一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明實(shí)施例涉及太赫茲檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的 裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（THz)是介于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，頻率為0.1 THz到 IOTHz之間。太赫茲所處的特殊頻段決定了其特殊的性質(zhì)，它不僅適合于生物醫(yī)學(xué)成像和 探測(cè)成像，而且是空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偵察、識(shí)別、致盲、對(duì)抗無線通信和反恐輯毒的有力工 具。在過去幾年里，太赫茲應(yīng)用已經(jīng)滲透到物理、傳感、通訊、生命科學(xué)等領(lǐng)域。
[0003] 太赫茲的應(yīng)用離不開太赫茲檢測(cè)技術(shù)，光電導(dǎo)采樣和電光采樣是兩種常用的太赫 茲檢測(cè)技術(shù)。由于電光采樣所需的探測(cè)脈沖能量低，所以具有更高的并行測(cè)量能力。同時(shí) 對(duì)于太赫茲而言，電光采樣具有更高的靈敏度和探測(cè)帶寬。
[0004] 傳統(tǒng)的電光采樣是基于利用電光效應(yīng)改變探測(cè)光偏振態(tài)，經(jīng)過檢偏器后檢測(cè)隨太 赫茲信號(hào)變換的探測(cè)光的強(qiáng)度來反應(yīng)太赫茲信號(hào)的強(qiáng)度，這種方法適用于低強(qiáng)度的太赫茲 信號(hào)的檢測(cè)，但是對(duì)于高強(qiáng)度的太赫茲信號(hào)來說，在測(cè)量過程中太赫茲信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，甚 至發(fā)生過度調(diào)制，從而無法正確反應(yīng)太赫茲信號(hào)的波形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置和方法，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量高強(qiáng)度的 太赫茲信號(hào)，并且測(cè)量到的太赫茲時(shí)域光譜線性度高，解決測(cè)量過程中高強(qiáng)度太赫茲信號(hào) 發(fā)生畸變，調(diào)制過度導(dǎo)致無法正確反應(yīng)太赫茲信號(hào)波形的問題。
[0006] 第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置，包括：
[0007] 展寬器，用于將超短脈沖展寬為啁啾脈沖，并根據(jù)展寬器特性確定所述皮秒啁啾 脈沖的脈沖頻率與時(shí)間的映射關(guān)系；
[0008] 分束器，用于將啁啾脈沖分為探測(cè)脈沖和參考脈沖；
[0009] 第一合束器，用于將太赫茲信號(hào)和所述探測(cè)脈沖進(jìn)行合束；
[0010] 電光采樣晶體，用于將合束的太赫茲信號(hào)加載到所述探測(cè)脈沖中，進(jìn)行相位調(diào) 制；
[0011] 光學(xué)延時(shí)器，用于調(diào)整所述參考脈沖與探測(cè)脈沖間的時(shí)時(shí)間延時(shí)；
[0012] 第二合束器，用于將所述探測(cè)脈沖和所述參考脈沖進(jìn)行合束，以形成合束光；
[0013] 透鏡，用于將所述合束光進(jìn)行聚焦處理；
[0014] 光譜儀，用于接收聚焦處理后的所述合束光，以形成干涉條紋，并獲取干涉條紋中 的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中，所述信號(hào)數(shù)據(jù)為有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)；
[0015] 處理器，用于確定參考數(shù)據(jù)和所述信號(hào)數(shù)據(jù)之間的相位差，其中，所述參考數(shù)據(jù)為 沒有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)；且用于根據(jù)所述相位差、所述太赫茲信號(hào)的相位與電 場強(qiáng)度關(guān)系、以及所述啁啾脈沖的頻率與時(shí)間的映射關(guān)系，獲得所述太赫茲信號(hào)的時(shí)域光 譜。
[0016] 第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的方法，包 括：
[0017] 將超短脈沖展寬為啁啾脈沖，并根據(jù)展寬器特性確定所述皮秒啁啾脈沖的脈沖頻 率與時(shí)間的映射關(guān)系；
[0018] 將啁啾脈沖利用分束器分為探測(cè)脈沖和參考脈沖；
[0019] 通過電光采樣技術(shù)將太赫茲信號(hào)加載到所述探測(cè)脈沖中，進(jìn)行相位調(diào)制；
[0020] 設(shè)定所述參考脈沖與探測(cè)脈沖間的時(shí)間延時(shí)；
[0021] 將所述探測(cè)脈沖和所述參考脈沖進(jìn)行合束，以形成合束光；
[0022] 將所述合束光進(jìn)行聚焦處理；
[0023] 將聚焦處理后的合束光輸入光譜儀，以獲取干涉條紋中的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中，所述信 號(hào)數(shù)據(jù)為有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)；
[0024] 確定參考數(shù)據(jù)和所述信號(hào)數(shù)據(jù)之間的相位差，其中，所述參考數(shù)據(jù)為沒有太赫茲 信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)；
[0025] 根據(jù)所述相位差、所述太赫茲信號(hào)的相位與電場強(qiáng)度關(guān)系、以及所述啁啾脈沖的 頻率與時(shí)間的映射關(guān)系，獲得所述太赫茲信號(hào)的時(shí)域光譜。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置和方法，該裝置通過 展寬器將超短脈沖展寬為啁啾脈沖；通過分光器將啁啾脈沖分為測(cè)探脈沖和參考脈沖；通 過電光采樣晶體實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)對(duì)探測(cè)脈沖的相位調(diào)制；通過光學(xué)延時(shí)器實(shí)現(xiàn)參考脈沖與 探測(cè)脈沖間的延時(shí)處理；通過第二合束器和透鏡分別將相位調(diào)制后的探測(cè)脈沖和延時(shí)處理 的參考脈沖合束、聚焦處理后，通過光譜儀形成干涉條紋，獲取干涉條紋的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過 處理器對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)以及預(yù)先獲取的參考數(shù)據(jù)，獲得太赫茲信號(hào)的時(shí)域光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量 高強(qiáng)度的太赫茲信號(hào)，并且測(cè)量到的太赫茲時(shí)域光譜線性度高，解決測(cè)量過程中高強(qiáng)度太 赫茲信號(hào)發(fā)生畸變，調(diào)制過度導(dǎo)致無法正確反應(yīng)太赫茲信號(hào)波形的問題。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例一提供的又一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例一提供的又一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置的光路 對(duì)照?qǐng)D；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩?述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便 于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0032] 實(shí)施例一
[0033] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種測(cè)量高強(qiáng)度太赫茲時(shí)域光譜的裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；其中，細(xì)虛線箭頭為參考脈沖，細(xì)實(shí)線箭頭探測(cè)脈沖，粗實(shí)線箭頭為探測(cè)脈沖與參考脈 沖合束后形成的合束光，帶箭尾的雙箭頭為啁啾脈沖，箭頭框?yàn)轱w秒超短脈沖，無箭尾雙 箭頭為太赫茲信號(hào)。該裝置包括：展寬器190、分束器110、第一合束器120、電光采樣晶體 130、光學(xué)延時(shí)器140、第二合束器150、透鏡160、光譜儀170和處理器180。
[0034] 其中，展寬器190,用于將超短脈沖展寬為啁啾脈沖，并根據(jù)展寬器特性確定所述 皮秒啁啾脈沖的脈沖頻率與時(shí)間的映射關(guān)系。
[0035] 分束器110,用于將啁啾脈沖分為探測(cè)脈沖和參考脈沖。
[0036] 第一合束器120,用于將太赫茲信號(hào)和所述探測(cè)脈沖進(jìn)行合束；其中，太赫茲信號(hào) 為高強(qiáng)度的太赫茲信號(hào)，第一合束器120可選為硅片。
[0037] 電光采樣晶體130,用于將合束的太赫茲信號(hào)加載到所述探測(cè)脈沖中，進(jìn)行相位調(diào) 制；具體的，通過電光采樣晶體130將太赫茲信號(hào)以相位延遲加載到探測(cè)脈沖中，調(diào)整探測(cè) 脈沖的偏振或旋轉(zhuǎn)電光采樣晶體使得太赫茲信號(hào)引入的相位延遲不會(huì)使探測(cè)脈沖的偏振 發(fā)生變化，在本實(shí)施例中，電光采樣晶體130可選為ZnTe〈110>電光晶體。
[0038] 光學(xué)延時(shí)器140,用于設(shè)定所述參考脈沖和探測(cè)脈沖間的延時(shí)時(shí)間處理。
[0039] 具體的，光學(xué)延時(shí)器140,將設(shè)定所述參考脈沖和探測(cè)脈沖間的延時(shí)時(shí)間，以使得 所述探測(cè)脈沖和所述參考脈沖進(jìn)行合束后形成的干涉條紋滿足設(shè)定條件，如形成的干涉的 條紋的間距不能過密或過稀疏，以便于進(jìn)行相位差的識(shí)別，從而能精確獲取干涉條紋的數(shù) 據(jù)。
[0040] 第二合束器150,用于將所述探測(cè)脈沖和所述參考脈沖進(jìn)行合束，以形成合束光。
[0041] 透鏡160,用于將所述合束光進(jìn)行聚焦處理。
[0042] 光譜儀170,用于接收聚焦處理后的所述合束光，以形成干涉條紋，并獲取干涉條 紋中的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中，所述信號(hào)數(shù)據(jù)為有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)。
[0043] 處理器180,用于確定參考數(shù)據(jù)和所述信號(hào)數(shù)據(jù)之間的相位差，其中，所述參考數(shù) 據(jù)為沒有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)；且處理器180用于根據(jù)所述相位差、所述太赫茲 信號(hào)的相位與電場強(qiáng)度關(guān)系、以及所述啁啾脈沖的頻率與時(shí)間的映射關(guān)系，獲得所述太赫 茲信號(hào)的時(shí)域光譜。
[0044] 上述裝置工作過程如下：展寬器190將超短脈沖展寬為啁啾脈沖，并根據(jù)展寬器 特性確定所述皮秒啁啾脈沖的脈沖頻率與時(shí)間的映射關(guān)系；分束器110將啁啾脈沖分為兩 束，探測(cè)脈沖和參考脈沖；首先探測(cè)脈沖和太赫茲信號(hào)經(jīng)過第一合束器120合束后，通過電 光采樣晶體130,進(jìn)行相位調(diào)制；參考脈沖經(jīng)光學(xué)延時(shí)器140適當(dāng)延時(shí)；然后，探測(cè)脈沖和 參考脈沖經(jīng)第二合束器150合束進(jìn)行合束，經(jīng)過聚焦處理，輸入到光譜儀170,形成干涉條 紋，獲取干涉條紋的信號(hào)數(shù)據(jù)；最后處理器180根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的參考數(shù)據(jù)與信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理，獲得太赫茲信號(hào)的時(shí)域光譜，其中，參考數(shù)據(jù)為沒有太赫茲信號(hào)時(shí)的干涉條紋數(shù)據(jù)， 根據(jù)參考數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)之間的相位差、太赫茲信號(hào)的相位與電場強(qiáng)度關(guān)系、以及啁啾脈 沖的頻率與時(shí)間的映射關(guān)系，獲得所述太赫茲信號(hào)的時(shí)域光譜。
[0045] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，如圖2和圖3所示，圖中，細(xì)虛線箭頭為參考脈沖，細(xì)實(shí)線 箭頭探測(cè)脈沖，粗實(shí)線箭頭為探測(cè)脈沖與參考脈沖合束后形成的合束光，帶箭尾的雙箭頭 為啁啾脈沖，箭頭框?yàn)轱w秒超短脈沖，無箭尾雙箭頭為太赫茲信號(hào)；所述裝置還包括：第一 拋物面鏡200和第二拋物面鏡210。
[0046] 其中第一拋物面鏡200,用于將合束的太赫茲信號(hào)和所述探測(cè)脈沖進(jìn)行聚焦處理； 第二拋物面鏡210,用于將調(diào)制后的所述探測(cè)脈沖進(jìn)行準(zhǔn)直處理。
[0047] 在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，如圖2和圖3所示，所述裝置還包括：反射鏡220,用于將 探測(cè)脈沖反射，以探測(cè)脈沖引入第一合束器120。
[0048] 在上述的實(shí)施例的基礎(chǔ)上，如圖2所示，處理器180包括：
[0049] 相位差確定模塊1801，具體用于按照如下公式確定所述參考數(shù)據(jù)和所述信號(hào)數(shù)據(jù) 之間的相位差：
[0050]
[0051] 其中，ω為脈沖頻率，I (ω)為光譜儀測(cè)得的加載有太赫茲信號(hào)干涉條紋的光譜， Iref (ω)為光譜儀測(cè)得的所述參考脈沖的光譜，ΙρΜ(ω)為光譜儀測(cè)得的所述探測(cè)脈沖的光 譜，β是干涉條紋對(duì)比度（亮條紋和暗條紋亮度之間的對(duì)比度），τ是探測(cè)脈沖與參考脈 沖之間的設(shè)定延時(shí)時(shí)間，Φι(ω)是所述電光采樣的晶體