專利名稱：一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲產(chǎn)生和檢測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太赫茲波(或稱太赫茲輻射)通常指的是頻率在0. 1-10太赫茲(波長在3毫米-30微米)范圍內(nèi)的電磁輻射。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDs)是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的典型代表，是一種新興的、非常有效的相干探測技術(shù)。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的技術(shù)原理包括以下步驟I、以超短光脈沖通過非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生周期的電磁振蕩，2、產(chǎn)生的寬帶太赫茲信號(hào)經(jīng)過被測物體的透射或反射3、再采用超短光脈沖對太赫茲信號(hào)的波形進(jìn)行采樣測量4、獲得被測物體的寬譜太赫茲信息。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，使其在近10年間得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。在工業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)品安全方面，可用來檢測條形碼、檢測藥物質(zhì)量，也可用來進(jìn)行飛行導(dǎo)航和航天組件的缺陷檢測。在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)方面，由于水能強(qiáng)烈吸收太赫茲輻射，所以可以通過太赫茲技術(shù)對不同組織中的水含量、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的差異產(chǎn)生成像對比度。與X成像技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)可對齲齒完整成像，也可以對骨組織進(jìn)行三維成像。與核磁共振成像相比，太赫茲技術(shù)能夠?qū)Ρ砻婊蚝鼙〉纳掀そM織成像。因此，太赫茲成像技術(shù)能夠顯著的提高醫(yī)療水平，促進(jìn)人類對病理學(xué)的研究。在國土安全領(lǐng)域，由于太赫茲的非電離性，及強(qiáng)穿透性，所以它能夠在機(jī)場、車站等地對隱藏的爆炸物、違禁品、武器、毒品等危險(xiǎn)物品提供遠(yuǎn)距離大范圍的預(yù)警，這是其他技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)需要通過泵浦光和探測光的時(shí)間延遲掃描進(jìn)行太赫茲波的檢測，傳統(tǒng)的掃描方法利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性微位移平臺(tái)控制的光學(xué)背向反射器光學(xué)延遲線實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲掃描，本發(fā)明利用重復(fù)頻率有一定差值的兩臺(tái)鎖模激光器分別作為泵浦光和探測光，通過利用兩個(gè)頻率之間的微小的頻率差實(shí)現(xiàn)與采樣示波器原理類似的高精度“等效采樣”，在檢測過程中，系統(tǒng)中不需要實(shí)時(shí)改變各脈沖序列的延時(shí)，不需要快速延時(shí)掃描裝置，就可以得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和時(shí)域光譜信息。而且由于泵浦光和探測光為同一個(gè)激光腔內(nèi)的輸出，外界溫度、氣壓等變化帶來的光腔長度變化只會(huì)導(dǎo)致各個(gè)波長脈沖光重復(fù)頻率的絕對變化，由于光腔色散帶來的其重復(fù)頻率的差值變化基本可以忽略不計(jì)，而且系統(tǒng)較采用多個(gè)獨(dú)立的激光器大大簡化，系統(tǒng)成本大大降低
發(fā)明內(nèi)容
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針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，包括步驟1，多波長脈沖激光器產(chǎn)生具有兩個(gè)以上不同中心波長和不同脈沖重復(fù)頻率的光脈沖序列的輸出信號(hào)；步驟2，多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)經(jīng)過脈沖分束及處理器件的處理產(chǎn)生泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列，泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列具有不同的脈沖重復(fù)頻率；步驟3，將泵浦光脈沖序列輸入到太赫茲發(fā)射器件，產(chǎn)生太赫茲信號(hào)；步驟4，將探測光脈沖序列和太赫茲信號(hào)共同輸入到太赫茲接收器件，檢測得到與太赫茲波時(shí)域波形有關(guān)的檢測信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和/或時(shí)域光譜信息。 在一個(gè)示例中，步驟2中，對多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)進(jìn)行的處理包括將多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)根據(jù)中心波長的不同分為泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列，泵浦光脈沖序列的中心波長為泵浦光波長，泵浦光脈沖序列的重復(fù)頻率為泵浦頻率，探測光脈沖序列的中心波長為探測光波長，探測光脈沖序列的重復(fù)頻率為探測頻率。在一個(gè)示例中，步驟2中，對多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)進(jìn)行的處理還包括對輸出信號(hào)或其一部分進(jìn)行功率放大、功率控制、脈沖波形變換、偏振控制、通過非線性光學(xué)過程進(jìn)行光譜變換的光學(xué)處理，以形成泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列。在一個(gè)示例中，步驟3中，太赫茲發(fā)射器件產(chǎn)生太赫茲波的方法包括光電導(dǎo)方法、光整流方法和表面效應(yīng)方法。在一個(gè)示例中，步驟4中，太赫茲接收器件檢測太赫茲波的方法包括光電導(dǎo)采樣和電光米樣方法。在一個(gè)示例中，步驟4中，檢測信號(hào)和太赫茲時(shí)域波形之間的時(shí)間步長換算關(guān)系為AT=A T Af/fp，其中Af為泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列的重復(fù)頻率之差，fp為探測光脈沖序列的重復(fù)頻率，△ T為檢測信號(hào)的時(shí)間步長，AT為太赫茲時(shí)域波形的時(shí)間步長。本發(fā)明提供了一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)，包括多波長脈沖激光器，產(chǎn)生兩種以上具有不同中心波長和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列的輸出信號(hào)；脈沖分束及處理器件，用于由多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)產(chǎn)生泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列；太赫茲發(fā)射器件，用于在泵浦光脈沖序列的泵浦下輻射太赫茲信號(hào)；太赫茲接收器件，用于測量太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和/或時(shí)域光譜信息。在一個(gè)不例中，所述多波長脈沖激光器為多波長主動(dòng)鎖模激光器、多波長被動(dòng)鎖模激光器或多波長混合鎖模激光器。在一個(gè)示例中，所述脈沖分束及處理器件包括光纖耦合器、分束棱鏡、分束片、濾光片、帶通濾波器或波分復(fù)用器。在一個(gè)示例中，所述脈沖分束及處理器件還包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非線性光學(xué)器件。在一個(gè)不例中，所述的太赫茲發(fā)射器件為福射太赫茲波的電光材料器件、光電導(dǎo)開關(guān)器件或表面效應(yīng)器件。在一個(gè)示例中，所述的太赫茲接收器件包括由電光材料器件和光電探測器構(gòu)成的電光米樣器件、或光電導(dǎo)開關(guān)器件。在一個(gè)實(shí)例中，電光材料器件包括InAs、GaAs、InSb、ZnTe、LiTa03、DAST、電光聚合物材料等。在一個(gè)實(shí)例中，光電探測器是PIN檢測器、APD檢測器、光電倍增管或平衡檢測器。本發(fā)明的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)中，泵浦光波長和探測光波長可以相同也可以不同。泵浦光波長和/或探測光波長可以與多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)中的某個(gè)脈沖序列的波長相同，也可以通過對多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)中的某個(gè)脈沖序列的波長 變換到另一波長，但泵浦頻率和探測頻率必須不同，且泵浦頻率和探測頻率不是整數(shù)倍關(guān)系。本發(fā)明在檢測過程中，系統(tǒng)中不需要實(shí)時(shí)改變各脈沖序列的延時(shí)，不需要快速延時(shí)掃描裝置，系統(tǒng)簡單可行。


下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖I是太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是第一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)實(shí)例圖；圖3是第二種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)實(shí)例圖；圖4是第二種太赫茲脈沖廣生和檢測的系統(tǒng)實(shí)例具體實(shí)施例方式以下各實(shí)例中使用的雙波長鎖模激光器采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，通過控制腔內(nèi)的損耗調(diào)節(jié)腔內(nèi)增益譜的形狀，實(shí)現(xiàn)在1530和1560nm的雙波長脈沖激光輸出。由于在光纖腔中光纖等器件存在的色散，兩個(gè)波長的群速度不同，所以兩個(gè)波長脈沖輸出的重復(fù)頻率也不同。設(shè)1530nm波長脈沖序列的重復(fù)頻率是，而1560m波長脈沖序列的重復(fù)頻率是頻率差為Af。實(shí)例一采用上述雙波長脈沖激光器的太赫茲時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)圖如圖2所示。雙波長被動(dòng)鎖模光纖激光器經(jīng)過波分復(fù)用器將中心波長分別為1530nm和1560nm的脈沖激光分開。將1560nm的脈沖光經(jīng)過光放大器進(jìn)行功率放大和脈沖壓縮，經(jīng)過偏振片后作為水平偏振態(tài)的泵浦光。波長為1530nm的脈沖光經(jīng)過偏振片后為45度線偏振，作為探測光。泵浦光45度入射到帶有外加磁場的InAs晶體上，通過磁場增強(qiáng)的光丹伯爾效應(yīng)，以反射的方式輻射出太赫茲脈沖，太赫茲波束經(jīng)過第一個(gè)離軸拋物面鏡準(zhǔn)直后在空間傳輸一段距離，并經(jīng)過第二個(gè)離軸拋物面鏡聚焦后，與探測光共同入射到用于太赫茲檢測的電光聚合物薄膜上，透過電光聚合物薄膜的探測光入射到沃拉斯頓棱鏡上，分為兩束光，分別入射到平衡光電探測器的兩個(gè)探頭上，使用示波器檢測平衡探測器輸出的信號(hào)，并將該信號(hào)的時(shí)間步長變換AfVf1倍，得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換可以得到太赫茲光譜信息。實(shí)例二采用上述雙波長脈沖激光器的太赫茲時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)圖如圖3所示。雙波長被動(dòng)鎖模光纖激光器經(jīng)過波分復(fù)用器件，將中心波長分別為1530nm和1560nm的脈沖激光分開。1560nm的脈沖光經(jīng)過偏振片后為水平偏振，作為泵浦光。1530nm的脈沖光經(jīng)過光放大器和具有非線性的普通單模光纖進(jìn)行功率放大和脈沖壓縮，并入射到倍頻晶體BBO上，產(chǎn)生765nm的倍頻光，作為探測光。泵浦光45度入射GaAs晶體上，通過光整流的方法輻射、出太赫茲脈沖，太赫茲波束經(jīng)過第一個(gè)離軸拋物面鏡準(zhǔn)直后在空間傳輸一段距離，并經(jīng)過第二個(gè)離軸拋物面鏡聚焦后，與探測光共同入射到用于太赫茲檢測的ZnTe晶體上，通過電光采樣的方法檢測太赫茲信號(hào)，透過ZnTe晶體的探測光入射到沃拉斯頓棱鏡上，分為兩束光，分別入射到平衡光電探測器的兩個(gè)探頭上，使用示波器檢測平衡探測器輸出的信號(hào)，并將該信號(hào)的時(shí)間步長變換AfVf1倍，得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換可以得到太赫茲光譜信息。實(shí)例三采用上述雙波長脈沖激光器的太赫茲時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)圖如圖4所示。雙波長被動(dòng)鎖模光纖激光器經(jīng)過波分復(fù)用器件，將中心波長分別為1530nm和1560nm的脈沖激光分開。1560nm的脈沖光經(jīng)過光放大器和具有非線性的普通單模光纖進(jìn)行功率放大和脈沖壓縮，并入射到倍頻晶體BBO上，產(chǎn)生780nm的倍頻光，作為泵浦光。1530nm的脈沖光經(jīng)過光放大器和具有非線性的普通單模光纖進(jìn)行功率放大和脈沖壓縮，并入射到倍頻晶體BBO上，產(chǎn)生765nm的倍頻光，作為探測光。泵浦光入射在ZnTe光電導(dǎo)開關(guān)上，輻射出太赫茲脈沖，太赫茲波束經(jīng)過第一個(gè)離軸拋物面鏡準(zhǔn)直后在空間傳輸一段距離，并經(jīng)過第二個(gè)離軸拋物面鏡聚焦后，與探測光共同入射到用于太赫茲檢測的ZnTe光電導(dǎo)開關(guān)上，通過光電導(dǎo)采樣的方法檢測太赫茲信號(hào)，透過ZnTe光電導(dǎo)的探測光入射到沃拉斯頓棱鏡上，分為兩束光，分別入射到平衡光電探測器的兩個(gè)探頭上，使用示波器檢測平衡探測器輸出的信號(hào)，并將該信號(hào)的時(shí)間步長變換AfVf1倍，得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換可以得到太赫茲光譜信息。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明保護(hù)范圍并不局限于此。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，均可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兓蜃兓?，而這種改變或變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，包括 步驟1，多波長脈沖激光器產(chǎn)生具有兩個(gè)以上不同中心波長和不同脈沖重復(fù)頻率的光脈沖序列的輸出信號(hào)； 步驟2，多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)經(jīng)過脈沖分束及處理器件的處理產(chǎn)生泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列，泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列具有不同的脈沖重復(fù)頻率； 步驟3，將泵浦光脈沖序列輸入到太赫茲發(fā)射器件，產(chǎn)生太赫茲信號(hào)； 步驟4，將探測光脈沖序列和太赫茲信號(hào)共同輸入到太赫茲接收器件，檢測得到與太赫茲波時(shí)域波形有關(guān)的檢測信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和/或時(shí)域光譜信息。
2.如權(quán)利要求I所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，步驟2中，對多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)進(jìn)行的處理包括將多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)根據(jù)中心波長的不同分為泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列，泵浦光脈沖序列的中心波長為泵浦光波長，泵浦光脈沖序列的重復(fù)頻率為泵浦頻率，探測光脈沖序列的中心波長為探測光波長，探測光脈沖序列的重復(fù)頻率為探測頻率。
3.如權(quán)利要求I所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，步驟2中，對多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)進(jìn)行的處理還包括對輸出信號(hào)或其一部分進(jìn)行功率放大、功率控制、脈沖波形變換、偏振控制、通過非線性光學(xué)過程進(jìn)行光譜變換的光學(xué)處理，以形成泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列。
4.如權(quán)利要求I所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，步驟3中，太赫茲發(fā)射器件產(chǎn)生太赫茲波的方法包括光電導(dǎo)方法、光整流方法和表面效應(yīng)方法。
5.如權(quán)利要求I所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，步驟4中，太赫茲接收器件檢測太赫茲波的方法包括光電導(dǎo)采樣和電光采樣方法。
6.如權(quán)利要求I所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法，其特征在于，步驟4中，檢測信號(hào)和太赫茲時(shí)域波形之間的時(shí)間步長換算關(guān)系為A T= A T Af/fp，其中Af為泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列的重復(fù)頻率之差，fp為探測光脈沖序列的重復(fù)頻率，A T為檢測信號(hào)的時(shí)間步長，AT為太赫茲時(shí)域波形的時(shí)間步長。
7.一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)，其特征在于，包括 多波長脈沖激光器，產(chǎn)生兩種以上具有不同中心波長和不同重復(fù)頻率的光脈沖序列的輸出信號(hào)； 脈沖分束及處理器件，用于由多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)產(chǎn)生泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列； 太赫茲發(fā)射器件，用于在泵浦光脈沖序列的泵浦下輻射太赫茲信號(hào)； 太赫茲接收器件，用于測量太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和/或時(shí)域光譜信息。
8.如權(quán)利要求7所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖分束及處理器件包括光纖耦合器、分束棱鏡、分束片、濾光片、帶通濾波器或波分復(fù)用器。
9.如權(quán)利要求7所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖分束及處理器件還包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非線性光學(xué)器件。
10.如權(quán)利要求7所述的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的太赫茲發(fā)射器件為福射太赫茲波的電光材料器件、光電導(dǎo)開關(guān)器件或表面效應(yīng)器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法。該測量方法包括步驟1，多波長脈沖激光器產(chǎn)生具有兩個(gè)以上不同中心波長和不同脈沖重復(fù)頻率的光脈沖序列的輸出信號(hào)；步驟2，多波長脈沖激光器的輸出信號(hào)經(jīng)過脈沖分束及處理器件的處理產(chǎn)生泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列，泵浦光脈沖序列和探測光脈沖序列具有不同的脈沖重復(fù)頻率；步驟3，將泵浦光脈沖序列輸入到太赫茲發(fā)射器件，產(chǎn)生太赫茲信號(hào)；步驟4，將探測光脈沖序列和太赫茲信號(hào)共同輸入到太赫茲接收器件，檢測得到與太赫茲波時(shí)域波形有關(guān)的檢測信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到太赫茲時(shí)域波形信號(hào)和/或時(shí)域光譜信息。本發(fā)明能夠利用多波長脈沖激光器產(chǎn)生和檢測太赫茲脈沖，是一種快速的太赫茲脈沖產(chǎn)生和檢測的方法。
文檔編號(hào)G01J3/28GK102680099SQ20121013748
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者劉磊, 孫松松, 趙欣, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)