[发明专利]太赫兹光谱成像系统及其快速扫描方法

说明书

技术领域

本发明涉及超快光电子学和太赫兹光子学领域，具体的讲是一种利用电光调制连续激光实现飞秒激光光源重复频率精密调节，从而实现太赫兹时域电场快速扫描的方法，是一种实时、主动式太赫兹光谱成像方法。

背景技术

太赫兹由于具有相对较弱的光子能量被称为“无损伤探测”的光学波段。太赫兹光谱成像技术在生物医学成像、物质成份检测和鉴定方面具有重要应用价值。但目前制约太赫兹系统真正迈向小型化、走向实用化的一个重要因素是太赫兹时域扫描方式。

目前常用的太赫兹时域扫描方法主要是：基于机械平移台的采样探测；异步光学采样探测方法；基于光纤延迟线的采样探测。这几种方法各有其弊端。

基于机械平移台的采样探测具有时间精度高的优点，但由于其机械惯性，其扫描速度受到限制。因此，较难实现太赫兹快速扫描。

异步光学采样探测不需要机械式延迟导轨，不用确定零时间点，并且，这种方法的测量精度和分辨率大幅度提高。但是，此方法需要两台重复频率精确锁定并具有一定差值的飞秒激光光源，此光源对工作环境要求高，系统复杂，并且成本高，不利于走向实用化。

基于光纤延迟线的采样探测，其扫描频率在千赫兹量级，扫描窗口可以达到上百皮秒。但是由于光纤的存在，入射光的强度受到限制，并且在光纤传输中会发生展宽、色散以及损耗等现象，光纤的长度抖动也会带来采样时间的抖动,给电场的扫描带来不利因素。

发明内容

本发明的目的是针对目前太赫兹时域扫描存在的不足，提出一种基于精密电光调制作用实现太赫兹时域电场快速扫描的方法，在此基础上完成太赫兹光谱成像过程。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太赫兹光谱成像系统，其包括：

飞秒脉冲产生装置，用于输出重复频率锁定且可主动调节的飞秒脉冲；

分束器，用于将所述飞秒脉冲进行分束；

太赫兹产生装置，用于产生太赫兹脉冲；

太赫兹收集装置，用于收集太赫兹脉冲；

太赫兹探测装置，用于对所述太赫兹脉冲的时域电场进行探测。

作为优选方案，所述飞秒脉产生装置包括：

电脉冲产生模块，用于将信号源输出的频率为f的电信号作用到阶跃恢复二极管，在负载上输出重复频率为f、脉冲宽度为阶跃二极管阶跃时间t的电脉冲信号；

连续激光光源；

强度调制模块，用于将所述连续激光光源输出的单纵模连续激光调制成输出重复频率与所述电脉冲信号的重复频率相同，脉冲宽度与所述电脉冲信号的宽度相似的激光脉冲信号；

多级级联放大模块，用于将所述激光脉冲信号的激光功率进行放大；

非线性放大模块，用于将在多级级联放大后的激光脉冲信号的光谱宽度和能量进行放大；

脉宽压缩模块，用于将在非线性放大后的激光脉冲信号的脉冲宽度进行压缩至飞秒级。

作为优选方案，所述阶跃时间t为皮秒级。

作为优选方案，所述连续激光光源为单纵模CW激光器、半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。

作为优选方案，所述强度调制模块为电光调制器、MZI调制器或半导体调制器。

作为优选方案，所述多级级联放大模块为光纤放大器、固体放大器、薄片激光器、陶瓷放大器中的一种。

所述多级级联放大和非线性放大的方法均为分离脉冲放大，啁啾脉冲放大，自相似放大，孤子放大，高阶色散补偿的非线性放大，以及这些方法的组合等。

一种基于前所述的太赫兹光谱成像系统的快速扫描方法，其包括如下步骤：

将飞秒脉冲产生装置输出的飞秒脉冲激光利用分束器分束成两束激光，记为第一激光束和第二激光束；

将所述第一激光束照射在光电导天线或电光晶体上，产生太赫兹脉冲；

利用太赫兹收集装置将所述太赫兹脉冲进行收集，并输入至太赫兹探测装置中；

将所述第二激光束作为参考光，耦合到光纤中以达到空间距离的偏移，使得光束中的参考光与太赫兹脉冲偏离a个脉冲信号；

改变电脉冲信号产生模块中信号源的输出频率，对飞秒脉冲激光的重复频率进行主动调节，改变参考光与太赫兹脉冲的时间延时，完成对太赫兹脉冲的取样过程，实现太赫兹脉冲时域扫描。

作为优选方案，所述飞秒脉冲激光的生成方法为：

利用信号源输出以频率f周期性变化的电信号，将所述电信号作用到阶跃恢复二极管，随着输入信号的周期性变化，在负载上输出重复频率为f，脉冲宽度为阶跃恢复二极管阶跃时间t的电脉冲信号；