一种电控光取样系统、方法及太赫兹时域光谱仪与流程

本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种电控光取样系统、方法及太赫兹时域光谱仪。

背景技术：

太赫兹时域光谱仪可以对太赫兹电场进行相干测量，能够得到样品的复折射率、介电常数和电导率等参数，通过分析这些参数可以得到样品的物理化学信息，具有重要的应用前景。

然而，现有的太赫兹时域光谱仪通常采用机械延时装置(步进电机控制线性平移台)来实现相位延时控制，存在光束传播方向不稳定，光斑大小由于色散而存在变化，扫描速度慢等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电控光取样系统、方法及太赫兹时域光谱仪，旨在解决现有的太赫兹时域光谱仪通常采用机械延时装置(步进电机控制线性平移台)来实现相位延时控制，存在光束传播方向不稳定，光斑大小由于色散而存在变化，扫描速度慢等缺点的问题。

本发明是这样实现的，一种电控光取样系统，其包括第一飞秒脉冲激光器、第二飞秒脉冲激光器、第一分束器、第二分束器、第一光电传感器、第二光电传感器、相位探测器、函数发生器、加法器和PID调节器；

所述第一分束器通过光纤与所述第一飞秒脉冲激光器连接，所述第二分束器通过光纤与所述第二飞秒脉冲激光器连接，所述第二飞秒脉冲激光器包括压电传感器，所述第一光电传感器和所述第二光电传感器均与所述相位探测器连接，所述相位探测器、所述函数发生器和所述PID调节器均与所述加法器连接，所述PID调节器还与所述压电传感器连接；

所述第一飞秒脉冲激光器发射泵浦脉冲，所述第一分束器将所述泵浦脉冲分束为透射泵浦脉冲和反射泵浦脉冲，其中，所述反射泵浦脉冲发射至所述第一光电传感器；所述第一光电传感器将所述反射泵浦脉冲转换为第一电脉冲信号并传递给所述相位探测器；

所述函数发生器输出相位调制信号，所述压电传感器根据所述相位调制信号调节所述第二飞秒脉冲激光器的腔体长度，控制所述第二飞秒脉冲激光器发射与所述泵浦脉冲之间存在预设相位差的探测脉冲，所述第二分束器将所述探测脉冲分束为透射探测脉冲和反射探测脉冲，其中，所述反射探测脉冲发射至所述第二光电传感器；所述第二光电传感器将所述反射探测脉冲转换为第二电脉冲信号并传递给所述相位探测器；

所述相位探测器探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的电压信号；所述函数发生器持续输出所述相位调制信号，所述加法器将所述电压信号和所述相位调制信号叠加后输出给所述PID调节器；所述PID调节器对所述加法器输出的信号进行误差校准后输出给所述压电传感器，所述压电传感器根据所述PID调节器输出的信号反馈调节所述第二飞秒脉冲激光器的腔体长度。

本发明还提供一种太赫兹时域光谱仪，所述太赫兹时域光谱仪包括如上所述的电控光取样系统，还包括太赫兹辐射装置、准直聚焦透镜组、太赫兹探测装置和数据处理模块；

所述数据处理模块与所述函数发生器和所述太赫兹探测装置连接，所述太赫兹辐射装置通过光纤与所述第一分束器连接，所述太赫兹探测装置通过光纤与所述第二分束器连接；

所述太赫兹辐射装置接收所述透射泵浦脉冲，并受所述透射泵浦脉冲激发辐射太赫兹波；所述准直透镜组对所述太赫兹波进行准直和聚焦，并发送给所述太赫兹探测装置；所述太赫兹探测装置接收所述透射探测脉冲，将所述透射探测脉冲和所述太赫兹波转换成电流信号，所述数据处理模块受所述函数发生器触发，将所述电流信号处理为数字信号。

本发明还提供一种电控光取样方法，所述方法基于上述的电控光取样系统或上述的太赫兹时域光谱仪实现，所述方法包括：

第一飞秒激光器发射泵浦脉冲；

函数发生器输出相位调制信号；

压电传感器根据所述相位调制信号调节所述第二飞秒激光器的腔体长度，控制所述第二飞秒脉冲激光器发射与所述泵浦脉冲之间存在预设相位差的探测脉冲；

相位探测器探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的电压信号；

函数发生器持续输出所述相位调制信号；

加法器将所述电压信号和所述相位调制信号叠加后输出给PID调节器；

所述PID调节器检测其输入的信号是否为0；

若否，则所述压电传感器根据所述PID调节器输出的信号反馈调节所述第二飞秒脉冲激光器的腔体长度，以调节所述探测脉冲的相位。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

通过采用电控光取样系统来实现时域扫描，可有效保证光束传播方向的稳定、色散小、扫描速度快。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电控光取样系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的太赫兹时域光谱仪的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的电控光取样系统指的是基于电控光取样(ECOPS，Electronically Controlled Optical Sampling)技术的硬件系统，以下各实施例均基于该技术实现。

如图1所示，本实施例提供的电控光取样系统100包括第一飞秒脉冲激光器1、第二飞秒脉冲激光器2、第一分束器3、第二分束器4、第一光电传感器5、第二光电传感器6、相位探测器7、函数发生器8、加法器9和PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))调节器10。

本实施例中，第一分束器3通过光纤12与第一飞秒脉冲激光器1连接，第二分束器4通过光纤13与第二飞秒脉冲激光器2连接，第二飞秒脉冲激光器2包括压电传感器21，第一光电传感器5和第二光电传感器6均与相位探测器7连接，相位探测器7、函数发生器8和PID调节器10均与加法器9连接，PID调节10器还与压电传感器21连接，图中空心箭头表示光路传输方向，实心箭头表示电信号传输方向。

在具体应用中，第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器2均可以选用掺铒光纤激光器，本实施例中，第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器2均选用中心波长1560nm、重复频率为100MHZ、脉冲功率为140mW的掺铒光纤激光器。

本实施例中，第一光电传感器5和第二光电传感器6均为光电二极管。

在本实施例中，第一分束器3和第二分束器4的透反比均为9:1，即经过第一分束器3和第二分束器4的透射脉冲的能量大于由第一分束器3和第二分束器4反射的脉冲的能量。

在具体应用中，光纤12和光纤13均采用保偏单模光纤，可保证光路稳定不发生抖动。

本实施例所提供的电控光取样系统100的工作原理为：

第一飞秒脉冲激光器1发射泵浦脉冲，第一分束器3将泵浦脉冲分束为透射泵浦脉冲和反射泵浦脉冲，其中，所述反射泵浦脉冲发射至第一光电传感器5；第一光电传感器5将所述反射泵浦脉冲转换为第一电脉冲信号并传递给相位探测器7；

函数发生器8输出相位调制信号，压电传感器21根据所述相位调制信号调节第二飞秒脉冲激光器2的腔体长度，控制第二飞秒脉冲激光器2发射与所述泵浦脉冲之间存在预设相位差的探测脉冲，第二分束器4将所述探测脉冲分束为透射探测脉冲和反射探测脉冲，其中，所述反射探测脉冲发射至第二光电传感器6；第二光电传感器6将所述反射探测脉冲转换为第二电脉冲信号并传递给相位探测器7；

相位探测器7探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的电压信号；函数发生器8持续输出相位调制信号，加法器9将所述电压信号和所述相位调制信号叠加后输出给PID调节器10；PID调节器10对加法器9输出的信号进行误差校准后输出给压电传感器21，压电传感器21根据PID调节器10输出的信号反馈调节第二飞秒脉冲激光器2的腔体长度，以调节所述探测脉冲的相位，进而调节所述探测脉冲相对于所述泵浦脉冲的延时时间。

本实施例中，所述泵浦脉冲和所述探测脉冲均为飞秒激光脉冲，本实施例中仅是为了对相同性质的脉冲进行区别，而采用不同命名。

在具体应用中，当函数发生器8没有输出相位调制信号给加法器9时，电控光取样系统100会锁定第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器2之间的相位差为90度；当函数发生器8提供一个的相位调制信号V_offset(补偿电压)时，电控光取样系统100则会锁定第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器2之间的相位差为ΔΦ，使相位探测器7输出一个电压信号-V_offset，从而保证加法器9输出给PID调节器10的信号为0(V_offset+(-V_offset)＝0)。

基于上述的电控光取样系统，相位调制信号V_offset与相位差ΔΦ之间的函数关系表达式为：

V_offset(t)＝A₀cos(ΔΦ(t))； (1)

其中，A₀为与相位差ΔΦ的测量条件相关的系数；

时间延时τ(t)与相位差ΔΦ之间的函数关系的表达式为：

τ(t)＝ΔΦ(t)/2πf； (2)

其中，f为激光器的重复频率；

由式(1)和式(2)可得，时间延时τ(t)与相位调制信号V_offset之间的函数关系式为：

τ(t)＝cos^-1(V_offset(t)/A₀)/2πf。 (3)

由式(3)可知，第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器输出的信号之间的延时差与函数发生器8输出的相位调制信号有关，因此，只需要使函数发生器8输出的相位调制信号的频率、幅值可调节，就可以实现对第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器输出的信号之间的相位差的控制，从而实现对第一飞秒脉冲激光器1和第二飞秒脉冲激光器输出的信号之间的延时时间的控制。

本实施例中，第二飞秒脉冲激光器2相对于第一飞秒脉冲激光器1的腔长变化范围为[-120nm，+120nm]，可实现0.4fs的延时，可有效提高系统的扫描频率。

本实施例通过提供一种电控光取样系统，采用两台飞秒激光器输出激光脉冲，采用函数发生器提供相位调制信号，并采用压电传感器控制两台飞秒脉冲激光器辐射的信号的相位差，与传统的机械延时装置相比，可有效保证光束传播方向的稳定、色散小、扫描速度快。

如图2所示，本实施例提供一种太赫兹时域光谱仪，包括上述的电控光取样系统100，还包括太赫兹辐射装置14、准直聚焦透镜组、太赫兹探测装置15和数据处理模块19。

其中，数据处理模块19与函数发生器8和太赫兹探测装置15连接，太赫兹辐射装置14通过光纤12与第一分束器3连接，太赫兹探测装置15通过光纤13与第二分束器4连接。

在具体应用中，太赫兹辐射装置14包括可增大载流子迁移率的铟砷化镓光电导天线，太赫兹探测装置15包括可减小载流子迁移率的掺铍铟砷化镓光电导天线。

本实施例提供的太赫兹时域光谱仪的工作原理为：

太赫兹辐射装置14接收由第一分束器3出射的透射泵浦脉冲，并受透射泵浦脉冲激发辐射太赫兹波；准直透镜组对太赫兹波进行准直和聚焦，并发送给太赫兹探测装置15；太赫兹探测装置15接收由第二分束器4出射的透射探测脉冲，将透射探测脉冲和太赫兹波转换成电流信号，数据处理模块19受函数发生器8触发，将电流信号处理为数字信号。

本实施例中，电控光取样系统100还包括连接在PID调节器11和压电传感器21之间的第一信号放大器11，第一信号放大器用于放大PID调节器11输出的信号并传递给压电传感器21。

本实施例中，准直聚焦透镜组包括第一离轴抛物面镜16和第二离轴抛物面镜17，其中，第一离轴抛物面镜16用于将太赫兹辐射装置14辐射的太赫兹波准直后发射给第二离轴抛物面镜17，第二离轴抛物面镜17用于将准直后的太赫兹波聚焦至太赫兹探测装置15的感光面。

本实施例中，数据处理模块19包括第二信号放大器191和数字转换器192；

第二信号放大器191与太赫兹探测装置15连接，用于放大太赫兹探测装置15输出的电流信号并输出给数字转换器192；数字转换器192与第二信号放大器192和函数发生器8连接，用于受函数发生器8触发，将放大后的电流信号处理为数字信号。

在具体应用中，所述数字信号可以为二进制信号。

在具体应用中，电控光取样系统100可以集成设置为一个单独的模组，太赫兹辐射装置14、准直聚焦透镜组和太赫兹探测装置15也可以集成为一个的单独的模组，两个模组之间通过光纤连接实现信号传输，然后通过电缆线将太赫兹探测装置15输出的电流信号传输给数据处理模块19进行数据处理，从而实现太赫兹时域光谱仪的模块化设置，简化结构，利于安装和维修。

本发明一实施例还提供一种电控光取样方法，该方法基于上述的电控光取样系统或上述的太赫兹时域光谱仪实现，所述方法包括：

第一飞秒激光器发射泵浦脉冲；

函数发生器输出相位调制信号；

压电传感器根据所述相位调制信号调节所述第二飞秒激光器的腔体长度，控制所述第二飞秒脉冲激光器发射与所述泵浦脉冲之间存在预设相位差的探测脉冲；

相位探测器探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的电压信号；

函数发生器持续输出所述相位调制信号；

加法器将所述电压信号和所述相位调制信号叠加后输出给PID调节器；

所述PID调节器检测其输入的信号是否为0；

若否，则所述压电传感器根据所述PID调节器输出的信号反馈调节所述第二飞秒脉冲激光器的腔体长度，以调节所述探测脉冲的相位。

本发明实施例通过提供一种电控光取样方法，可利用软件控制方法实现对电控光取样系统的延时控制，提高系统的扫描频率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。