[发明专利]噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其是一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱方法，将激光脉冲转换的电信号进行混频、差频等处理，实现激光脉冲重复频率抖动和载波包络零频抖动的自动补偿，在极大地降低飞秒光梳控制精度甚至无需对飞秒光梳加以精密控制的情形下，得到稳定的太赫兹光谱取样信号，从而获得高精度太赫兹光梳光谱。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1～10THz波段的电磁波，相对于红外线、“X射线”等成像手段，太赫兹波段由于具有更低的能量，不会对被测物造成破坏而被称为“无损伤探测”波段。此外，由于生物分子的振动与转动能级大多在太赫兹波段，所以通过太赫兹的透射谱或反射谱可以进行物质检测。因此，太赫兹波在生物医学成像、物质成分检测和鉴定方面具有重要应用价值。

目前常用的太赫兹光谱技术是太赫兹时域光谱系统，其通过机械延迟线来控制泵浦光与探测光间的延时从而实现太赫兹时域信息的扫描。虽然此种方法在一定程度上可以在较长的距离内实现精确扫描，但是其光路设计与搭建复杂难控，且机械平台延时的方法使得扫描时间较长，无法实现真正意义上的太赫兹光谱实时探测。

太赫兹异步光学取样系统是一种新兴的太赫兹时域扫描系统。这种方法的实现是通过两个重复频率精确锁定且略有差别的光梳系统进行拍频，利用重复频率自扫描取代机械平移台扫描，从而突破扫描精度与测量时间的制约限制，缩短了太赫兹光谱仪的光谱探测时间。由于异步光学取样对光梳的控制要求很高，需要系统可以长时间稳定的锁定激光脉冲的重复频率与载波包络相位抖动，否则将会对系统的采样精度造成严重的影响,甚至无法获得准确的太赫兹光谱。而重复频率与载波包络相位漂移受环境影响较大，对他们的锁定环境要求苛刻，尤其是载波包络相位锁定对激光器的运行条件要求苛刻,现有异步取样太赫兹光谱方法对光梳的精密控制要求很苛刻,急需发展新方法与新技术来提升仪器的鲁棒性。

发明内容

本发明目的是针对目前传统机械扫描太赫兹时域光谱技术所需时间长，异步光学取样技术信噪比低、且对环境要求极高等存在的不足，而提出的一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱方法。此方法首先利用反馈调节的方式分别锁定两个重复频率相近的窄线宽激光器的重复频率，得到重复频率略有差异的两台光梳；采用窄谱线连续激光分别与两台光梳进行外差拍频，利用拍频信号的频率差来测量出光梳的重频及载波包络相位抖动的差别，作为补偿信号。同时，两台光梳分别用以驱动及探测太赫兹，产生的太赫兹光梳中同样包含光梳的重频及载波包络相位抖动，将补偿信号与探测的太赫兹信号拍频，从而实现实时自适应补偿，消除重频及载波包络相位抖动的影响。这一过程无需对两台光梳进行苛刻且极其易被干扰的高精度控制，获得高精度和高稳定度的太赫兹光谱。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种噪声免疫的自适应补偿太赫兹光梳光谱探测方法，特点是该方法包括以下具体步骤：

(1)分别对两台重复频率略有差别的飞秒激光光源进行重复频率锁定，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；所述重复频率锁定过程：

从飞秒激光光源中分离出少量光，作用到光电二极管，得到电信号；利用信号发生器输出重复频率确定的定频信号；将所述的电信号与定频信号混频，并将混频信号输入低通滤波器，得到频率较低的飞秒激光光源重复频率与标准频率的误差信号即差频信号；利用信号放大器放大此差频信号，并将其作为补偿信号对飞秒激光光源谐振腔端部固定的压电陶瓷PZT进行调节；补偿信号驱动PZT产生微小形变从而改变激光光源腔长，使重复频率动态跟随信号源的定频信号，进而锁定飞秒激光光源的重复频率，得到重复频率锁定的两台光梳A和B；

(2)采用分束器分别将两台光梳A和B分为能量高与能量低的两束光；

(3)将两台光梳分束后，对能量低的两束光进行信号处理，以产生自适应补偿信号，具体流程如下：