一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪

本发明涉及太赫兹频率计量领域，具体地说是一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪。

背景技术：

1、过去几十年来最具挑战性的研究方向之一便是在太赫兹范围内实现计量级、可调谐和光谱纯净的相干波源，该领域的工作对于高精度分子光谱等应用至关重要。太赫兹波段的频率计量精度明显低于光学和电子学波段，呈现“频率计量的太赫兹空白”，因此太赫兹频率计量的建立能够提升当前太赫兹应用的可靠性，并在太赫兹遥感、气体传感和天文学中的高分辨率光谱学，以及各种类型的商用太赫兹仪器(如信号源、探测器和系统)的频率校准等应用中发挥重要作用。

2、频谱分析仪(含网络分析仪)是一种基本频率测量仪器，广泛用于射频、微波和毫米波，然而，尽管为扩展其可探测频率范围已经做出了许多努力，但在太赫兹波段使用它仍然很困难。缺少室温运转的快速灵敏的太赫兹探测器及宽调谐高功率的太赫兹本地振荡源成为太赫兹频率计量研究的主要阻碍。一种常用的太赫兹频率计量方法是外差分析法，即待测太赫兹信号与本地振荡源混频转换为射频信号进行分析。本地振荡源和混频器的属性决定了量程和分辨率，现有的装置往往体积庞大，缺乏频率可调性，难以与其他组件集成。飞秒和量子级联激光器(qcl)频率梳的出现促进了外差频率计量水平的提升，足够的频率可调性(少数ghz)和紧凑的尺寸使量子级联激光器成为一种优势明显的本地振荡器，但低温冷却不可避免。飞秒频率梳通常适用于1thz以下频段，qcl能覆盖更宽的范围但单个器件的范围窄，商用网络分析也集中于低频段。总之，目前常见的太赫兹频率计量方法在量程及分辨率(分度)等方面还不能满足高分辨率波谱分析等应用的需求，仍有较宽的“频率计量空白”。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，待测太赫兹波与近红外探测光通过非线性作用产生近红外上转换光，利用该波段成熟的测量分析技术根据能量守恒关系间接计算出待测太赫兹波的波谱信息。可应用于高分辨波谱分析和探测系统，实现待测太赫兹波谱信息的高效精准获取。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，包括：探测光源和在探测光输出方向依次设置的聚焦透镜、上转换晶体、准直透镜、耦合透镜、多模光纤，以及与多模光纤连接的光谱仪和上位机；待测太赫兹波照射上转换晶体；

4、所述探测光源为单色近红外光源，用于产生频率上转换所需的近红外探测光；所述聚焦透镜用于将探测光聚焦到上转换晶体上；所述上转换晶体为非线性光学晶体，用于通过二阶非线性光学频率变换作用，使得透射在其中的待测太赫兹波和探测光耦合，产生近红外波段的相干上转换光；所述准直透镜用于准直上转换光至耦合透镜；所述耦合透镜将近红外上转换光汇聚到多模光纤；所述多模光纤将其传输到光谱仪；所述光谱仪用于测量上转换光谱；所述上位机用于根据能量守恒关系和已知探测光光谱，计算待测太赫兹波谱信息。

5、还包括设在上转换晶体入射面一侧的合束镜，其焦点位置与聚集透镜的焦点重合；用于将待测太赫兹波与探测光合束后照射在上转换晶体上。

6、所述合束镜为离轴抛物面镜，其表面镀金膜且带孔，用于反射并会聚太赫兹波，使得反射的太赫兹波与穿过小孔的探测光合束，透射至上转换晶体。

7、所述上转换晶体材料为有机非线性晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐，放置于离轴抛物面镜及聚焦透镜焦点处，用于探测光与待测太赫兹波通过非线性作用差频产生近红外上转换光。

8、所述探测光源为波长在1300-1600nm范围内的相干光源，用于产生波长已知的单色近红外探测光。

9、在待测太赫兹波出射方向还设有太赫兹波入射窗口，为si/ge基底平行平面结构，用于透射待测太赫兹波。

10、还包括长通滤波片，表面镀探测光高反膜，用于截止剩余探测光，透射上转换光。

11、所述聚焦透镜、准直透镜、耦合透镜均为玻璃基底平凸透镜。

12、所述多模光纤为阶跃型玻璃光纤。

13、所述光谱仪为近红外光谱分析仪，测量范围覆盖600-1700nm，用于测量上转换光谱的中心波长及线宽。

14、本发明具有以下有益效果及优点：

15、1.本发明所采用的上转换探测增益介质为有机非线性光学晶体dast，其具有较大的二阶非线性系数和理想的0类共线相位匹配，能够在较宽的太赫兹频率范围内实现高效的频率变换，生成较强的近红外上转换光信号，获得较大的探测量程(至30thz)，并最大限度保持待测太赫兹波的原有波谱信息。

16、2.本发明所采用的太赫兹波上转换探测技术将待测太赫兹波通过二阶非线性频率变换作用生成近红外波段的上转换光，依托技术成熟的标准化商用近红外光谱分析仪器，实现对太赫兹波的间接频率表征，摆脱了对当前成熟度和可靠性较低的太赫兹仪器(本地振荡源和探测器等)的依赖，并到达更高的分析水平(量程和分度等)。

技术特征：

1.一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，包括：探测光源(1)和在探测光输出方向依次设置的聚焦透镜(2)、上转换晶体(5)、准直透镜(6)、耦合透镜(8)、多模光纤(9)，以及与多模光纤(9)连接的光谱仪(10)和上位机(11)；待测太赫兹波照射上转换晶体(5)；

2.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，还包括设在上转换晶体(5)入射面一侧的合束镜，其焦点位置与聚集透镜(2)的焦点重合；用于将待测太赫兹波与探测光合束后照射在上转换晶体(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述合束镜为离轴抛物面镜(4)，其表面镀金膜且带孔，用于反射并会聚太赫兹波，使得反射的太赫兹波与穿过小孔的探测光合束，透射至上转换晶体(5)。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述上转换晶体材料为有机非线性晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐，放置于离轴抛物面镜及聚焦透镜焦点处，用于探测光与待测太赫兹波通过非线性作用差频产生近红外上转换光。

5.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述探测光源为波长在1300-1600nm范围内的相干光源，用于产生波长已知的单色近红外探测光。

6.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，在待测太赫兹波出射方向还设有太赫兹波入射窗口(3)，为si/ge基底平行平面结构，用于透射待测太赫兹波。

7.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，还包括长通滤波片(7)，表面镀探测光高反膜，用于截止剩余探测光，透射上转换光。

8.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述聚焦透镜(2)、准直透镜(6)、耦合透镜(8)均为玻璃基底平凸透镜。

9.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述多模光纤为阶跃型玻璃光纤。

10.根据权利要求1所述的一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，其特征在于，所述光谱仪为近红外光谱分析仪，测量范围覆盖600-1700nm，用于测量上转换光谱的中心波长及线宽。

技术总结
本发明涉及一种宽量程密分度的太赫兹频率计量仪，包括探测光源、聚焦透镜、太赫兹波入射窗口、离轴抛物面镜、上转换晶体、准直透镜、长通滤光片、耦合透镜、多模光纤和光谱仪。所述探测光源产生近红外探测光；所述聚焦透镜聚焦探测光；所述太赫兹波入射窗口透过待测太赫兹波；所述离轴抛物面镜合束太赫兹波与探测光；所述上转换晶体产生近红外上转换光；所述准直透镜准直上转换光；所述长通滤光片阻挡剩余探测光；所述耦合透镜将上转换光汇聚到多模光纤；所述多模光纤传输上转换信号到光谱仪；所述光谱仪分析上转换光谱。根据已知的探测光光谱换算得到待测太赫兹波谱信息。这种太赫兹率计量仪量程宽、分度密，适用于太赫兹高分辨波谱等领域。

技术研发人员：刘鹏翔,付俏俏,祁峰,李伟,李惟帆,郭丽媛,郭旭
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12