一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹光谱测试的技术领域，尤其涉及太赫兹时域光谱领域和便携、低成本、实时的全光纤太赫兹准时域实时光谱仪。
【背景技术】
[0002]波长在3mm到30um之间，频谱范围在100GHz到ΙΟΤΗζ，微波和红外之间的电磁波波段称为太赫兹波段。太赫兹光谱仪检测的光谱信息能同时获得物质的光学幅值和相位信息，已广泛应用于安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域，尤其在爆炸物、违禁药品、武器等识别、无损检测，细胞分子等细分领域有广泛应用前景。传统的太赫兹光谱仪以自由空间传播时域和连续波外差探测构成，其中应用最为广泛的是太赫兹时域光谱技术，该相干技术通过测量样品的太赫兹脉冲时域波形，同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息，快速傅里叶变换后可获得样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。时域系统采用飞秒激光，由此产生宽带太赫兹谱，优点是只受系统带宽限制，单次测量即含有完整的太赫兹频率窗口信息。但这种传统的自由空间传播太赫兹时域系统通常在实验室使用，体积庞大、结构复杂、成本昂贵，缺乏灵活移动性，激光源、镜子和太赫兹发射接收器件等都需固定在工作台上，且在自由空间传播不能移动，易于受到环境扰动，限制了其实际应用。尤其是关键设备，飞秒激光，价格非常昂贵，工业界难以推广。于是另一种常见的与之补充的光谱仪为连续波外差太赫兹光谱系统，它更为实用，波长稍有不同的两个单模连续波激光束入射到光电导天线中，产生连续波太赫兹辐射。但是这种系统只探测一个单一频率成分，所获得信息收到严重限制。而且为了确保准确的相位信息，一套负责精确的激光频率稳定系统必不可少，这加大了系统的复杂度。因此开展抗扰动非自由空间传播，能够快速实时探测，集成时域和频域系统优点的全光纤便携太赫兹光谱系统(THz-TDS)成了迫在眉睫的工作。
【发明内容】
[0003]鉴于此，本发明提供一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，该光谱仪具时域与频域光谱特点，宽谱及高信噪比，可广泛应用于工业领域的太赫兹光谱测试。
[0004]为达到上述目的，本发明的目的是通过以下技术方案实现:一种全光纤太赫兹准时域实时光谱仪，包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到光电导发射天线中，另一路光信号输入到光电导接收天线中。
[0005]进一步，所述多模激光光纤传输系统包括分束器、第一光纤延展器和第二光纤延展器，所述分束器将多模激光分成两路光信号，其中一路光信号经第一光纤延展器输入到太赫兹发射模块中，另一路光信号经第二光纤延展器输入到太赫兹接收模块中。
[0006]进一步，施加于第一光纤延展器两端的电压与施加于第二光纤延展器两端的电压相反。
[0007]进一步，所述第一光纤延展器或/和第二光纤延展器包括压电陶瓷线圈，所述压电陶瓷线圈上缠绕光纤，压电陶瓷线圈上施加电压。
[0008]进一步，所述第一光纤延展器与太赫兹发射模块间采用多模透镜光纤连接。
[0009]由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果:
[0010]本发明所述的全光纤准太赫兹时域实时光谱系统，替代飞秒激光，采用低成本的商用多模激光器件，更适于太赫兹在工业和反恐等领域的实际应用。此系统基于可移动、紧凑和价格低廉的商用多模激光器件；使用等频距的多模纵模激光驱动传统的光电导混频系统，获得的信号类似于传统的时域信号，这种准时域系统集成了飞秒激光的宽频特性，又极大降低了系统价格和体积。此系统由商业价格低廉的多模激光系统激励，全光纤传播，快速时间延迟调制，具有可移动、低成本、便携式、不损伤眼睛，实时等特点，可广泛应用于工业领域，研究将对未来太赫兹技术应用及产品研发产生重要意义。
【附图说明】
[0011]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0012]图1为本发明全光纤准时域实时太赫兹光谱仪系统示意图；
[0013]图2为本发明光谱仪采用的多模激光器的具体实施例傅里叶频谱图；
[0014]图3为本发明光谱仪中光电导天线具体实施器件例图。
【具体实施方式】
[0015]以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0016]全光纤太赫兹准时域实时监测光谱仪是一种集成太赫兹时域光谱和频域差频探测技术的相干探测设备，通过测量样品的太赫兹脉冲准时域波形，可同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息，且经快速傅里叶变换后，更可获得样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。将空间光转入光纤内传输，省去了很多用于调节光路的光学元件，还可减弱外界环境的干扰和保护眼睛；而且由于光纤的可弯曲性，可很好的缩减系统的空间体积，增强灵活性，克服很多应用中遇到的实际问题，方便工业和反恐的现场使用。全光纤太赫兹准时域实时光谱仪采用商用多模激光器作为光学激励源，代替昂贵的飞秒激光，各个模式间等频率差排列，导致的信号类似于时域光谱的信号。且由于各模式所产生的信号建设性干涉，能够获得更高的光谱分辨率。在爆炸物、违禁药品、武器等的站开式识别、工业探伤无损检测，及细胞分子构象等领域的太赫兹检测分析应用广泛。引入光纤延展器实现高速时间延迟调制，替代传统自由空间时域光谱的机械线性平移延迟台，进行等效时间采样，更适于全光纤集成。同时对太赫兹光电导发射和接收模块实行与高阻硅透镜和电极一体封装，适于进行全光纤耦合集成。
[0017]鉴于自由空间传播的太赫兹时域系统价格昂贵，不能移动、慢速和频域连续波系统的带宽限制等问题，本发明的全光纤太赫兹准时域实时系统能够部分解决上诉问题。依据本发明，提供一种全光纤准时域实时太赫兹光谱仪，包括多模激光系统、多模激光光纤传输系统、太赫兹发射模块与太赫兹接收模块，所述多模激光系统输出围绕一中心频率的多模激光，相邻纵模频率差为定值等间距；该多模激光经多模激光光纤传输系统分成两路光信号，其中一路光信号输入到太赫兹发射模块中，另一路光信号输入到太赫兹接收模块中。
[0018]首先激光经多模激光器输出，本发明并未采用传统的飞秒激光或双连续激光差频的形式，而是直接输出围绕一中心频率的多模激光，纵模相邻频率差为定值等间距，探测到的信号是类似时域信号的脉冲信号。这些周期性脉冲信号的重复频率由激光模式间的频率差决定。这种周期性信号的优点是，等频差间隔的激光多模将导致信号中的相关频率成分建设性叠加，从而提升信噪比。多模激光在由激光器辐射出后，为提升激光功率，接着通过掺铒光纤激光放大器耦合进多模光纤中。接着激光经过多模激光光纤传输系统，成为两束激光，一束为栗浦激光，一束为探测激光；通常分光强度为6:4或1:1。
[0019]采样探测太赫兹准时域系统的波形，通过等效时间采样技术实现，这需要精确控制时间延迟。同时为了实现快速时间延迟与全光纤集成和实时探测，本发明在分束器后设置光纤延展器，为更好的平衡掉温差带来的漂移影响和快速延迟调制，在栗浦和探测光路上分别加上一组电压相反的光纤延展器(即第一光纤延展器和第二光纤延展器)，其时间延迟调制频率快速至近千赫兹。所述分束器将多模激光分成两路光信号，其中一路光信号经第一光纤延展器输入到光电导发射天线中，另一路光信号经第二光纤延展器输入到光电导接收天线中。
[0020]进一步，为了利于聚焦激光光斑，使其能高效耦合进光电导发射天线，激光在通过光纤延展模块后，进入光电导发射天线之前的光纤为多模透镜光纤。
[0021]在本发明中，太赫兹发射与接收模块由两个光电导天线模块组成。本发明的太赫兹光电导天线模块就采用通常适于连续波差频探测的光电导天线太赫兹模块。通常选用适合于中心频率780nm或1550nm激光激励的光电导天线模块，分别对应低温生长的GaAs和InGaAs有源材料，并封装模块，使其适合全光纤系统。光电导天线的材料、层厚、离子注入、天线的几何尺寸等都将对辐射的太赫兹光谱强度和带宽产生重要影响。其次是光电导天线芯片、高阻硅超半球透镜、与固定盘的封装集成。封装后的模块是一边是光纤输入，另一边是娃透镜。模块与偏置电压源，电流放大器和锁相放大器联用。工作时，施加一个数千赫兹的交流调制电压到光电导发射天线金属电极上，多模激光照射有源材料产生的自由载流子随之产生光电导电流。就光电导天线接收端探测而言，金属引线将光电导天线测量到的电流信号输入电流放大器中。由于采样的探测器输出信号非常弱，易淹没在噪声信号中，需要锁相放大技术实现信号提取，同步于发射端的电压调制频率。
[0022]当一个样品放在太赫兹光路中时，相对于参考波形，可观测到由于吸收和反射损耗带来的时间延迟和脉冲幅度的减弱。若样品为平行板结构，更可观察到法布里波罗回声，即使厚度未知，利用多次反射的法布里波罗回声性质的参数提取，材料厚度和光学性质能够同时被测定。
[0023]光电导天线作为太赫兹的发射和接收端被面对面放置图1所示，这充分考虑到硅透镜的太赫兹