[发明专利]以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹信号源锁相系统，具体涉及一种基于高灵敏度超导热电子混频器和低频信号源（如固态半导体源）高次谐波为参考源的太赫兹量子级联激光器锁相系统。

背景技术

太赫兹频段常用信号源主要包括固体半导体源(如耿氏振荡器和倍频器组合)、真空管信号源(如返波管振荡器)，远红外气体激光器和量子级联激光器等。上述常用太赫兹信号源除远红外气体激光器外，其它信号源的工作频率一般会受外在条件影响，例如自由振荡的耿氏振荡器和太赫兹量子级联激光器的工作频率会受到环境温度波动和偏置电流噪声影响，因此，在实际应用中一般需要对信号源进行锁相来稳定其输出频率。

太赫兹信号源锁相可以基于谐波混频器实现，例如利用肖特基谐波混频器将固态半导体源锁相至(10 GHz附近)低频参考信号源，此方法在太赫兹低频段(1.5 THz以下频段)应用广泛，但随着频率升高，锁相中所需谐波混频器面临严峻技术挑战，例如灵敏度、可工作谐波次数、参考信号功率需求等。为此，欧美等发达国家正积极开展太赫兹高频段信号源(如太赫兹量子级联激光器)锁相技术研究。目前，法国LMPQ小组基于飞秒激光器和半导体化合物ZnTe中的电光效应在2.7 THz稳定了量子级联激光器的输出功率和输出频率，但其系统结构复杂，难以实际应用。另外，德国DLR小组基于太赫兹气体吸收谱线频率为参考，利用PID环路控制器，稳定了2.55 THz量子级联激光器的输出频率，但量子级联激光器的谱线宽度为kHz量级，仍无法满足高精度高频率分辨率应用需求。最近，德国KOSMA小组和荷兰SRON小组基于高灵敏度超导热电子混频器基波混频分别在1.5 THz和2.7 THz实现了量子级联激光器锁相，此方法简单可靠，已成为目前太赫兹高频段最有效的信号源锁相方案之一。但此方法中需要与信号源输出频率相近的太赫兹参考信号，KOSMA小组和SRON小组所用参考信号源分别为固态半导体源和超晶格(Superlattice)谐波发生器。此类参考信号源，如固体半导体源，在更高频段(1.5 THz以上)输出功率急剧降低，且制备非常困难，而超晶格谐波发生器在太赫兹高频段随着谐波次数升高输出功率也急剧降低，在实际应用中也会受到很大限制。因此，发现合适太赫兹参考信号源成为太赫兹高频段信号源锁相的关键。

发明内容

针对太赫兹高频段信号源(如量子级联激光器)锁相所需参考信号源的严重缺乏，本发明将提供一种新的太赫兹锁相参考源，即固态半导体源高次谐波。本发明将基于太赫兹高灵敏度混频器（超导热电子混频器）基波混频，利用固态半导体源高次谐波作为参考源，实现太赫兹量子级联激光器锁相。

完成上述发明的技术方案是：以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统包括按信号流向依次连接的第一波束分离器、第二波束分离器、带通滤波器、太赫兹混频器、中频放大单元和锁相单元，太赫兹量子级联激光器输出信号至第一波束分离器，固态半导体源高次谐波输出信号至第二波束分离器，太赫兹混频器直流偏置单元连接至太赫兹混频器，中频放大单元直流偏置单元连接至中频放大单元；

第一波束分离器、第二波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号、固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器，混频器利用固态半导体源高次谐波为锁相参考；太赫兹混频器混频后的中频信号，先经过中频放大单元放大，然后送至锁相单元；所述锁相单元将下变频后的中频信号与微波参考信号进行相位比较，产生误差信号后作为调谐电压反馈给太赫兹量子级联激光器，从而实现太赫兹量子级联激光器锁相。

本发明中，两个波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号和固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器,为了可基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测，这里选择波束分离器的反射方式将固态半导体源高次谐波耦合至太赫兹混频器，因为波束分离器的传输效率通常较高（大于95%），在被检测信号的传输路径中增加一个波束分离器将不会对相干检测系统的性能产生明显影响。所述太赫兹混频器采用超导热电子混频器，太赫兹量子级联激光器输出信号和固态半导体源高次谐波信号经超导热电子混频器混频后，所产生的中频将先经过中频放大单元，然后连接锁相单元。

所述中频放大单元包括低温低噪声放大器和常温中频放大器。