本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電控光取樣系統(tǒng)及太赫茲時(shí)域光譜儀。

背景技術(shù)：

太赫茲時(shí)域光譜儀可以對(duì)太赫茲電場(chǎng)進(jìn)行相干測(cè)量，能夠得到樣品的復(fù)折射率、介電常數(shù)和電導(dǎo)率等參數(shù)，通過分析這些參數(shù)可以得到樣品的物理化學(xué)信息，具有重要的應(yīng)用前景。

然而，現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜儀通常采用機(jī)械延時(shí)裝置(即，步進(jìn)電機(jī)控制線性平移臺(tái))來實(shí)現(xiàn)相位延時(shí)控制，存在光束傳播方向不穩(wěn)定，光斑大小由于色散而存在變化，掃描速度慢等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電控光取樣系統(tǒng)及太赫茲時(shí)域光譜儀，旨在解決現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜儀通常采用機(jī)械延時(shí)裝置來實(shí)現(xiàn)相位延時(shí)控制，存在光束傳播方向不穩(wěn)定，光斑大小由于色散而存在變化，掃描速度慢等缺點(diǎn)的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種電控光取樣系統(tǒng)，其包括第一激光模塊、第二激光模塊、第一分束器、第二分束器、第一光電傳感器、第二光電傳感器、相位探測(cè)器、加法器和函數(shù)發(fā)生器，所述第一激光模塊包括壓電傳感器；

所述第一分束器通過光纖與所述第一激光模塊連接，所述第二分束器通過光纖與所述第二激光模塊連接，所述第一光電傳感器和所述第二光電傳感器均與所述相位探測(cè)器連接，所述相位探測(cè)器和所述函數(shù)發(fā)生器均與所述加法器連接，所述加法器與所述壓電傳感器連接；

所述函數(shù)發(fā)生器輸出相位調(diào)制信號(hào)，所述壓電傳感器根據(jù)所述相位調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)所述第一激光模塊的腔體長(zhǎng)度，控制所述第一激光模塊發(fā)射預(yù)設(shè)相位的泵浦脈沖，所述第一分束器將所述泵浦脈沖分束為透射泵浦脈沖和反射泵浦脈沖，其中，所述反射泵浦脈沖發(fā)射至所述第一光電傳感器；所述第一光電傳感器將所述反射泵浦脈沖轉(zhuǎn)換為第一電脈沖信號(hào)并傳遞給所述相位探測(cè)器；

所述第二激光模塊發(fā)射與所述泵浦脈沖之間具有預(yù)設(shè)相位差的探測(cè)脈沖，所述第二分束器將所述探測(cè)脈沖分束為透射探測(cè)脈沖和反射探測(cè)脈沖，其中，所述反射探測(cè)脈沖發(fā)射至所述第二光電傳感器；所述第二光電傳感器將所述反射探測(cè)脈沖轉(zhuǎn)換為第二電脈沖信號(hào)并傳遞給所述相位探測(cè)器；

所述相位探測(cè)器探測(cè)所述預(yù)設(shè)相位差，并生成與所述預(yù)設(shè)相位差線性正相關(guān)的電壓信號(hào)；所述函數(shù)發(fā)生器持續(xù)輸出所述相位調(diào)制信號(hào)；所述加法器對(duì)所述電壓信號(hào)和所述相位調(diào)制信號(hào)進(jìn)行疊加并輸出給所述壓電傳感器；所述壓電傳感器根據(jù)所述加法器輸出的信號(hào)反饋調(diào)節(jié)所述第一激光模塊的腔體長(zhǎng)度。

本發(fā)明還提供一種太赫茲時(shí)域光譜儀，其包括上述的電控光取樣系統(tǒng)，還包括：

通過光纖與所述電控光取樣系統(tǒng)連接，接收所述透射泵浦脈沖和所述透射探測(cè)脈沖，并將所述透射泵浦脈沖和所述透射探測(cè)脈沖轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)的太赫茲模塊；以及

與所述太赫茲模塊連接，將所述電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并處理的數(shù)據(jù)處理模塊。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

通過采用電控光取樣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)時(shí)域掃描，并采用光纖取代傳統(tǒng)的自由空間傳輸光信號(hào)，提高了掃描速度、保證了光束傳播的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的電控光取樣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的電控光取樣系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例三提供的電控光取樣系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例四提供的太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明中的電控光取樣系統(tǒng)指的是基于電控光取樣(ECOPS，ElectronicallyControlled Optical Sampling)技術(shù)的硬件系統(tǒng)，以下各實(shí)施例均基于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例一：

如圖1所示，本實(shí)施例提供的電控光取樣系統(tǒng)100，其包括第一激光模塊101、第二激光模塊102、第一分束器103、第二分束器104、第一光電傳感器105、第二光電傳感器106、相位探測(cè)器107、加法器108和函數(shù)發(fā)生器109，其中，第一激光模塊101包括壓電傳感器6。

本實(shí)施例中，第一分束器103通過光纖與第一激光模塊101連接，第二分束器104通過光纖與第二激光模塊102連接，第一光電傳感器105和第二光電傳感器106均與相位探測(cè)器107連接，相位探測(cè)器107和函數(shù)發(fā)生器109均與加法器108連接，加法器108與壓電傳感器連接。圖中空心箭頭代表光信號(hào)傳播方向，實(shí)心箭頭代表電信號(hào)傳播方向。

在具體應(yīng)用中，光纖可采用保偏單模光纖，以保證光路穩(wěn)定不發(fā)生抖動(dòng)。

在具體應(yīng)用中，第二激光模塊102可選用摻鉺激光器。

在本實(shí)施例中，所述透射泵浦脈沖的能量大于所述反射泵浦脈沖的能量，所述透射探測(cè)脈沖的能量大于所述反射探測(cè)脈沖的能量。

在具體應(yīng)用中，第一分束器103和第二分束器104的透反比可以為9:1，即透過第一分束器103和第二分束器104的透射脈沖的能量與第一分束器103和第二分束器104所反射的反射脈沖的能量比為9:1。

本實(shí)施例中，第一光電傳感器105和第二光電傳感器106均為光電二極管。

本實(shí)施例所提供的電控光取樣系統(tǒng)100的工作原理為：

函數(shù)發(fā)生器109輸出相位調(diào)制信號(hào)控制壓電傳感器6調(diào)節(jié)第一激光模塊101的腔體長(zhǎng)度，使第一激光模塊101發(fā)射預(yù)設(shè)相位的泵浦脈沖，第一分束器103將所述泵浦脈沖分束為透射泵浦脈沖和反射泵浦脈沖，其中，反射泵浦脈沖發(fā)射至第一光電傳感器105；第一光電傳感器105將反射泵浦脈沖轉(zhuǎn)換為第一電脈沖信號(hào)并傳遞給相位探測(cè)器107；

第二激光模塊102發(fā)射探測(cè)脈沖，所述泵浦脈沖與所述探測(cè)脈沖之間具有預(yù)設(shè)相位差，第二分束器104將探測(cè)脈沖分束為透射探測(cè)脈沖和反射探測(cè)脈沖，其中，反射探測(cè)脈沖發(fā)射至第二光電傳感器106；第二光電傳感器106將反射探測(cè)脈沖轉(zhuǎn)換為第二電脈沖信號(hào)并傳遞給相位探測(cè)器107；

相位探測(cè)器107探測(cè)所述預(yù)設(shè)相位差，并生成與所述預(yù)設(shè)相位差線性正相關(guān)的電壓信號(hào)；函數(shù)發(fā)生器109持續(xù)輸出所述相位調(diào)制信號(hào)；加法器108將所述電壓信號(hào)和所述相位調(diào)制信號(hào)疊加后輸出給壓電傳感器6；壓電傳感器6根據(jù)加法器108輸出的信號(hào)反饋調(diào)節(jié)第一激光模塊101的腔體長(zhǎng)度，以反饋調(diào)節(jié)所述泵浦脈沖的相位，進(jìn)而反饋調(diào)節(jié)所述泵浦脈沖相對(duì)于所述探測(cè)脈沖的延時(shí)時(shí)間。

在具體應(yīng)用中，若要改變所述預(yù)設(shè)相位差，只需要改變所述相位調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率，即可使壓電傳感器6根據(jù)所述相位調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)第一激光模塊101的腔體長(zhǎng)度，從而改變第一激光模塊發(fā)射的泵浦脈沖的相位，以達(dá)到改變所述泵浦脈沖和所述探測(cè)脈沖之間相位差的目的。

本實(shí)施例中，所述泵浦脈沖和所述探測(cè)脈沖均為激光脈沖，本實(shí)施例中僅是為了對(duì)相同性質(zhì)的脈沖進(jìn)行區(qū)別，而采用不同命名。

本實(shí)施例通過采用電控光取樣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)時(shí)域掃描，并采用光纖取代傳統(tǒng)的自由空間傳輸光信號(hào)，提高了掃描速度、保證了光束傳播的穩(wěn)定性。

在一具體實(shí)施例中，電控光取樣系統(tǒng)100的工作原理為：

控制第二激光模塊102輸出重復(fù)頻率穩(wěn)定的探測(cè)脈沖作為參考脈沖(本實(shí)施例中，采用TOPTICA公司生產(chǎn)的重復(fù)頻率為100MHz的摻鉺光纖激光器輸出參考脈沖)；壓電傳感器6調(diào)節(jié)第一激光模塊101的腔長(zhǎng)，使其輸出重復(fù)頻率可變的泵浦脈沖，泵浦脈沖的重復(fù)頻率與第一激光模塊101的腔長(zhǎng)的關(guān)系式為：

f＝c/2L；

其中，f為第一激光模塊輸出的泵浦脈沖的重復(fù)頻率，c為光傳播速度，L為第一激光模塊的腔長(zhǎng)；當(dāng)f等于100MHz時(shí)，第一激光模塊和第二激光模塊在時(shí)域上相位同步；

函數(shù)發(fā)生器109輸出相位調(diào)制信號(hào)，控制壓電傳感器6調(diào)節(jié)第一激光模塊101的腔長(zhǎng)，使第一激光模塊101輸出的泵浦脈沖的重復(fù)頻率發(fā)生改變，從而使所述泵浦脈沖與所述參考脈沖之間存在相位差，進(jìn)而使所述泵浦脈沖與所述參考脈沖之間存在時(shí)域上的延時(shí)。

在具體應(yīng)用中，當(dāng)?shù)谝患す饽K101的腔長(zhǎng)增長(zhǎng)120nm時(shí)，即可在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)每次0.4fs的延時(shí)，當(dāng)?shù)谝患す饽K101輸出的第一束泵浦脈沖相對(duì)所述參考脈沖在時(shí)域上同步時(shí)，若使第一激光模塊101的腔長(zhǎng)增長(zhǎng)120nm，則可實(shí)現(xiàn)第一激光模塊101輸出的第二束泵浦脈沖相對(duì)于第二激光模塊輸出的的第二束探測(cè)脈沖則有0.4fs的延時(shí)，二者的第三束脈沖之間則有0.8fs的延時(shí)，以此類推；假如維持第一激光模塊101的腔長(zhǎng)增長(zhǎng)120nm持續(xù)1ms，則可使二個(gè)激光模塊輸出的第10⁵束脈沖之間有40ps的延時(shí)。

將上述在1ms內(nèi)可實(shí)現(xiàn)40ps延時(shí)的電控光取樣系統(tǒng)應(yīng)用與太赫茲時(shí)域光譜儀，即可使該時(shí)域光譜儀具有40ps的掃描范圍、掃描頻率最大為1kHz、取樣分辨率為0.4fs。

本實(shí)施例所提供的電控光取樣系統(tǒng)只需通過改變函數(shù)發(fā)生器輸出的相位調(diào)制信號(hào)的幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基于該電控光取樣系統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜儀的掃描頻率、掃描范圍和取樣分辨率的控制。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，對(duì)第一激光模塊101的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

如圖2所示，第一激光模塊101包括激光器1、波分復(fù)用器2、耦合器3、偏振控制器4、電光調(diào)制器5、壓電傳感器6、可調(diào)諧濾波器7、光隔離器8和光纖放大器9。

激光器1、波分復(fù)用器2、耦合器3、偏振控制器4、電光調(diào)制器5、壓電傳感器6、可調(diào)諧濾波器7、光隔離器8和光纖放大器9通過光纖依次首尾連接，構(gòu)成環(huán)形諧振腔。

在具體應(yīng)用中，激光器1可選用980nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。

在具體應(yīng)用中，電光調(diào)制器5可選用鈮酸鋰(LiNbO₃)調(diào)制器。

在具體應(yīng)用中，光纖放大器3可選用摻鉺光纖放大器。

本實(shí)施例提供的第一激光模塊101的工作原理為：

激光器1發(fā)射泵浦光源，該泵浦光源經(jīng)波分復(fù)用器2耦合到耦合器3，耦合器3將泵浦光源傳輸給偏振控制器4，偏振控制器4調(diào)節(jié)泵浦光源的偏振狀態(tài)后輸出給電光調(diào)制器5，電光調(diào)制器5將偏振控制器4輸出的泵浦光源調(diào)制為預(yù)設(shè)相位的泵浦光源后輸出給壓電傳感器6，壓電傳感器6根據(jù)函數(shù)發(fā)生器109輸出的相位調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔的腔體長(zhǎng)度，以調(diào)節(jié)所述預(yù)設(shè)相位的泵浦光源的頻率，可調(diào)諧濾波器7將所述預(yù)設(shè)相位的泵浦光源調(diào)節(jié)為單一波長(zhǎng)的激光脈沖，光隔離器8將所述單一波長(zhǎng)的泵浦光源單向傳輸至光纖放大器9，光纖放大器9將所述單一波長(zhǎng)的泵浦光源增益放大為泵浦脈沖，波分復(fù)用器2將所述泵浦脈沖耦合至耦合器3，耦合器3將所述泵浦脈沖的一部分耦合至第一分束器103、另一部分耦合至偏振控制器4。

在具體應(yīng)用中，可調(diào)諧濾波器7將所述預(yù)設(shè)相位的泵浦光源調(diào)節(jié)為波長(zhǎng)為1550nm的泵浦光源。

本實(shí)施例通過函數(shù)發(fā)生器109來控制壓電傳感器6調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔的腔體長(zhǎng)度，使第一激光模塊101可以發(fā)射與第二激光模塊發(fā)射的探測(cè)脈沖之間具有預(yù)設(shè)相位差的泵浦脈沖，可根據(jù)用戶需要，通過改變函數(shù)發(fā)生器109輸出至壓電傳感器6的相位調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率，來實(shí)現(xiàn)對(duì)所述預(yù)設(shè)相位差的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)，與傳統(tǒng)的機(jī)械延時(shí)方法相比，調(diào)節(jié)精度高，掃描速度快。

實(shí)施例三：

如圖3所示，在一實(shí)施例中，第一激光模塊101還包括連接在耦合器10和偏振控制器8之間的機(jī)械延時(shí)線10，機(jī)械延時(shí)線10還與加法器108連接，在環(huán)形諧振腔的重復(fù)頻率的漂移率大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，函數(shù)發(fā)生器109輸出相位控制信號(hào)，通過加法器108傳遞給機(jī)械延時(shí)線10，使機(jī)械延時(shí)線10根據(jù)加法器10輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔的腔體長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖之間的相位差和延時(shí)時(shí)間的調(diào)制。

本實(shí)施例通過額外設(shè)置機(jī)械延時(shí)線，可在環(huán)形諧振腔的重復(fù)頻率的漂移率大于預(yù)設(shè)閾值，導(dǎo)致壓電傳感器調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔的腔長(zhǎng)效果不理想時(shí)，通過機(jī)械延時(shí)線來輔助調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔的腔體長(zhǎng)度，以使環(huán)形諧振腔的重復(fù)頻率回到正常范圍。

實(shí)施例四：

如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種太赫茲時(shí)域光譜儀，其包括上述的電控光取樣系統(tǒng)100，還包括太赫茲模塊200和數(shù)據(jù)處理模塊300。

其中，太赫茲模塊200通過光纖與電控光取樣系統(tǒng)100連接，用于接收所述透射泵浦脈沖和所述透射探測(cè)脈沖，并將所述透射泵浦脈沖和所述透射探測(cè)脈沖轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；

數(shù)據(jù)處理模塊300與太赫茲模塊200連接，用于將所述電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并處理。

在具體應(yīng)用中，太赫茲模塊200包括太赫茲輻射裝置和太赫茲探測(cè)裝置，所述太赫茲輻射裝置和所述太赫茲探測(cè)裝置采用光電導(dǎo)天線，光整流或雙色場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等離子體實(shí)現(xiàn)太赫茲波的輻射與探測(cè)。

在具體應(yīng)用中，數(shù)據(jù)處理模塊300可以為通用集成電路，例如CPU(CentralProcessing Unit，中央處理器)，或通過ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，專用集成電路)來實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例通過提供由電控光取樣系統(tǒng)、太赫茲模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成的太赫茲時(shí)域光譜儀，使太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)模塊化，簡(jiǎn)化了太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)，使其能夠適用于更多應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境，利于安裝和維修。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。