一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器的制作方法

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器。

背景技术：

现在的超快时域光谱系统利用异步采样原理实现时域光谱的高速采集。基于异步采样的太赫兹超快时域光谱系统使用了两个重复频率略有差别的飞秒激光器，一路的重复频率为f，作为探测脉冲，另一路飞秒激光脉冲重复频率为f+δf，作为泵浦脉冲，并由高带宽反馈电子设备控制其重复频率。其两个飞秒脉冲重复频率存在一个为δf的差值，由此提泵浦脉冲和探针脉冲的时间延迟，其扫描周期t可以由δf给出，即t＝1/δf。超快太赫兹时域光谱系统采样原理如图1所示，图中δf＝10khz，t＝100μs。

由于泵浦脉冲和探测脉冲的重复频率不相同，所以它们不同步，但是每隔一定的时间就会重合一次。每当泵浦脉冲和探测脉冲重合一次，就标志着本次扫描周期结束，下一扫描周期开始。控制系统就应该产生一个高电平脉冲信号，即为触发信号(如图1中的触发信号)。触发信号的周期t＝1/δf。时间t也是信号采集系统的采样周期，信号采集系统接收到一个触发信号开始采集数据，当接收到下一个触发信号后结束本次采集，保存数据，并开始下一周期数据采集。所以触发信号对信号的采集至关重要。

现在产生触发信号方式有两种：基于光学产生方法，基于电学产生方法。

基于光学产生方法有两种方式：1、双光子探测器方法，双光子吸收效应只会在两路强激光下产生，所以两路强激光会对光电二极管造成极大的损伤，探测器易损坏。2、倍频晶体的方法，此方法是利用倍频晶体的倍频原理，但转化效率低抗干扰性差、封装困难，使用不方便。

基于电学产生方法，此方法是先将两脉冲光信号转换为两列分离电脉冲信号，然后再由触发电路将两列分离电信号转化为触发信号。缺点：在高频电路中稳定性差,现已被抛弃。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器，利用激光光谱相干原理，可以产生上升沿锐利、易调节、结构简单、带宽高且性能稳定的触发信号。

一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器，包括光电二极管、高通滤波器、跨阻放大器、运算放大器以及施密特触发器；

所述光电二极管接收超快时域光谱系统的泵浦激光和探测激光的相干脉冲信号，并转化为电信号；

所述高通滤波器用于滤除光电二极管输出的电信号中的直流信号；

所述跨阻放大器用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号，并去除信号中的高频噪声；

所述运算放大器用于对跨阻放大器输出的电压信号进一步放大；

所述施密特触发器接在运算放大器之后，用于将信号变成一个上升沿锐利的方波信号，由此得到触发信号。

较佳的，所述光电二极管的带宽为1ghz以上。

较佳的，所述光电二极管采用eot公司的型号为et-400的光电二极管。

较佳的，所述跨阻放大器与运算放大器的核心器件型号为opa657。

较佳的，所述光电二极管、运算放大器、高通滤波器以及施密特触发器都封装在同一块pcb上。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器，利用激光光谱相干原理，在超快时域光谱系统的泵浦激光和探测激光两激光脉冲重合时产生光学触发信号，然后由高速光电二极管将光学触发信号转换成电学触发信号；再依次经过运算放大器、高通滤波器、施密特触发器的处理后送入超快时域光谱系统中作为信号采集系统的触发信号，可以得到非常稳定的thz时域光谱；该将高速光电二极管、运算放大器、高通滤波器、施密特触发器都封装在同一块pcb上，实现将周期性重合的两列光脉冲转变为同周期的、上升沿锐利的方波信号的功能。该装置具有集成度高、结构简单、带宽高、上升沿锐利、易调节、性能稳定的优点。

附图说明

图1为现有异步采样时域光谱系统采样原理示意图；

图2为本发明的触发信号发生器的功能框图；

图3为本发明中高速二极管将光学触发信号转换为电学触发信号；

图4为δf＝1430khz时的触发信号；

图5为运算放大器(amp)的输出信号；

图6为时域放大的电脉冲；

图7为施密特触发器信号

图8为应用了本发明的触发信号发生器后的结构示意图；

图9为本发明的触发信号发生器中施密特触发器输出端sma-j的输出信号；

图10为图8的超快时域光谱系统采用本发明的触发信号发生器产生的触发信号采集得到的信号时域图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，本发明的一种用于超快时域光谱系统的触发信号发生器，光接收器件主要是一个高速光电二极管pd，此高速光电二极管在接收到光脉冲时电阻会变小，当光强小于最大光强时，光强越大电阻越小。它的带宽为激光器重复频率的5倍以上。本发明中的高速光电二极管的带宽要求为1ghz以上，本发明实施例采用eot公司的型号为et-400的光电二极管。高速光电二极管由dcbisa+供电端供电，本例中用5v供电。使用时首先将两束激光合束，发生干涉作用，形成光学触发信号。此高速光电二极管将完成光学触发信号到电学触发信号的转换。

下面具体阐述产生触发信号的原理：

这里将两束飞秒脉冲简化为两束单色高斯飞秒脉冲，其中一束为泵浦脉冲，一束为探测脉冲。两束激光的电场可分别表示为如下形式

其中em(t)，es(t)分别为泵浦脉冲电场和探测脉冲电场，em，es两束高斯飞秒脉冲电场的峰值，t0是脉冲的脉宽，ω是高斯飞秒脉冲电场的角频率，τ是探测脉冲相对于泵浦脉冲的延迟时间。此处默认两束高斯飞秒脉冲电场的初始相位且电场偏振方向相同。

当两束高斯飞秒脉冲相遇时产生相干叠加，叠加后总电场可以表示为如下形式：

两束高斯飞秒脉冲相干叠加后总电场能量可以表示为如下形式：

由此可以得到两束高斯飞秒脉冲相干叠加后的光强可以表示为如下形式：

对上式每一项重新定义得：

其中a(τ)为两脉冲不发生相干作用时的光强，b(τ)为两脉冲相干项光强。其a(τ)可以进一步改写为a(τ)＝c(τ)+d(τ)，为泵浦脉冲能量，为探测能量。

则式(1-5)可以改写成：

i(τ)＝a(τ)＝b(τ)(1-8)

对式(1-6)、(1-7)计算计算可得，当τ＝0时，a(0)＝b(0)。即两束高斯飞秒脉冲相干叠加后的光强是未相干叠加光强的两倍。在光强探测时所用的光电二极管的响应时间(百ps量级)远大于脉冲宽度。所以当两脉冲的相对时间延迟为0时所探测到的能量最强，为波包中光谱完全相干能量i(0)，即此时光电二极管响应脉冲最强。随着两脉冲相对时间延迟的增加，光电二极管响应脉冲变弱。当相对时间延迟达百飞秒量级至几十皮秒时，此时两脉冲无相干作用，即b(τ)＝0，但此时探测器仍然分辨不出这两脉冲，所以探测到两脉冲的非相干总能量，即a(τ)，但随着相对时间延迟的增大，探测器响应会较小。当两脉冲相对时间延迟增加至几百皮秒时，探测器此时可以分别探测出两脉冲能量c(τ)、d(τ)。此时的探测器响应强度最小。固用此方法可以探测出具有周期性时间延迟的两脉冲的周期。

如图3所示，触发信号是添加了直流信号的交流信号，所以在高速光电二极管的后面添加了高通滤波器(hpf)，以去除直流信号。此高速光电二极管进行光电转换具有极高的带宽，本发明中可以产生高达1430khz的稳定触发信号，如图4所示。

高通滤波器之后链接跨阻放大器(tia)和运算放大器(amp)，对高速二极管产生的触发信号进行放大。跨阻放大器(tia)是高速光电二极管的前端放大器，用于将高速光电二极管的输出电流(i)转换为电压(vout)。跨阻放大器即利用运算放大器两端的反馈电阻(rf)，根据欧姆定律：电压(vout)＝电流(i)×反馈电阻(rf)将电流(i)转换为电压(vout)。并且此跨阻放大器(tia)具有一定的带宽，可以去除高频的噪声。运算放大器(amp)是具有很高放大倍数的高速放大器，对跨阻放大器(tia)输出的低噪声电压信号进一步放大。使其输出的电压信号可以满足后面施密特触发器的要求。此两个放大器的核心组件是opa657，并且设置了它们的带宽为550mhz。运算放大器(amp)的输出信号如图5所示。

运算放大器(amp)的输出的信号其实是周期性的电脉冲信号，由于电脉冲信号是由多个光脉冲依次照射进来产生的，所以真实的时域信号放大后为一个电子脉冲包络形式，如图6所示。

数据采集系统识别的是触发信号的上升沿，但是信号有多个上升沿，直接用于数据采集的触发则会造成触发紊乱。所以把运算放大器(amp)的输出的信号输入施密特触发器，即schmitttrigger。调节施密特触发器的阈值电压，把此信号变成一个上升沿锐利的方波信号，如图7所示。

施密特触发器信号通过信号输出端sma-j输出，施密特触发器信号输出端即为此触发信号发生器的输出端。

本发明的触发信号发生器可放入超快时域光谱系统中使用，超快时域光谱系统结构示意图如图8所示。本系统中用到两个飞秒激光器，一个最为泵浦激光用来产生thz信号，另一个用来探测thz信号。两束飞秒激光激光器的重复频率不同，重复频率之差为δf，所以两个激光器的激光脉冲会周期性重合，周期为1/δf。这是光脉冲的重合，本发明的触发信号探测器，就是要探测出两激光光脉冲重合的时刻。即当两光脉冲重合时，触发信号探测器应输出一个高电平信号，当两光脉冲不重合时，维持低电平状态。此触发信号发生器输出信号的上升沿出现的频率为δf。在超快时域光谱系统中泵浦光脉冲和探测光脉冲经过合束之后照射在触发信号探测器的高速光电二极管上。调节两束照射在高速光电二极管上的光束平均光强相等，且都为高速光电二极管饱和光强的1/4。此时触发信号发生器的输出信号为周期性的方波信号，其周期与两列包络的时域周期相同，即两列脉冲的重复频率之差的倒数。此信号为数据采集系统的触发信号。触发信号发生器的输出信号如图9所示。

此触发信号输入到数据采集系统，作为数据采集系统的触发信号。告诉数据采集系统这个周期的结束和下一个周期的开始，并保存这一周期的数据。在多次测量利用积分平均法获取信号时稳定的触发信号可以确保thz信号在整个周期中的位置不变，对最后thz信号的精度有至关重要的作用。

用此触发信号探测器产生的触发信号采集thz信号，其信号时域图如图10所示。从图10可以看出此触发信号发生器产生的触发信号作为触发源采集的thz时域光谱非常稳定。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。