自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪，它包括重复频率锁定的第一光梳、第二光梳、第一分束器、第二分束器、自适应补偿模块、第一半导体天线、第二半导体天线、抛物面镜、样品、混频器及采集卡，所述第一光梳、第二光梳分别连接第一分束器、第二分束器；第一分束器一端连接自适应补偿模块、一端连接第一半导体天线；第二分束器一端连接自适应补偿模块、一端连接第二半导体天线；样品设于一对抛物面镜内并与第一半导体天线、第二半导体天线连接，第二半导体天线连接混频器，自适应补偿模块分别连接混频器及采集卡。本实用新型实现在较宽的频谱范围达到高测量精度，提高了太赫兹双光梳光谱系统的鲁棒性。
【专利说明】
自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及光电技术领域，尤其是一种自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪，将激光脉冲转换的电信号进行混频、差频等处理，实现激光脉冲重复频率抖动和载波包络零频抖动的自动补偿，在极大地降低飞秒光梳控制精度甚至无需对飞秒光梳加以精密控制的情形下，得到稳定的太赫兹光谱取样信号，从而得到分辨率达到MHz量级的自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪器。
【背景技术】
[0002]太赫兹波是频率在0.1?1THz波段的电磁波，相对于红外线、“X射线”等成像手段，太赫兹波段由于具有更低的能量，不会对被测物造成破坏而被称为“无损伤探测”波段。此夕卜，由于生物分子的振动与转动能级大多在太赫兹波段，所以通过太赫兹的透射谱或反射谱可以进行物质检测。因此，太赫兹波在生物医学成像、物质成分检测和鉴定方面具有重要应用价值。
[0003]目前常用的太赫兹光谱技术是太赫兹时域光谱系统，其通过机械延迟线来控制栗浦光与探测光间的延时从而实现太赫兹时域信息的扫描。虽然此种方法在一定程度上可以在较长的距离内实现精确扫描，但是其光路设计与搭建复杂难控，且机械平台延时的方法使得扫描时间较长，无法实现真正意义上的太赫兹光谱实时探测。
[0004]太赫兹异步光学取样系统是一种新兴的太赫兹时域扫描系统。这种方法的实现是通过两个重复频率精确锁定且略有差别的光梳系统进行拍频，利用重复频率自扫描取代机械平移台扫描，从而突破扫描精度与测量时间的制约限制，缩短了太赫兹光谱仪的光谱探测时间。由于异步光学取样对光梳的控制要求很高，需要系统可以长时间稳定的锁定激光脉冲的重复频率与载波包络相位抖动，否则将会对系统的采样精度造成严重的影响，甚至无法获得准确的太赫兹光谱。而重复频率与载波包络相位漂移受环境影响较大，对他们的锁定环境要求苛刻，尤其是载波包络相位锁定对激光器的运行条件要求苛刻，现有异步取样太赫兹光谱方法对光梳的精密控制要求很苛刻，急需发展新技术来提升仪器的鲁棒性。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是针对目前传统机械扫描太赫兹时域光谱技术所需时间长，异步光学取样技术信噪比低、且对环境要求极高等存在的不足而提出的自适应补偿太赫兹光梳光谱仪，此仪器采用窄谱线连续激光分别与重复频率略有差异的两台光梳进行外差拍频，利用拍频信号的频率差来测量出光梳的重频及载波包络相位抖动的差别，作为补偿信号。同时，两台光梳分别用以驱动及探测太赫兹，产生的太赫兹光梳中同样包含光梳的重频及载波包络相位抖动，将补偿信号与探测的太赫兹信号拍频，从而实现实时自适应补偿，消除重频及载波包络相位抖动的影响。这一过程无需对两台光梳进行苛刻且极其易被干扰的高精度控制，获得高精度和高稳定度的太赫兹光谱。
[0006]实现本实用新型目的的具体技术方案是:
[0007]—种自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪，特点是它包括重复频率锁定的第一光梳、第二光梳、第一分束器、第二分束器、自适应补偿模块、第一半导体天线、第二半导体天线、一对抛物面镜、样品、混频器及采集卡，所述第一光梳、第二光梳分别连接第一分束器、第二分束器;第一分束器一端连接自适应补偿模块、一端连接第一半导体天线;第二分束器一端连接自适应补偿模块、一端连接第二半导体天线;样品设于一对抛物面镜内并与第一半导体天线、第二半导体天线连接，第二半导体天线连接混频器，自适应补偿模块分别连接混频器及采集卡。
[0008]所述自适应补偿模块包括:两个分束器、四个合束器、两个连续激光器、四个光电二级管及三个混频器，所述第一连续激光器分别连接第一合束器、第二合束器，第二连续激光器分别连接第三合束器、第四合束器;第一分束器分别连接第一合束器、第三合束器，第二分束器分别连接第二合束器、第四合束器;每一合束器连接一光电二级管;第一光电二极管、第二光电二极管连接第一混频器，第三光电二极管、第四光电二极管连接第二混频器；第一混频器、第二混频器连接第三混频器。
[0009]本实用新型利用自适应补偿方式取代激光脉冲的载波包络相位锁定技术，提出一种自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪，增强异步光学取样的抗干扰能力、提升仪器的鲁棒性。这种仪器无需对光梳进行精确控制，提高了太赫兹时域光谱系统的环境适应性与稳定性，减低异步光学取样技术对环境的要求；同时，通过自适应补偿不同频段的光梳频率尺的抖动，可以在更宽的频谱范围达到高精度测量。
[0010]本实用新型的优点
[0011]1、与传统的太赫兹光谱采样系统相比较，本实用新型简化光路设计，采用电学的方式将对环境要求高的方法替换为对环境适应性较强的方法，提高了太赫兹双光梳光谱系统的鲁棒性；
[0012]2、通过自适应补偿不同频段的飞秒光梳频率尺的抖动，可以实现在较宽的频谱范围达到高测量精度；
[0013]3、自适应补偿可以提高整个取样系统的信噪比。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型结构不意图；
[0015]图2为为本实用新型自适应补偿模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]参阅图1，为本实用新型结构示意图，图中实线代表激光光束的传播，虚线代表电信号传播，箭头方向代表了信号传输方向。
[0017]本实用新型包括重复频率锁定的第一光梳1、第二光梳2、第一分束器31、第二分束器32、自适应补偿模块4、第一半导体天线51、第二半导体天线52、一对抛物面镜6、样品7、混频器8及采集卡9，所述第一光梳1、第二光梳2分别连接第一分束器31、第二分束器32;第一分束器31—端连接自适应补偿模块4、一端连接第一半导体天线51;第二分束器31 —端连接自适应补偿模块4、一端连接第二半导体天线52;样品7设于一对抛物面镜6内并与第一半导体天线51、第二半导体天线52连接，第二半导体天线52连接混频器8，自适应补偿模块4分别连接混频器8及采集卡9。
[0018]分束器31、32分别将重复频率锁定的光梳I和光梳2输出的激光分为能量高与能量低的两束光。能量低的激光束^和如输入自适应补偿模块4，通过自适应补偿模块对激光信号进行处理，得到电学补偿信号仏和电学时钟信号B2。
[0019]光梳I输出的激光经分束器31分束后，能量高的激光作用到半导体天线51上产生太赫兹光梳;另一台光梳2输出的激光经分束器32分束后能量高的部分作为探测光梳作用到探测用的半导体天线52。光梳I栗浦半导体天线产生的太赫兹光梳被抛物面镜6反射到样品7，再经过抛物面镜6收集，作用到探测用半导体天线52。由于两台光梳重复频率略有差值，因此太赫兹光梳与探测光梳在探测用半导体天线52上相互作用，在半导体天线52上得到反映太赫兹电场的电压信号，此电压信号包含两台光梳的重复频率抖动及CEP抖动。
[0020]自适应补偿模块4输出的电学补偿信号B1与探测用半导体天线52输出的反应太赫兹电场的电压信号输入混频器8，得到差频信号，此差频信号为没有CEP抖动，只包含重复频率抖动的电学信号。
[0021]自适应补偿模块4输出的电学时钟信号B2作为触发信号输入采集卡9用以采集混频器8产生的差频信号中只包含重复频率抖动的电学信号。再通过频谱变换，标识探测光梳不同频谱经样品7后的吸收与相位变化，就能获得高精度的频谱分析结果。
[0022]参阅图2，为自适应补偿模块4结构示意图，图ψΑχ，A2对应图1中的激光束;B1，B2对应图1中的电学补偿信号和电学时钟信号；图中实线代表激光光束的传播，虚线代表电信号传输，箭头方向代表信号传输方向。
[0023]自适应补偿模块4包括:两个分束器、四个合束器、两个连续激光器、四个光电二级管及三个混频器，所述第一连续激光器43分别连接第一合束器421、第二合束器422，第二连续激光器44分别连接第三合束器423、第四合束器424;第一分束器4h分别连接第一合束器42ι、第三合束器423，第二分束器412分别连接第二合束器422、第四合束器424 ；每一合束器连接一光电二级管；第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2连接第一混频器15，第三光电二极管PD3、第四光电二极管Η)4连接第二混频器35;第一混频器15、第二混频器35连接第三混频器25。
[0024]激光束A1通过分束器4h分成两束光，其中一束光与连续激光器43输出的激光同时输入合束器42i实现激光合束，将合束后的激光作用到光电二级管^^，得到拍频信号;A2被分束器412分束后，其中一束光与连续激光器43输出的激光同时输入合束器422实现激光合束，将合束后的激光作用到光电二极管I3D2，得到拍频信号；同样，激光束AdPA2S分束器41u412分束后的另一束激光与连续激光器44输出的激光分别输入合束器423、424合束并作用到光电二级管I3D3、PD4，得到拍频信号。
[0025]通过光电二极管ro将四个拍频光信号转换成为电信号。
[0026]将叩1和?02输出的电信号输入混频器15，PD3和PD4输出的电信号输入另一混频器35，两混频器分别输出与连续光频率漂移无关而只与两光梳重复频率及载波包络相位CEP抖动有关的两差频信号；选择其中一个信号作为后续探测的电学补偿信号B1;并将这两个差频信号进一步输入混频器25，混频器25输出与两光梳CEP抖动无关而只与重复频率微小抖动有关的信号，将该信号为电学时钟信号B2。
【主权项】
1.一种自适应补偿的太赫兹光梳光谱仪，其特征在于它包括重复频率锁定的第一光梳(I)、第二光梳(2)、第一分束器(31)、第二分束器(32)、自适应补偿模块(4)、第一半导体天线(51)、第二半导体天线(52)、一对抛物面镜(6)、样品(7)、混频器(8)及采集卡(9)，所述第一光梳(I)、第二光梳(2)分别连接第一分束器(31)、第二分束器(32);第一分束器(31)—端连接自适应补偿模块(4)、一端连接第一半导体天线(51);第二分束器(31)—端连接自适应补偿模块(4)、一端连接第二半导体天线(52);样品(7)设于一对抛物面镜(6)内并与第一半导体天线(51)、第二半导体天线(52)连接，第二半导体天线(52)连接混频器(8)，自适应补偿模块(4)分别连接混频器(8)及采集卡(9)。2.根据权利要求1所述的太赫兹光梳光谱仪，其特征在于所述自适应补偿模块(4)包括:两个分束器、四个合束器、两个连续激光器、四个光电二级管及三个混频器，第一连续激光器(43)分别连接第一合束器(42D、第二合束器(422)，第二连续激光器(44)分别连接第三合束器(423)、第四合束器(424);第一分束器(4h)分别连接第一合束器(42D、第三合束器(423)，第二分束器(412)分别连接第二合束器(422)、第四合束器(424);每一合束器连接一光电二级管;第一光电二极管(PD1)、第二光电二极管(PD2)连接第一混频器(15)，第三光电二极管(PD3)、第四光电二极管(PD4)连接第二混频器(35);第一混频器(15)、第二混频器(35)连接第三混频器(25)。
【文档编号】G01J3/28GK205642620SQ201620424409
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】曾和平, 段思邈, 李敏
【申请人】上海朗研光电科技有限公司