专利名称：振镜式快扫描电光取样的THz检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及THz光谱分析和成像技术领域，尤其涉及扫描延迟电光取样的Thz检测系统和检测方法，属于脉冲THz波快速检测技术领域。
背景技术：
THz波通常指的是频率在100GHz-10THz(3.3mm-33μm)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。由于以前缺乏有效的THz产生和检测方法，人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于长期以来该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz波辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。
THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质(a)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样门测量技术，能够有效地防止背景辐射噪声的干扰。目前，对THz波强度测量的信噪比可大于104。
(b)THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直到几十THz的范围。
(c)THz波是由相干电流驱动的偶极子振荡产生或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的，具有很高的时间和空间相干性。更为重要的是，现有测量技术可以同时获得其带宽覆盖的各频率分量的振幅和位相、而无需借助于克雷梅斯-克罗尼格(Kramers-Kronig)关系进行后期处理，而通常的光学技术是无法做到这一点的。
(d)THz波光子的能量只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测的物质，从而可以进行无损检测。
THz波作为一种新型远红外相干光源，目前主要的应用集中在两个方面，即THz波时域光谱分析技术和THz波成像技术，可能的应用包括各种固体尤其是半导体的THz时间分辨光谱测量，THz波医学成像，生物分子构象的THz波时域光谱分析，无标记DNA分子探测，THz波显微成像等。
现有的电光取样THz波检测系包括以下三个部分(1)THz波的扫描延迟系统；(2)THz波时域电光取样系统；(3)信号检测与数据处理系统；各部分系统通过计算机控制实现协同工作。
目前的THz光谱和成像技术中THz波的扫描延迟系统主要采用电动平移台进行扫描，实现时间延迟的时域光谱测量和逐点扫描成像。这种方法的一个缺点是延迟时间扫描太慢，观测光谱信息不够及时，尤其是难以做到实时成像。另外，由于电动平移台的扫描速度太慢，属于慢扫描时间延迟测量，从而不能很有效地抑制热背景噪声。
发明内容
本发明的目的在于通过对光学延迟系统的改进，提供一种振镜式快扫描电光取样的THz检测系统和方法，应用本发明可以将探测时间大大缩短，能够实现快速的THz光谱和成像。
一种振镜式快扫描电光取样的THz检测系统，包括THz波的扫描延迟系统、THz波时域电光取样系统、信号检测与数据处理系统，其特征在于THz波的扫描延迟系统由现在的电动平移台扫描延迟系统替换为振镜式快扫描延迟系统，振镜式快扫描延迟系统包括两块振镜、振镜底座、扬声器、支杆、平移台，扬声器通过支杆安装到平移台上，振镜固定在振镜底座上，振镜底座再固定在扬声器震荡腔的振动面上。
在上述方案的基础上，可以在平移台上增加手动螺杆，利用手动螺杆可以同时改变两振镜的位置，从而可以实测振镜的扫描位置。由于两振镜装在同一扬声器震荡腔上，它们快速地同步扫描造成THz脉冲的不同延迟，实现了类似于电动平移台的功能。各部分系统通过计算机控制实现协同工作。
在上述振镜式快扫描电光取样的THz检测系统中，振镜式快扫描延迟系统中的扬声器震荡腔的振动面在控制信号的作用下容易实现作非线性往复运动，造成THz波的非线性延迟，进而实现非线性电光取样，再通过采用取样点拟合和线性插值方法处理数据，能够实现准实时的THz电光取样探测。
本发明提出一种新的THz波快扫瞄电光取样探测方法。它采用振镜作为扫描延迟系统的核心部件，对THz波进行往复式的光学扫描，随后由探测光通过电光晶体测量THz电场，采用同步或时序控制器来控制THz波的发射和锁相放大器的检测。利用计算机对振镜的运动进行控制，并获取来自锁相放大器的差分电信号，得到非线性取样的时间分辨电光取样光谱。所获得的数据进行插值计算和数据拟合，得到线性取样的时间分辨THz光谱数据，最后通过快速付立叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)，得到频域THz电场振幅和位相的光谱数据。
目前，THz波的扫描延迟系统都采用电动平移台的方式实现。电动平移台延迟激发THz波的飞秒激光脉冲，从而改变THz脉冲的时间序列，实现时间分辨的光谱测量。这种时间延迟系统具有速度可以控制、起止位置精确确定且进行线性扫描等优点，但是其扫描速度慢，受电动平移台的机械运动特性所限制，严重地影响了采样率的提高和抑制随机噪声的信号平均过程。本发明提出用振镜代替电动平移台，实现快扫描延迟，可以极大地提高采样率，从而可以进行多次的信号平均抑制随机噪声。振镜可以粘接在高质量的扬声器震荡腔上，扬声器频率可以高达几百赫兹，震荡幅度可以随所加电压大小而调节，从而振镜可以高速地在一定距离范围内往复振荡，形成往复的光学延迟扫描，这是本发明的核心技术。
由于扬声器震荡运动的特点，试验表明其驱动信号宜采用正弦波，这样可以保证扬声器的寿命和恢复精度。但是，相应地，振镜的运动不再是线性振荡而是简谐振荡，这为后面的信号处理提出了新问题。
本发明的检测系统采用电光取样相干探测方法，通过探测THz电场对电光晶体折射率椭球的改变，而间接地检测THz脉冲的电场强度。由于振镜运动的非线性特征，THz脉冲序列的时间间隔也变得复杂，因而电光取样序列变成非线性的信号采样。
在信号处理系统中，首先对振镜运动的非线性时间延迟进行拟合，得到时间延迟的光程对应关系；然后对实时测得的非线性时间分布光谱数据进行线性插值，获得线性取样光谱数据；最后，通过快速付立叶变换，得到频域THz振幅和相位光谱。
振镜式快扫描光学延迟系统克服了电动平移台扫描速度慢的缺点，同时具有价格便宜、制作简单和方便易用等优点，可以实现快速时间分辨THz光谱测量和成像。但是，由于其扫描延迟过程的非线性，造成非线性电光取样和不能直接进行付立叶变换的问题。采用取样点拟合和线性插值方法，本发明实现了快速的THz波检测。
图1振镜式快扫描THz波产生探测系统示意图；图2振镜式快扫描延迟系统(图1中的部分4)示意图；图3振镜扫描延迟时间的三次样条拟合曲线示意图，图中曲线上的方点为实际测量点，实线为三次样条拟合曲线。
具体实施例方式
参照图1，一种振镜式快扫描电光取样的THz检测系统，包括THz波的扫描延迟系统4、THz波时域电光取样系统12、信号检测与数据处理系统13，其中THz波的扫描延迟系统4由现有的电动平移台扫描延迟系统替换成振镜式快扫描延迟系统。参照图2，在本发明所提出的振镜式快扫描延迟系统4中，包括振镜M3和M4、振镜底座44、扬声器43、支杆42、一维平移台41和手动螺杆45，一维平移台41只能在OX方向移动，扬声器43通过支杆42安装在一维平移台41上，振镜M3和M4粘接在振镜底座44上，并一同粘接在扬声器震荡腔的振动面上，在一维平移台41上设有手动螺杆45，利用手动螺杆45可以同时改变两振镜M3和M4的位置，从而可以实测振镜的扫描位置。由于振镜M3和M4装在同一扬声器43的震荡腔上，它们快速地同步扫描造成THz脉冲的不同延迟，实现了类似于电动平移台的功能。
具体工作过程如下飞秒激光器发出一束脉冲激光，波长为800nm，脉宽为100fs，经反射镜M1和M2准直后穿过半波片1和偏振分束镜2将光束分成两束，其中一束泵浦光穿过斩波器3后，经过振镜M3和M4平行地返回，经反射镜M5和M6照射在砷化铟晶体5上，并产生一束脉冲的THz波，这束THz波经过抛物面反射镜PM1-PM4后经硅片7滤波照射在碲化锌晶体8上，另外一束探测光经反射镜M7-M12和硅片7反射后通过碲化锌晶体8，此时THz波对探测光进行调制，从而实现电光取样测量。系统中A1-A4是用于准直的小孔光阑，透镜L1和L2分别聚焦飞秒激光于THz发射极和电光晶体上，偏振片6用于纯化探测光的偏振方向。探测光经电光取样后，先经过四分之一波片9和透镜L3，再由偏振分束镜10分成s偏振和p偏振的两束光，最后经反射镜M13和M14射入差分探测器11进行探测，其差分电流正比于THz电场强度，所以可以相干地检测到THz脉冲电场随时间的变化。
图3示出了振镜运动的扫描位置与实际的延迟时间之间的关系，其中方点是实验测量结果，实线是三次样条拟合曲线。不难看出，由于振镜运动速度的非线性特征，在相同的取样时间间隔里，实际的扫描时间延迟是不同的。利用所得到的三次样条拟合关系x＝x0+a1t+a2t2+a3t3可以对实验采样点的时间延迟Δt＝Δx/c进行修正，进一步通过插值就可以得到需要的线性取样光谱数据。众所周知，与机械扫描速率相比，数据采集的取样率是足够高的，本方法提高了时间延迟的扫描速率，从而大大加快了时间分辨的光谱测量速度，使THz快速光谱和成像测量变得可行。
权利要求
1.一种振镜式快扫描电光取样的THz检测系统，包括THz波的扫描延迟系统[4]、THz波时域电光取样系统[12]、信号检测与数据处理系统[13]，其特征在于THz波的扫描延迟系统[4]由现有的电动平移台扫描延迟系统替换成振镜式快扫描延迟系统，振镜式快扫描延迟系统[4]包括两块振镜[M3和M4]、振镜底座[44]、扬声器[43]、支杆[42]、平移台[41]，扬声器[43]通过支杆[42]安装到平移台上[41]，振镜[M3和M4]固定在振镜底座[44]上，振镜底座[44]再固定在扬声器[43]震荡腔的振动面上。
2.根据权利要求1所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测系统，其特征在于在平移台[41]上设置有手动螺杆[45]。
3.根据权利要求1或2所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测系统，其特征在于振镜式快扫描延迟系统[4]中的平移台[41]是一维可动的。
4.一种振镜式快扫描电光取样的THz检测方法，是在权利要求1或2所述的振镜式快扫描电光取样THz检测系统基础上实现的，其特征在于所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测系统中，振镜式快扫描延迟系统[4]中的扬声器[43]震荡腔的振动面在控制信号的作用下作往复运动，从而造成THz波的延迟，进而实现电光取样，再通过信号检测和处理数据，实现快速THz电光取样探测。
5.根据权利要求4所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测方法，其特征在于所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测系统中，振镜式快扫描延迟系统[4]中的扬声器[43]震荡腔的振动面在控制信号的作用下作非线性往复运动，造成THz波的非线性延迟，进而实现非线性电光取样，再通过采用常规的取样点拟合和线性插值方法处理数据，实现准实时的THz电光取样探测。
6.根据权利要求5所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测方法，其特征在于在信号处理系统中，首先对振镜运动的非线性时间延迟进行拟合，得到时间延迟的光程对应关系；然后对实时测得的非线性时间分布光谱数据进行线性插值，获得线性取样光谱数据；最后，通过快速付立叶变换，得到频域THz振幅和相位光谱。
7.根据权利要求5或6所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测方法，其特征在于扬声器在正弦波驱动信号的作用下以几百赫兹的振动频率工作，震荡幅度由所加控制信号的电压大小控制，从而振镜可以高速地在一定距离范围内往复振荡，形成往复的光学延迟扫描。
8.根据权利要求7所述的振镜式快扫描电光取样的THz检测方法，其特征在于通过采用对多次检测信号求平均值的方法来抑制随机噪声。
全文摘要
本发明公开了一种振镜式快扫描电光取样的THz检测系统和检测方法，该检测系统包括THz波的扫描延迟系统、THz波时域电光取样系统、信号检测与数据处理系统，其特征在于THz波的扫描延迟系统由现有的电动平移台扫描延迟系统替换成振镜式快扫描延迟系统，振镜式快扫描延迟系统包括两块振镜、振镜底座、扬声器、支杆、平移台，扬声器通过支杆安装到平移台上，振镜固定在振镜底座上，振镜底座再固定在扬声器震荡腔的振动面上。检测方法是在上述检测系统基础上实现的，振镜式快扫描延迟系统中的扬声器震荡腔的振动面在控制信号的作用下作往复运动，从而造成THz波的延迟，进而实现电光取样，再通过信号检测和处理数据，实现快速的THz电光取样探测。
文档编号G01N21/17GK1815187SQ200610057110
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者赵国忠 申请人:首都师范大学