[实用新型]测量太赫兹时域光谱的设备

说明书

技术领域

本使用新型涉及一种太赫兹时域光谱(THz-TDS：TerahertzTime-Domain Spectroscopy)测量技术，特别涉及一种通过使用飞秒脉冲激光产生并探测太赫兹脉冲来测量太赫兹时域光谱的设备。

背景技术

随着太赫兹波(指波段范围为0.05～50THz，特别是0.1-10THz的电磁波)产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展。太赫兹时域光谱技术是太赫兹波研究领域最重要的技术之一。使用太赫兹时域光谱技术能获得被检测样品的太赫兹反射或透射光谱，所获光谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广泛应用于质量检测、安全检查及反恐等诸多应用领域。

文献1(张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光电子学进展，2005年7月，35～38页)披露了一种太赫兹时域光谱测量技术，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的频谱图(时域光谱)。

但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量技术采用了机械时间延迟装置。由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、位置的偏移等)的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如1ns甚至1ns以上)的测量，从而直接限制了其频谱分辨能力(典型值3-50GHz)。另外，基于机械时间延迟装置的系统扫描速度比较慢。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。

文献2(A.Bartels，etc.，High-resolution THz spectrometer with kHzscan rates，OPITCS EXPRESS，Vol.14，No.1，p430～437)披露了一种太赫兹时域光谱技术，它是一种异步光学采样(Asynchronous OpticalSampling)时域光谱技术。在文献2的技术中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量技术需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2的技术中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Δf，则在1/Δf的时间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，来得到太赫兹脉冲的时域谱。

如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱技术免去了机械时间延迟装置，并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使系统能保持高的频谱分辨能力(典型值：1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0.1ms，多次扫描信噪比典型值：60dB@60s)。但是，这种技术为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激光器的重复频率(由典型值80MHz提高到了1GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(1GHz重复频率的理论频谱分辨率为1GHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的不足，本使用新型提出了一种新的测量太赫兹时域谱的设备，它通过调整两台工作在同样重复频率的飞秒激光器出射的两个光束之间的初始相位差来实现两个光束之间的时间延迟。

在本使用新型的另一方面，提出了一种测量太赫兹时域光谱的设备，包括：第一飞秒激光器，以预定的重复频率从第一飞秒激光器发出第一脉冲激光束，产生太赫兹脉冲；第二飞秒激光器，以所述重复频率从第二飞秒激光器发出第二脉冲激光束；测量装置，设置在第一飞秒激光器和第二飞秒激光器的下游，测量在所述第一脉冲激光束与所述第二脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲的电场强度；以及与测量装置连接的数据处理装置，通过对表示所述电场强度的数据进行傅立叶变换来得到太赫兹时域光谱。