本發(fā)明涉及一種太赫茲光梳光譜的檢測技術(shù)，特別涉及一種基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置。

背景技術(shù)：

隨著一系列新材料、新技術(shù)的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為超快技術(shù)領(lǐng)域一種準(zhǔn)常規(guī)技術(shù)，并在全球掀起一股THz研究熱潮。太赫茲波是指頻率在0.1到10 THz范圍內(nèi)的電磁波，在電磁波譜中位于微波和紅外之間，在通信技術(shù)、安全檢測、生物檢測等科學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。

太赫茲光譜被譽(yù)為對于檢測和表征材料特性的有效工具，主要是因?yàn)槲镔|(zhì)在太赫茲波段所特有的豐富的太赫茲指紋光譜。目前廣泛應(yīng)用的技術(shù)有太赫茲時(shí)域光譜搭配相干太赫茲脈沖；傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜搭配非相干太赫茲波；窄帶可調(diào)諧連續(xù)光太赫茲頻域光譜（連續(xù)太赫茲光譜）又可以根據(jù)源和探測器分為光子的和電子的。前兩種方法的光譜覆蓋范圍廣，但是光譜分辨率不高（由于機(jī)械延時(shí)裝置的掃描時(shí)間過長）；后者的光譜分辨率高，但是光譜覆蓋范圍卻很窄，每種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)無法兼得，想要提高太赫茲光譜吸收率測試精準(zhǔn)度就需要借助其他方法，一方面既要避免使用機(jī)械延時(shí)裝置帶來的長時(shí)間掃描問題又要保持信號(hào)較高的信噪比；另一方面還要避免激光脈沖本身可能存在的重復(fù)頻率不穩(wěn)對太赫茲光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的影響。目前還沒有同時(shí)能解決上述問題的方法或裝置出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對目前太赫茲時(shí)域吸收光譜的測試精準(zhǔn)度不高的問題，提出了一種基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置，裝置簡單，易于操作，避免了機(jī)械延時(shí)裝置掃描耗時(shí)過長的弊端，避免了太赫茲超連續(xù)光譜由于激光脈沖時(shí)間抖動(dòng)造成的不精確性，提高了太赫茲光譜吸收率測試精準(zhǔn)度。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置，激光器控制系統(tǒng)控制兩個(gè)激光光源工作，第二激光光源發(fā)出的激光的脈沖重復(fù)頻率與第一激光光源發(fā)出的激光的脈沖重復(fù)頻率有一個(gè)設(shè)定重復(fù)頻率差，第一激光光源發(fā)出的激光脈沖作為泵浦光束進(jìn)入太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)，輻射出發(fā)散狀的太赫茲波，經(jīng)離第一離軸拋物面鏡會(huì)聚后變成平行的太赫茲波，經(jīng)過帶測樣品架后，經(jīng)第二離軸拋物面鏡反射并聚焦到光電導(dǎo)天線探測端上；第二激光光源發(fā)出的超快脈沖激光依次經(jīng)過反射鏡組后作為探測光束，經(jīng)過第一聚焦透鏡聚焦，第一聚焦透鏡與第二離軸拋物面鏡共焦，聚焦的探測光束與經(jīng)第二離軸拋物面鏡反射并聚焦的太赫茲波焦點(diǎn)重合，共同打在光電導(dǎo)天線探測端上，光電導(dǎo)天線探測端上的電信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后送數(shù)字轉(zhuǎn)換器，測得太赫茲波的時(shí)域信號(hào)；同時(shí)第一激光光源和第二激光光源另通過其它通道輸出激光到和頻互相關(guān)儀，和頻互相關(guān)儀輸出信號(hào)觸發(fā)數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收太赫茲波的時(shí)域信號(hào)；激光器控制系統(tǒng)與數(shù)字轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)銣原子頻標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對太赫茲脈沖鏈的探測，太赫茲脈沖鏈為多個(gè)連續(xù)太赫茲波的時(shí)域信號(hào)，所得太赫茲脈沖鏈時(shí)域信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換得到太赫茲光梳，比對帶測樣品架上樣品放置前后光梳的精準(zhǔn)變化，得到待測物質(zhì)的光譜吸收率。

所述確定所需太赫茲脈沖鏈的連續(xù)脈沖數(shù)量，向銣原子頻標(biāo)設(shè)定對應(yīng)的時(shí)間，即可通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器測得一條完整的太赫茲鏈時(shí)域波形。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置，避免了機(jī)械延時(shí)裝置掃描耗時(shí)過長的弊端，同時(shí)保持信號(hào)的高信噪比；此外，光梳高精度的梳齒寬度，避免了太赫茲超連續(xù)光譜由于激光脈沖時(shí)間抖動(dòng)造成的不精確性，提高了太赫茲光譜吸收率測試精準(zhǔn)度；操作簡單，適用性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置實(shí)施例示意圖；

圖3為本發(fā)明裝置得到的單太赫茲脈沖波形以及傅里葉變換得到的連續(xù)光譜與太赫茲脈沖鏈波形以及傅里葉變換得到的太赫茲光梳對比示意圖。

具體實(shí)施方式

以兩束帶有微小重復(fù)頻率差的超快激光脈沖，一束通過太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)，產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波信號(hào)與另一束超快激光脈沖分別聚焦并共同入射到光電導(dǎo)探測天線中，利用泵浦光束和探測光束微小的重復(fù)頻率差，實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的快速掃描，通過互相關(guān)儀和銣原子頻標(biāo)對數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，增加采集信號(hào)的時(shí)間以得到連續(xù)太赫茲脈沖鏈的時(shí)域光譜，通過傅里葉變換得到太赫茲梳狀光譜即太赫茲光梳。

如圖1為本發(fā)明基于太赫茲光梳提高光譜吸收率測試精準(zhǔn)度的裝置示意圖，采用打孔拋物面鏡對太赫茲波和探測光束合束，實(shí)現(xiàn)方案，裝置由銣原子頻標(biāo)1，激光器控制系統(tǒng)2，激光器移動(dòng)平臺(tái)3，第一激光光源4，第二激光光源5，和頻互相關(guān)儀6，太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)7，第一離軸拋物面鏡8，待測樣品架9，第二離軸拋物面鏡10，第一反射鏡11，第二反射鏡12，第一聚焦透鏡13，光電導(dǎo)天線探測端14，電信號(hào)前置放大器15，數(shù)字轉(zhuǎn)換器16組成。激光器控制系統(tǒng)2控制兩個(gè)激光光源4和5工作，兩個(gè)激光光源4和5由激光器移動(dòng)平臺(tái)3控制位置，以第一激光光源4發(fā)出的激光脈沖作為泵浦光束進(jìn)入太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)7，輻射出發(fā)散狀的太赫茲波，經(jīng)離第一離軸拋物面鏡8會(huì)聚后變成平行的太赫茲波，經(jīng)過帶測樣品架9后，經(jīng)第二離軸拋物面鏡10反射并聚焦到光電導(dǎo)天線探測端14上。第二激光光源5發(fā)出的激光的脈沖重復(fù)頻率與第一激光光源4存在一個(gè)微小的重復(fù)頻率差（比如激光光源的重復(fù)頻率為250，000，050 Hz 和250，000，000 Hz，重復(fù)頻率差為 50 Hz， 大于10⁶倍），第二激光光源5發(fā)出的超快脈沖激光依次經(jīng)過第一反射鏡11，第二反射鏡12后作為探測光束，經(jīng)過第一聚焦透鏡13聚焦。第一聚焦透鏡13與第二離軸拋物面鏡10共焦，聚焦的探測光束與經(jīng)第二離軸拋物面鏡10反射并聚焦的太赫茲波焦點(diǎn)重合。共同打在光電導(dǎo)天線探測端14上，根據(jù)光電導(dǎo)天線的作用原理，光電導(dǎo)天線探測端輸出的電信號(hào)強(qiáng)度正比于太赫茲波的電場強(qiáng)度，由此可以直接探測到太赫茲波的時(shí)域信號(hào)。同時(shí)第一激光光源4和第二激光光源5各自通過光纖，將少量輸出激光分別射入和頻互相關(guān)儀6，用輸出信號(hào)觸發(fā)數(shù)字轉(zhuǎn)換器16開始接收經(jīng)電信號(hào)前置放大器15放大過的光電導(dǎo)天線探測端14上的太赫茲波時(shí)域信號(hào)；激光器控制系統(tǒng)2與數(shù)字轉(zhuǎn)換器16共用一個(gè)銣原子頻標(biāo)1，實(shí)現(xiàn)對太赫茲脈沖鏈，即多個(gè)連續(xù)太赫茲波的時(shí)域信號(hào)的探測。將得到的太赫茲脈沖鏈時(shí)域信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換得到太赫茲光梳。實(shí)驗(yàn)時(shí)向待測樣品架中放入待測樣品薄片，比對樣品放置前后光梳的精準(zhǔn)變化，即可得到該樣品基于太赫茲光梳的太赫茲吸收譜線。

如圖2裝置實(shí)施例示意圖，以第一激光器和第二激光器的輸出光中心波長為1550nm，脈沖寬度為50fs，重復(fù)頻率重復(fù)頻率分別為250，000，050 Hz 和250MHz，兩個(gè)激光器頻率差50Hz，峰值脈沖功率500mW，光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射為例，具體實(shí)現(xiàn)測得基于太赫茲光梳的物質(zhì)光譜吸收率的過程如下：

由銣原子頻標(biāo)1（準(zhǔn)確度），激光器控制系統(tǒng)2，激光器移動(dòng)平臺(tái)3，第一激光光源4，第二激光光源5，互相關(guān)儀6（和頻），太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)7，第一離軸拋物面鏡8（f=152.4 mm），待測樣品架9，第二離軸拋物面鏡10（f=152.4 mm），第一反射鏡11，第二反射鏡12，第一聚焦透鏡13（f=50 mm），光電導(dǎo)天線探測端14（低溫分子束外延生長的GaAs制備），電信號(hào)前置放大器15，數(shù)字轉(zhuǎn)換器16組成。兩個(gè)精準(zhǔn)控制的鎖模激光光源，第一激光光源4發(fā)出的超快脈沖激光作為泵浦光束進(jìn)入太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)7。第二激光光源5發(fā)出的超快脈沖激光依次經(jīng)過第一反射鏡11，第二反射鏡12后作為探測光束用以對太赫茲波進(jìn)行探測；泵浦光束進(jìn)入太赫茲波產(chǎn)生系統(tǒng)7，經(jīng)第二聚焦透鏡7（1）（f=50 mm）會(huì)聚到光電導(dǎo)天線發(fā)射端7（2），產(chǎn)生錐狀輻射的太赫茲波，經(jīng)第一離軸拋物面鏡8后變成平行的太赫茲波，經(jīng)過帶測樣品架9后，經(jīng)第二離軸拋物面鏡10反射并聚焦到光電導(dǎo)天線探測端14上。探測光束通過第一聚焦透鏡13，與經(jīng)第二離軸拋物面鏡10聚焦的太赫茲波焦點(diǎn)重合，共同打到光電導(dǎo)天線探測端14上，光電導(dǎo)天線探測端14輸出的電信號(hào)強(qiáng)度正比于太赫茲波的電場強(qiáng)度；第一激光光源4和第二激光光源5發(fā)出的超快脈沖激光的脈沖重復(fù)頻率有50Hz重復(fù)頻率差值，從開始探測太赫茲信號(hào)到停止探測，共經(jīng)過兩束激光脈沖周期的整數(shù)倍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對太赫茲波時(shí)域信號(hào)的探測；光電導(dǎo)天線探測端14輸出的電信號(hào)經(jīng)過電信號(hào)前置放大器15后輸出給數(shù)字轉(zhuǎn)換器16測得太赫茲波的時(shí)域信號(hào)；第一激光光源4和第二激光光源5各自通過光纖，將少量輸出激光分別射入和頻互相關(guān)儀6，用輸出信號(hào)觸發(fā)數(shù)字轉(zhuǎn)換器16開始接收時(shí)域信號(hào)；激光器控制系統(tǒng)3與數(shù)字轉(zhuǎn)換器16共用一個(gè)銣原子頻標(biāo)1，實(shí)現(xiàn)對太赫茲脈沖鏈，即連續(xù)多個(gè)太赫茲波的時(shí)域信號(hào)的探測。通過調(diào)節(jié)一次完整取樣的時(shí)間窗口寬度即可得到長度可控的連續(xù)多個(gè)太赫茲波時(shí)域信號(hào)圖，經(jīng)過傅里葉變換得到對應(yīng)的太赫茲光梳，比對樣品放置前后光梳的精準(zhǔn)變化，得到待測物質(zhì)的光譜吸收率。

如圖3所示裝置得到的單太赫茲脈沖波形以及傅里葉變換得到的連續(xù)光譜與太赫茲脈沖鏈波形以及傅里葉變換得到的太赫茲光梳對比示意圖。只需選擇好適當(dāng)?shù)奶掌澝}沖鏈的連續(xù)脈沖數(shù)量，向銣原子頻標(biāo)設(shè)定好對應(yīng)的時(shí)間，即可通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器測得一條完整的太赫茲鏈時(shí)域波形，再通過傅里葉變換，得到太赫茲光梳。所取太赫茲脈沖鏈越長，所得到的太赫茲吸收譜的測試精準(zhǔn)度越高。