一种基于光混频的可编程调制太赫兹精细波谱检测系统

本发明涉及太赫兹波谱检测，更具体地，涉及一种基于光混频的可编程调制太赫兹精细波谱检测系统。

背景技术：

1、太赫兹波是指频率在0.1-10thz，介于微波与远红外波段之间的电磁波，因其所处电磁波谱位置的特殊性而具有非电离性、对复合材料可透视性等独特的性质，在波谱与成像检测、大容量无线通信等领域具有非常重要的学术价值和应用前景。

2、太赫兹频段的波谱检测与分析，是太赫兹频段不同于红外和拉曼谱特征的独一无二的功能。近十年来，太赫兹波谱分析的系统和工具，随着实验室研究和工业检测的需求，已经产生了不同的系统结构和数据分析处理方法。现有的毫米波/太赫兹频段的介质参数分析和特征吸收峰指纹谱检测系统，常见的类型有基于矢量网络分析仪的s参数测量系统、太赫兹时域光谱测试系统(thz-tds)、太赫兹频域测试系统(thz-fds)。

3、基于矢量网络分析仪的s参数测量系统，采用固态电子学的倍频、混频模块，在待测试的频段需要相应的频率扩展模块且不能动态调谐频谱范围和参数。thz-tds系统需要飞秒激光器和延迟线系统，频谱分辨率一般只能达到ghz量级。thz-fds系统的频谱分辨率一般只能达到mhz量级。以上已经形成产品的系统结构均不能同时实现在太赫兹频段的动态调谐和超高精细频谱分辨率，在需要动态调谐和太赫兹频谱分辨率要求高的应用场景中，不能适用。见非专利文献1，2，3；非专利文献1vdi的矢量网络分析扩频模块说明书；非专利文献2.advantest tas terahertz time-domain spectroscopy产品说明书；非专利文献3.terahertz technologies,laser,accessories,solutions.toptca photonics产品说明书。

4、非专利文献4报道了一种软件定义的光子学太赫兹超精细谱的系统结构和应用案例，但是限于utc pd一般是波导输出结构，有相应的的工作频段(例如d波段，f波段等)，能够产生的发射端太赫兹波谱范围有限，很难突破1thz以上。且论文中只对出射的线型做了规定(高斯或洛伦兹线型)，只演示了两根谱线的光混频，并没有进一步研究其他调制格式的太赫兹精细波谱。

5、非专利文献5报道了采用太赫兹回波管波谱扫描系统做发射源，固态电子学外差探测器作为接收端的紧凑型气体太赫兹波谱检测系统，采用压力和温度可控的气体室，实现了210-270ghz的频段范围内的混合气体ppt级的检测灵敏度

6、非专利文献6报道了光学领域的波长和频率调制光谱的基本结构原理，非专利文献7报道了采用cmos集成电路，借鉴非专利文献5的原理，实现220-320ghz的波长调制光谱检测气体，达到ppm级的检测灵敏度。

7、综合非专利文献5，6，7所述，目前尚未见报道在太赫兹频段超宽带范围内可调谐(0.1-1thz以上)的太赫兹波长或频率可任意编程调制的精细波谱检测系统，也没有将波长或频率调制光谱的原理用于光发射、固态电子学接收的系统结构中。

8、非专利文献4.rodolfo i.hermans,et al.ultra-high-resolution software-defined photonic terahertz spectroscopy,optica,7(10):1445-1455.(2020)。

9、非专利文献5.christopher f.neese,et al.compact submillimeter/terahertzgas sensor with effificient gas collection,preconcentration,and pptsensitivity,ieee sensors journal,vol.12,no.8:2565-2574(2012)。

10、非专利文献6.james supplee,edward a.whittaker,and wilfriedlenth.theoretical description of frequency modulation and wavelengthspectroscopy.appled optics.(1994)。

11、非专利文献7.cheng wang,et al.molecular detection for unconcentratedgas with ppm sensitivity using 220-to-320-ghz dual-frequency-combspectrometer in cmos,ieee transactions on biomedical circuits and systems,vol.12,no.3,709-721.(2018)。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，现有技术已经形成产品的系统结构均不能同时实现在太赫兹频段的动态调谐和超高精细频谱分辨率，在需要动态调谐和太赫兹频谱分辨率要求高的应用场景中，不能适用；为了解决上述问题，公开一种基于光混频的可编程调制太赫兹精细波谱检测系统。

2、本发明实现的技术方案如下，一种基于光混频的可编程调制太赫兹精细波谱检测系统，由光子学发射前端、样品池和太赫兹信号接收端组成。

3、所述光子学发射前端包括窄线宽激光光源、光频梳状谱产生系统、波长选择滤波器、调制系统、光放大器、太赫兹光子混频器件和发射端。

4、所述样品池，根据被测试样品的外部环境要求控制温度和压力。

5、所述太赫兹信号接收端包括谐波混频下变频模块和中频if信号检测系统。

6、所述窄线宽激光光源连接光频梳状谱产生系统的输入端；光频梳状谱产生系统的输出端连接波长选择滤波器的输入端；波长选择滤波器输出信号经调制系统和光放大器到太赫兹光子混频器件形成太赫兹波信号，再到发射端；由发射端发射的太赫兹波信号经样品池，通过太赫兹透镜进入谐波混频下变频模块；谐波混频下变频模块经中频if信号检测系统，形成本振信号连接光频梳状谱产生系统的另一个输入端。

7、所述窄线宽激光光源为光频梳状谱产生系统提供光源；所述光频梳状谱产生系统结合外部输入的光纤激光光源和本振，产生梳齿间频率差可调谐的梳状光谱送至光波长滤波器；所述光波长滤波器选择两路谱线的光参与太赫兹光子混频过程，其中一路为本振光，一路为经调制的调制光；二路光合束后参与拍频的激光信号做功率放大，通过太赫兹光子混频器件将二路有一定频率差的光信号拍频产生太赫兹波无线信号，经过天线或波导发射出去；所述太赫兹波照射待检测样品池，携带样品的透射波谱或反射波谱经过准直或聚焦后，经过谐波混频下变频模块snm(sub-harmonic mixer)，将太赫兹信号转换到中频if，由中频if信号检测系统分析，向光频梳状谱产生系统提供本振信号；不放置样品的太赫兹精细波谱作为参考信号，相互比较获得带检测样品的太赫兹精细波谱信息；依据感兴趣的频率范围编程定义调制参数，精细调节太赫兹波谱的工作谱段和工作模式。

8、所述系统通过光频梳状谱和波长选择滤波器控制太赫兹载波中心频率和调谐范围，通过光电调制器和任意波形发生器控制单个光波长的调制格式，实现特定气体和特质物质成分的太赫兹精细谱检测。

9、所述光频梳状谱产生系统由相位调制器和外部本振调制器构成，或者采用基于硅基光子学的梳状谱芯片；结合外部输入光纤激光光源和外部本振，用于产生梳齿间频率差可调谐的梳状光谱。

10、所述调制系统，包括任意波形发生器awg和光电调制器组合，用于对其中一根谱线做调制；根据调制方式的不同，选择不同的调制器件，包括相位调制器，i/q的mzm调制器或ook强度调制器；

11、所述调制系统的调制方式分为强度调制，相位调制和i/q调制，调制方式软件可定义；强度调制采用随机ook调制；i/q调制采用单边带载波抑制调制；相位调制分为频率调制、波长调制和普通调制。

12、所述谐波混频下变频模块，用于将太赫兹检测信号下变频到中频if；所述变频模块是无源混频器，或者是含有中频放大器的有源混频器，用于将if信号放大。所述谐波混频器的n次谐波，需要携带被测试样品信息的太赫兹信号频率和中频if的频率数值，最终确定本振信号的倍频次数n。

13、所述中频if信号检测系统，是电子学频谱分析仪或者是经过锁相放大后的微弱信号检测系统；所述波谱检测系统，是太赫兹透射波谱，或者是太赫兹反射波谱。

14、所述样品池，包含温度和压力控制系统，可以根据被测试样品的外部环境要求控制温度和压力。

15、所述太赫兹波无线信号的电场函数表达式为：

16、

17、式中，e0表示太赫兹波的电场强度；ω0表示太赫兹载波的初始角频率；msinωmt是调制项，其中m表示调制深度；ωm表示调制项的频率成分；i表示表示复数的相位项；jn表示第n阶贝塞尔函数；n表示贝塞尔函数j的阶数，从负无穷到正无穷的分解；

18、式中ω0由参与拍频的两根中心光波长的频差决定，ωm是以ω0为中心的调制谱线相对位置；

19、透过样品池的太赫兹波信号为：

20、

21、其中，t(ωn)为样品对每一个频率分量ωm的透过率复传递函数，t(ωn)＝exp(-δn-iφn)；式中，δn为透过率复传递函数的实部；φn为透过率复传递函数的虚部；

22、当m远小于1，且n>1时，jn(m)可忽略，为频率调制；

23、当满足m＞＞1,mωm＜γ时，为波长调制。

24、所述频率调制时，太赫兹发射的电场函数的强度检测用下式表示：

25、

26、以洛伦兹吸收线型为例，

27、其中，δ(ω)表示吸收体；γ表示吸收体的宽度；ω表示吸收体的中心频率；

28、a表示吸收体的最大吸收率。

29、所述波长调制时，太赫兹发射的电场函数的强度检测用下式表示：

30、

31、其中，i表示太赫兹波的电场强度；δ表示相邻边带之间的吸收率差异，假设是常数不变。

32、一种可编程调制的太赫兹段精细波谱的检测方法，步骤如下：

33、(1)选择参与拍频的谱线，根据本振信号、梳状谱和波长选择滤波器，确定参与拍频的光纤激光的谱线数量和频差，从而控制拍频后的太赫兹载波的中心频率。

34、(2)选择其中一路或多路光波长做调制；由光电调制器和任意波形发射器所构成的光波调制系统，对其中一根谱线进行相位调制，根据波谱检测系统需要，采用不同的调制方式来实现，如ook调制、单边带载波抑制的i/q调制或相位调制；对单根太赫兹谱线的线型进行控制，如高斯或洛伦兹线型。

35、(3)依据相位调制参数特征处理波谱信号，采用光混频技术，实现对出射太赫兹波的调制；所述光混频发射，通过太赫兹光子混频器件将两路有一定频率差的光信号拍频产生太赫兹波信号，经过天线或波导发射出去。

36、(4)谐波混频接收端接收进入样品池的太赫兹波信号，在谐波混频下变频模块将太赫兹信号转换到中频if；本振信号同时提供给光频梳状谱产生系统和接收端的谐波混频下变频器之前的n倍频器和频谱分析仪器。

37、(5)中频if信号检测系统及信号处理，中频if信号检测系统对于太赫兹精细波谱参考波谱和携带样品信息的波谱的数据处理方法直接在频域进行；中频if信号检测系统采用频谱分析仪或锁相放大检测系统。

38、所述光频梳状谱产生系统、谐波混频下变频和中频if信号检测系统三部分共用一路本振信号源，以提高波谱频域精度(sub-khz精度量级)、增加检测信号动态范围，降低太赫兹载波的相位噪声，从而进一步降低相位噪声。

39、本发明的有益效果在于，本发明提供了一种基于光子混频的软件可定义太赫兹精细波谱检测系统和信号处理方法，通过光频梳状谱和波长选择滤波器控制太赫兹载波中心频率和调谐范围，通过光电调制器和任意波形发生器控制单个光波长的调制格式，实现超宽带范围(1thz以上)可调谐、出射太赫兹载波中心波长可精确控制、调制格式可编程的大动态范围、高灵敏度超精细太赫兹波谱检测系统，实现特定气体和特质物质成分的太赫兹精细谱检测。