过的空间光程，使产生的太赫兹脉冲与探测光的脉冲同时到达探测天线，然后利用机械平台平移的线性扫描完成探测光脉冲对太赫兹波时域信息的取样，从而还原出太赫兹波的时域信息。这种方法能够在较长的距离内实现精确的时域信息扫描，但是要求栗浦光与探测光之间的光程差必须相等，才能完成时域信息的扫描，因此光路设计与搭建过程极大的受限于光程差的要求；同时，整个系统对光程差的要求限制了被探测物体的体积，因此，极大的限制了其大规模应用。
【发明内容】
[0004]本发明是为解决上述问题而进行的，在目前常用的时域扫描方式基础之上进行改进，提供了一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置以及采用该装置进行太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法。本发明采用了如下技术方案:
[0005]本发明提供了一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置，具有:具有一定重复频率的飞秒激光产生部，输出重复频率稳定的飞秒激光;分束部，设置在重复频率被锁定的飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲;太赫兹脉冲形成部，设置在检测激光脉冲光路的上游，用于产生太赫兹辐射，形成太赫兹波;待检样品容纳部，设置在检测激光脉冲光路的下游，用于容纳待检样品；太赫兹脉冲收集部，用于对打在待检样品并被待检样品反射回的所述太赫兹脉冲进行收集;探测激光脉冲聚焦部，设置在探测激光脉冲光路的上游，用于对探测激光脉冲进行聚焦;探测部，同时探测在此合束的太赫兹脉冲以及探测激光脉冲的信息；空间光程调制部，调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程，使太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍；以及太赫兹脉冲还原部，采用探测激光脉冲对与之同时到达探测部的太赫兹脉冲的时域信息进行取样扫描，并对太赫兹脉冲的时域信息进行还原。
[0006]进一步的，具有一定重复频率的飞秒激光产生部包括:飞秒激光器，输出一定重复频率的飞秒激光，其谐振腔端部固定设置有压电陶瓷，用于栗浦光进入谐振腔后，形成拍频信号；光电探测器，设置在飞秒激光的光路上，捕获透过反射镜的飞秒激光，并采用可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差信号;低通滤波器，对误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号；前置放大器，对低频误差信号进行放大;环路控制器，在被放大的误差信号进入后输出补偿控制信号；以及调制升压放大器，驱动所述压电陶瓷产生位移量而改变腔长，让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定。
[0007]进一步的，本发明还提供了一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法，包括以下步骤:
[0008]步骤I，采用飞秒激光器输出一定重复频率的飞秒激光，飞秒激光进入设置有压电陶瓷的谐振腔后，形成拍频信号；
[0009]步骤2，采用光电探测器捕获透过反射镜的飞秒激光，并将可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差彳g号；
[0010]步骤3，采用低通滤波器对误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号；[0011 ]步骤4，采用前置放大器对低频误差信号进行放大；
[0012]步骤5，采用环路控制器在被放大的所述误差信号进入后输出补偿控制信号；
[0013]步骤6，采用调制升压放大器，驱动压电陶瓷产生位移量而改变腔长，让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定；
[0014]步骤7，采用分束部将重复频率锁定的飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲；
[0015]步骤8，采用太赫兹脉冲形成部产生太赫兹辐射，形成太赫兹波；
[0016]步骤9，采用太赫兹脉冲收集部对打在待检样品并被待检样品反射回的太赫兹脉冲进行汇聚；
[0017]步骤10，采用探测激光脉冲聚焦部对经过透镜的所述探测激光脉冲进行聚焦；
[0018]步骤11，采用探测部同时探测太赫兹脉冲以及所述探测激光脉冲的信息；
[0019]步骤12，采用空间光程调制部调节所述太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程差，使太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍；
[0020]步骤13，采用太赫兹脉冲还原部，采用探测激光脉冲对与之同时到达探测部的太赫兹脉冲的时域信息进行取样扫描，并对太赫兹脉冲的时域信息进行还原。
[0021]另外，太赫兹波脉冲到达所述探测部的目标脉冲为第n-m个，所述探测激光脉冲到达所述探测部的目标脉冲为第n-w个，该两个脉冲同时到达所述探测部的光程差应满足的条件为:
[0022]Δ =(I(n-m)-(n-w)I)c*k/f
[0023]其中，η为整数，代表经过分束部后的第一个脉冲;c为激光的传播速度，S卩，光速;k为介质的折射率;f为飞秒激光器的重复频率;n-m代表太赫兹光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第m个脉冲;ni代表参考激光脉冲光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第w个脉冲；。
[0024]发明作用与效果
[0025]根据本发明提供的太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置以及太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法，由于空间光程调制部能够调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程差，使得太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍，因而该方法能够在整个光路系统确定的情况下，根据被测物体大小实时调整光程差，使得整个系统的设计不再受被测物体大小限制，摆脱了传统太赫兹时域光谱系统对被测物体体积的限制；同时，由于可以利用异脉冲进行探测，整个光学系统的设计更趋向于小型化、实用化;更重要的是，该方法打破了时域光谱系统只能进行近距离物质成分分析的限制，对近场、远场物质皆可实现太赫兹波的时域信息扫描，从而将太赫兹时域光谱分析拓展到远距离成分分析以及物质检测。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置的结构示意图；
[0027]图2是本发明的具有一定重复频率的飞秒激光产生部的结构示意图；
[0028]图3是本发明的空间调制部进行空间调制的原理图；
[0029]图4是本发明的太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法用于电光晶体取样探测太赫兹脉冲信号的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图来说明本发明的【具体实施方式】。
[0031]图1是本实施例的太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置的结构示意图。
[0032]如图1所示，太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置100包括具有一定重复频率的飞秒激光产生部11、分束部12、凸透镜13、半导体天线14、抛物面镜15、高阻硅片16、待检样品容纳部17、太赫兹脉冲收集部18、探测部19、探测激光脉冲聚焦部20以及图中未显示出的空间光程调制部以及太赫兹脉冲还原部。其中，凸透镜13、半导体天线14、抛物面镜15、高阻硅片16组成了太赫兹脉冲形成部。
[0033]图2为本实施例中的具有一定重复频率的飞秒激光产生部的结构示意图。
[0034]如图2所示，具有一定重复频率的飞秒激光产生部11包括飞秒激光器111、光电探测器112、低通滤波器113、前置放大器114、环路控制器115以及调制升压放大器116。
[0035]飞秒激光器111产生一定重复频率的飞秒激光，其谐振腔端部固定设置有压电陶瓷(PZT)，用于栗浦光进入谐振腔后，形成拍频信号，频率为拍频信号的整数倍;光电探测器112设置在所述飞秒激光的光路上，其捕获极少量透过反射镜的飞秒激光，并采用可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差信号；低通滤波器113用于对光电探测器产生的误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号；前置放大器114用于对该低频误差信号进行放大;环路控制器115用于在该被放大的所述误差信号进入后输出补偿控制信号;调制升压放大器116用于驱动压电陶瓷产生位移量而改变腔长，从而让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定。
[0036]如图1所示，分束部12设置在重复频率被锁定的飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲。本实施例中，分束部为780nm分束片。
[0037]太赫兹脉冲形成部由凸透镜13、半导体天线14、抛物面镜15、高阻硅片16组成。凸透镜13对检测激光脉冲进行聚焦，半导体天线14被聚焦后的检测激光脉冲照射后，产生太赫兹辐射，形成太赫兹波，抛物面镜15用于对太赫兹波进行收集并汇聚，高阻硅片16对太赫兹波进行过滤，使得所需频率的太赫兹波透过。在本实施例中，抛物面镜15为镀金离轴抛物面镜。
[0038]待检样品容纳部17和高阻硅片临近，用于容纳待检样品。太赫兹脉冲汇收集18用于对打在待检样品并被待检样品反射回的太赫兹脉冲进行收集。本实施例中，太赫兹脉冲汇聚部18为镀金离轴抛物面镜。
[0039]探测激光脉冲聚焦部20设置在探测激光脉冲光路的上游，用于对探测激光脉冲进行汇聚。在本实施例中，探测激光脉冲聚焦部20为凸透镜。
[0040]探测部用于对同时到达的太赫兹脉冲以及探测激光脉冲同时进行探测；空间光程调制部用于调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程，使太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍;太赫兹脉冲还原部，采用探测激光脉冲对与之同时到达探测部的太赫兹脉冲的时域信息进行取样扫描，并对太赫兹脉冲的时域信息进行还原，得到待检样品的成分信息。
[0041 ]图3为本实施例中的空间调制部进行空间调制的原理图。
[0042]如图1和图3所示，假设太赫兹光路中到达探测部的脉冲为第n-5个，参考激光脉冲光路中到达探测部的脉冲为第n-8个，该两个脉冲同时到达探测部的光程差应满足的条件为:
[0043]Δ = ( I (n-5)-(n_8) | )c*k/f = 3c*k/f
[0044]其中，n为整数，代表经过分束部后的第一个脉冲;n-5代表太赫兹光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第五个脉冲;n-8代表参考激光脉冲光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第八个脉冲;c为激光的传播速度，即，光速;k为介质的折射率;f为飞秒激光器的重复频率。
[0045]空间调制部只需按照上述公式进行光程差的调制即可实现两个不同的脉冲同时达到目标物。此时，可以利用第(n-8)个探测激光脉冲完成第(n-5)个太赫兹脉冲的时域信号取样扫描，从而还原出太赫兹脉冲。
[0046]在传统的调节方法中，由于传统的太赫兹时域探测方式激光光源重复频率不锁定，必须控制探测光路同时到达目标的脉冲也是第n-5个才能在目标点合束，然后利用机械平移台的线性扫描完成探测光脉冲对太赫兹波时域信息的取样，从而还原出太赫兹波的时域信息。
[0047]图4是本实施例的太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法用于电光晶体取样探测太赫兹脉冲信号的结构示意图。
[0048]以下以具体例子对太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法进行详细说明。
[0049]如图4所示，电光晶体取样探测太赫兹脉冲信号的光路包括重复频率精确锁定的飞秒激光器11、分束部12、凸透镜13、半导体天线14、抛物面镜15、高阻硅片16、待检样品容纳部17、太赫兹脉冲收集部18、探测激光脉冲聚焦部20、电光晶体碲化锌(ZnTe)21、l/4波片22; PBS偏振分光棱镜23、光电探头TO24。
[0050]如图2和图4所示，采用太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法对电光晶体取样探测太赫兹脉冲信号的方法包括如下步骤:
[0051]步骤I，飞秒激光器111输出一定重复频率的飞秒激光，该飞秒激光作为栗浦光进入谐振腔后，形成拍频信号；
[0052]步骤2，光电探测器112捕获透过反射镜的飞秒激光，并将可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差彳g号；
[0053]步骤3，低通滤波器113对误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号；
[0054]步骤4，前置放大器114对低频误差信号进行放大；
[0055]步骤5，环路控制器115在被放大的所述误差信号进入后输出补偿控制信号；
[0056]步骤6，调制升压放大器116驱动压电陶瓷产生位移量而改变腔长，让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定；
[0057]步骤7，分束部12将重复频率锁定的飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲；
[0058]步骤8，检测激光脉冲经凸透镜13进行聚焦后照射在半导体天线14上，产生太赫兹辐射，形成太赫兹波。太赫兹波由抛物面镜15收集并汇聚后，被高阻硅片16进行分束过滤，使得所需频率的太赫兹波透过。
[0059]步骤9，太赫兹波的透过部分打到待检样品容纳部17中的待检样品上并被反射，反射回的太赫兹脉冲再次经过高阻硅片16被反射到太赫兹脉冲收集部18上。太赫兹脉冲收集部18位于探测激光脉冲的光路上，其也为镀金抛物面镜，反射回的太赫兹脉冲经抛物面镜收集汇聚于电光晶体碲化锌21;
[0060]步骤10，探测激光脉冲聚焦部22对探测激光脉冲进行聚焦后的探测激光脉冲穿过太赫兹脉冲收集部18，也被汇聚在电光晶体碲化锌21上；
[0061]步骤11，空间光程调制部调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程差，使太赫兹脉冲与同时到达电光晶体碲化锌21的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍；
[0062]步骤12，碲化锌晶体21在太赫兹脉冲的影响下具有双折射效应，两束光路汇聚后经过1/4波片22调节偏振，并由PBS分束镜23分束后由光电探头PD24进行收集探测，利用线性平移台扫描完成样品信息探测。
[0063]实施例作用与效果
[0064]根据本实施例提供的太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置以及太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法，由于空间光程调制部能够调节太赫兹脉冲与探测激光脉冲所经过的空间光程差，使得太赫兹脉冲与同时到达探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍，因而该方法能够在整个光路系统确定的情况下，根据被测物体大小实时调整光程差，使得整个系统的设计不再受被测物体大小限制，摆脱了传统太赫兹时域光谱系统对被测物体体积的限制；同时，由于可以利用异脉冲进行探测，整个光学系统的设计更趋向于小型化、实用化;更重要的是，该方法打破了时域光谱系统只能进行近距离物质成分分析的限制，对近场、远场物质皆可实现太赫兹波的时域信息扫描，从而将太赫兹时域光谱分析拓展到远距离成分分析以及物质检测。
【主权项】
1.一种太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置，其特征在于，具有: 具有一定重复频率的飞秒激光产生部，输出重复频率稳定的飞秒激光； 分束部，设置在重复频率被锁定的所述飞秒激光的光路上，用于将所述飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲； 太赫兹脉冲形成部，设置在检测激光脉冲光路的上游，用于产生太赫兹辐射，形成太赫兹波； 待检样品容纳部，设置在检测激光脉冲光路的下游，用于容纳待检样品； 太赫兹脉冲收集部，用于对打在待检样品并被所述待检样品反射回的所述太赫兹脉冲进行收集； 探测激光脉冲聚焦部，设置在所述探测激光脉冲光路的上游，用于对所述探测激光脉冲进行聚焦； 探测部，同时探测在此合束的所述太赫兹脉冲以及所述探测激光脉冲的信息； 空间光程调制部，调节所述太赫兹脉冲与所述探测激光脉冲所经过的空间光程，使所述太赫兹脉冲与同时到达所述探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍;以及太赫兹脉冲还原部，采用所述探测激光脉冲对与之同时到达所述探测部的所述太赫兹脉冲的时域信息进行取样扫描，并对所述太赫兹脉冲的时域信息进行还原。2.根据权利要求1所述的太赫兹波时域信息的异脉冲探测装置，其特征在于: 其中，所述具有一定重复频率的飞秒激光产生部包括: 飞秒激光器，输出一定重复频率的飞秒激光，其谐振腔端部固定设置有压电陶瓷，用于栗浦光进入谐振腔后，形成拍频信号； 光电探测器，设置在所述飞秒激光的光路上，捕获透过反射镜的飞秒激光，并采用可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的所述飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差信号； 低通滤波器，对所述误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号； 前置放大器，对所述低频误差信号进行放大； 环路控制器，在被放大的所述误差信号进入后输出补偿控制信号；以及调制升压放大器，驱动所述压电陶瓷产生位移量而改变腔长，让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定。3.—种太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I，采用飞秒激光器输出一定重复频率的飞秒激光，所述飞秒激光进入设置有压电陶瓷的谐振腔后，形成拍频信号； 步骤2，采用光电探测器捕获透过反射镜的飞秒激光，并将可调谐偏转信号作为参考，与其探测得到的所述飞秒激光器的重复频率进行混频，产生一个代表激光器重复频率与标准频率差的误差彳g号； 步骤3，采用低通滤波器对所述误差信号中的高频信号进行滤除，得到低频误差信号； 步骤4，采用前置放大器对所述低频误差信号进行放大； 步骤5，采用环路控制器在被放大的所述误差信号进入后输出补偿控制信号； 步骤6，采用调制升压放大器，驱动所述压电陶瓷产生位移量而改变腔长，让重复频率动态跟踪补偿控制信号，实现重复频率的锁定； 步骤7，采用分束部将重复频率锁定的所述飞秒激光分成相互垂直的检测激光脉冲和探测激光脉冲； 步骤8，采用太赫兹脉冲形成部产生太赫兹辐射，形成太赫兹波； 步骤9，采用太赫兹脉冲汇聚部对打在待检样品并被所述待检样品反射回的所述太赫兹脉冲进行汇聚； 步骤10，采用探测激光脉冲聚焦部对经过透镜的所述探测激光脉冲进行聚焦； 步骤11，采用探测部同时探测所述太赫兹脉冲以及所述探测激光脉冲的信息； 步骤12，采用空间光程调制部调节所述太赫兹脉冲与所述探测激光脉冲所经过的空间光程差，使所述太赫兹脉冲与同时到达所述探测部的探测激光脉冲相差相邻脉冲间隔的整数倍； 步骤13，采用太赫兹脉冲还原部对与之同时到达所述探测部的所述太赫兹脉冲的时域信息进行取样扫描，并对所述太赫兹脉冲的时域信息进行还原。4.根据权利要求3所述的太赫兹波时域信息的异脉冲探测方法，其特征在于: 其中，所述太赫兹波脉冲到达所述探测部的目标脉冲为第n-m个，所述探测激光脉冲到达所述探测部的目标脉冲为第n-w个，该两个脉冲同时到达所述探测部的光程差应满足的条件为: Δ =( (n-m)-(n-w)|)c*k/f 其中，n为整数，代表经过分束部后的第一个脉冲;c为激光的传播速度，S卩，光速;k为介质的折射率;f为飞秒激光器的重复频率;n-m代表太赫兹光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第m个脉冲;η-w代表参考激光脉冲光路中到达探测部的脉冲是经过分束部后的第w个脉冲。
【文档编号】G01N21/3586GK105866061SQ201610195181
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】李敏, 殷晨晖, 曾和平
【申请人】上海理工大学