本發(fā)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制連續(xù)激光實現(xiàn)飛秒激光光源重復頻率精密調節(jié)，從而實現(xiàn)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：

太赫茲由于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(yī)學成像、物質成份檢測和鑒定方面具有重要應用價值。但目前制約太赫茲系統(tǒng)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：基于機械平移臺的采樣探測；異步光學采樣探測方法；基于光纖延遲線的采樣探測。這幾種方法各有其弊端。

基于機械平移臺的采樣探測具有時間精度高的優(yōu)點，但由于其機械慣性，其掃描速度受到限制。因此，較難實現(xiàn)太赫茲快速掃描。

異步光學采樣探測不需要機械式延遲導軌，不用確定零時間點，并且，這種方法的測量精度和分辨率大幅度提高。但是，此方法需要兩臺重復頻率精確鎖定并具有一定差值的飛秒激光光源，此光源對工作環(huán)境要求高，系統(tǒng)復雜，并且成本高，不利于走向實用化。

基于光纖延遲線的采樣探測，其掃描頻率在千赫茲量級，掃描窗口可以達到上百皮秒。但是由于光纖的存在，入射光的強度受到限制，并且在光纖傳輸中會發(fā)生展寬、色散以及損耗等現(xiàn)象，光纖的長度抖動也會帶來采樣時間的抖動,給電場的掃描帶來不利因素。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前太赫茲時域掃描存在的不足，提出一種基于精密電光調制作用實現(xiàn)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(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種太赫茲光譜成像系統(tǒng)，其包括：

飛秒脈沖產生裝置，用于輸出重復頻率鎖定且可主動調節(jié)的飛秒脈沖；

分束器，用于將所述飛秒脈沖進行分束；

太赫茲產生裝置，用于產生太赫茲脈沖；

太赫茲收集裝置，用于收集太赫茲脈沖；

太赫茲探測裝置，用于對所述太赫茲脈沖的時域電場進行探測。

作為優(yōu)選方案，所述飛秒脈產生裝置包括：

電脈沖產生模塊，用于將信號源輸出的頻率為f的電信號作用到階躍恢復二極管，在負載上輸出重復頻率為f、脈沖寬度為階躍二極管階躍時間t的電脈沖信號；

連續(xù)激光光源；

強度調制模塊，用于將所述連續(xù)激光光源輸出的單縱模連續(xù)激光調制成輸出重復頻率與所述電脈沖信號的重復頻率相同，脈沖寬度與所述電脈沖信號的寬度相似的激光脈沖信號；

多級級聯(lián)放大模塊，用于將所述激光脈沖信號的激光功率進行放大；

非線性放大模塊，用于將在多級級聯(lián)放大后的激光脈沖信號的光譜寬度和能量進行放大；

脈寬壓縮模塊，用于將在非線性放大后的激光脈沖信號的脈沖寬度進行壓縮至飛秒級。

作為優(yōu)選方案，所述階躍時間t為皮秒級。

作為優(yōu)選方案，所述連續(xù)激光光源為單縱模cw激光器、半導體激光器、光纖激光器或固體激光器。

作為優(yōu)選方案，所述強度調制模塊為電光調制器、mzi調制器或半導體調制器。

作為優(yōu)選方案，所述多級級聯(lián)放大模塊為光纖放大器、固體放大器、薄片激光器、陶瓷放大器中的一種。

所述多級級聯(lián)放大和非線性放大的方法均為分離脈沖放大，啁啾脈沖放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補償?shù)姆蔷€性放大，以及這些方法的組合等。

一種基于前所述的太赫茲光譜成像系統(tǒng)的快速掃描方法，其包括如下步驟：

將飛秒脈沖產生裝置輸出的飛秒脈沖激光利用分束器分束成兩束激光，記為第一激光束和第二激光束；

將所述第一激光束照射在光電導天線或電光晶體上，產生太赫茲脈沖；

利用太赫茲收集裝置將所述太赫茲脈沖進行收集，并輸入至太赫茲探測裝置中；

將所述第二激光束作為參考光，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沖偏離a個脈沖信號；

改變電脈沖信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒脈沖激光的重復頻率進行主動調節(jié)，改變參考光與太赫茲脈沖的時間延時，完成對太赫茲脈沖的取樣過程，實現(xiàn)太赫茲脈沖時域掃描。

作為優(yōu)選方案，所述飛秒脈沖激光的生成方法為：

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管，隨著輸入信號的周期性變化，在負載上輸出重復頻率為f，脈沖寬度為階躍恢復二極管階躍時間t的電脈沖信號；

將連續(xù)激光光源輸出的單縱模連續(xù)激光輸入強度調制模塊，利用所述電脈沖信號對強度調制模塊進行調制，輸出重復頻率與電脈沖信號的重復頻率相同，脈沖寬度與電脈沖信號寬度相似的激光脈沖信號；

將所述激光脈沖信號進行功率調節(jié)、脈沖寬度調節(jié)和能量調節(jié)后，得到飛秒脈沖激光。

作為優(yōu)選方案，所述激光脈沖信號的功率調節(jié)是通過多級級聯(lián)放大模塊實現(xiàn)的。

作為優(yōu)選方案，所述激光脈沖信號的脈沖寬度和能量的調節(jié)是通過非線性放大模塊和脈寬壓縮模塊實現(xiàn)的。

以上對激光脈沖進行展寬與放大的過程可以采用多種方式，亦可改變順序，如放大同時展寬，預先放大后展寬再放大等。

放大器的種類可以為光纖(保偏，faradaymirror+單模),固體,thindisk,ceramic，cpa，分離脈沖放大，啁啾脈沖放大，自相似放大，孤子放大，高階色散補償?shù)姆蔷€性放大，以及這些方法的組合等。通過調節(jié)信號源輸出電信號的重復頻率f，可實現(xiàn)對該飛秒激光重復頻率的主動調節(jié)，該輸出電信號重復頻率的變化可以為連續(xù)變化、快速變化、慢速變化、階躍式變化、多脈沖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激光泵浦源泵浦光電導天線或電光晶體，產生太赫茲脈沖的裝置。將重頻鎖定且可主動調節(jié)的飛秒激光脈沖輸入分束器，將激光脈沖分為兩束，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沖收集并輸入探測器件。

太赫茲探測裝置指將分出來的另一束激光作為參考光來探測產生的太赫茲脈沖，并通過重復頻率調節(jié)實現(xiàn)太赫茲脈沖的取樣裝置。通過空間距離的偏移使得光束中的參考光與太赫茲脈沖偏離a個脈沖，改變電脈沖信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒激光光源重復頻率進行調節(jié)，從而改變參考光與太赫茲脈沖的時間延時，完成對太赫茲脈沖的取樣過程，實現(xiàn)太赫茲脈沖時域掃描。由于電信號重復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(xù)掃描，快速掃描，慢速掃描，隨機掃描，編程掃描，多個脈沖遞增式掃描，階躍式掃描，亦可是多個掃描模式的組合。

參考光對太赫茲脈沖進行取樣探測的技術原理為：飛秒脈沖產生裝置輸出激光脈沖的重復頻率為f1，通過精密電光調制作用使其重復頻率變化為△f。由于參考光與太赫茲脈沖經過不同的空間光程后相互作用，當太赫茲波的第j個脈沖作用到探測器件上時，參考光的第j-a個脈沖同時作用到探測器件上。而由于激光重復頻率改變△f而引起的兩個脈沖之間的時間延時△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沖的空間光程差l1確定，由于△f《f，兩脈沖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，由于激光器的重復頻率可通過信號源連續(xù)調節(jié)，通過△f的連續(xù)變化，可以改變所掃描兩個脈沖之間的延時，從而實現(xiàn)參考光對太赫茲脈沖的取樣。

以飛秒脈沖重復頻率f1＝100mhz，參考光與太赫茲脈沖空間距離相差l1＝30m，c0＝3×10⁸m/s，n＝1為例，參考光與太赫茲脈沖作用到探測裝置的時間延時為△τ＝10^-15△f(s)。當激光器重復頻率改變100hz，即△f＝100時，作用到探測裝置的參考光與太赫茲脈沖時間間隔為100fs。因此，參考光對太赫茲脈沖的取樣精度由激光器重復頻率改變量決定，取樣時間間隔與激光器重復頻率改變量呈線性關系。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、掃描范圍廣：由于飛秒激光光源的重復頻率由信號源的輸出頻率決定，因此重復頻率調節(jié)范圍從mhz到mhz量級；

2、掃描準確度高：用精密電信號調制代替機械延遲線，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復頻率改變量決定，電光調制過程的精度變化可以在mhz量級，因此，相比傳統(tǒng)方法，太赫茲掃描過程中的取樣精度大大提高；

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性高：與異步采樣相比，精密電光調制的使用使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，受外界環(huán)境的影響降低，大大促進了其向應用方面的發(fā)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(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)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(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)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(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，飛秒脈沖產生裝置01輸出重復頻率可通過電光調制器鎖定并進行主動調節(jié)的飛秒激光脈沖。利用分束器02將激光脈沖分束，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)將產生的太赫茲脈沖收集并輸入太赫茲探測裝置05；將另一束激光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沖與太赫茲脈沖偏離a個脈沖信號。改變電脈沖信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒激光光源重復頻率進行調節(jié)，通過探測參考脈沖與太赫茲脈沖的頻率掃描采集到太赫茲脈沖信號，實現(xiàn)太赫茲脈沖時域掃描。

圖1中，飛秒脈沖產生裝置01輸出重復頻率為f，脈沖寬度在fs量級的飛秒激光脈沖。其中，101為電脈沖產生模塊，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管，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，脈沖寬度為階躍恢復二極管階躍時間t(ps量級)的電脈沖信號。102為連續(xù)激光光源，輸出連續(xù)激光到強度調制器103，強度調制器103由電脈沖產生裝置101輸出的ps量級電脈沖信號調制，從而得到脈沖寬度與電脈沖寬度相似、重復頻率與信號源輸出頻率一致的激光脈沖信號。連續(xù)激光光源104、107，波分復用器105、108，增益光纖106、109組成多級級聯(lián)放大模塊，對強度調制器103輸出的激光脈沖進行放大。放大后的激光脈沖輸入光譜展寬模塊110，展寬光譜。然后輸入由連續(xù)激光光源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，對激光功率進一步放大。最后將激光脈沖輸入脈寬壓縮模塊114，實現(xiàn)對激光脈寬壓縮，得到脈沖寬度在fs量級的激光光源。該fs激光光源重復頻率精確鎖定為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沖與參考脈沖具有不同的光程差，以達到參考脈沖與太赫茲脈沖的偏離。

在上述基礎上，改變電脈沖信號產生模塊中信號源的輸出頻率，對飛秒激光光源重復頻率進行調節(jié)，通過探測參考脈沖與太赫茲脈沖的頻率掃描采集到太赫茲脈沖信號，實現(xiàn)太赫茲脈沖時域掃描。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的具體實施方式，本發(fā)明的范圍不僅限于上述實施例所描述的范圍。

例如，圖1中的實施例是太赫茲光譜儀，而該基于精密電光調制的太赫茲信號掃描取樣方法同樣可適用于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(fā)明快速掃描方法流程圖，虛線代表電信號，實現(xiàn)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(xiàn)流程如下：首先，確定強度調制器頻率為一特定頻率，此時，產生的飛秒激光重復頻率與該頻率一致；利用此飛秒激光分束，一束產生太赫茲脈沖，照射在太赫茲探測裝置；另一束經過不同的空間路徑到達太赫茲探測裝置；太赫茲脈沖對探測脈沖產生一定影響，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沖與探測脈沖的延時差異決定；將此電壓信號取樣后反饋給強度調制器，改變強度調制器的頻率，從而改變飛秒激光重復頻率，此時到達太赫茲探測裝置的太赫茲脈沖與激光脈沖延時差異發(fā)生變化，輸出表示太赫茲脈沖某一時域信息的電壓信號，并通過取樣完成電壓信號的記錄。重復以上過程，以達到對整個太赫茲時域信息的取樣掃描。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。