[发明专利]一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法，本发明装置产生的触发信号，相比于双光子方式触发信号，有效的避免双光子在调节过程中所遇到的如倍频信号不易调出等一系列问题，并大大简化了光路的设计，以便于为进一步集成异步扫描系统提供便利；与利用双平衡探测器(DBM)相比，有效的避免了多次引入电学信号造成的触发信号不稳定，所获得的触发信号减小了约100fs‑200fs的抖动，对进一步获得稳定的高信噪比太赫兹信号提供了良好的先决条件。

技术领域

本发明属于THz技术领域，具体涉及一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法。

背景技术

太赫兹是指频率段在0.1THz到10THz的电磁辐射波。这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。太赫兹波由于具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，在无损检测、无线通信、军用雷达、生化等众多领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来，众多研究小组开展了太赫兹时域光谱领域的研究。太赫兹波由于其所属频段的特点，以及许多生物分子的振动和转动能级均坐落在此频段内。使得太赫兹光谱成为检测生物分子以及疾病的有效手段。因此研究太赫兹光谱系统正成为国内外研究的重点。

THz-TDS系统作为一种有效的光谱检测手段，在未来的生物医学，无损检测及光谱成像领域中发挥越来越重要的作用。现阶段常见的太赫兹产生方法有光电导天线和光整流法，探测太赫兹的方法有光电导取样和电光取样法。

如图1所示，现阶段普遍应用的传统THz-TDS泵浦探测系统通过机械平移台的机械步进来实现对太赫兹信号的逐点扫描，机械电机每步进一次只会完成对太赫兹脉冲的某一点采样，因此，要想得到整个太赫兹脉冲，根据时域谱分辨率的需求步进电机需要移动几百到几千次，耗时几分钟到几十分钟甚至更长。所以，基于机械平移台的THz-TDS系统无法实现对太赫兹脉冲的快速采样。其具有如下缺点：

1)使用机械延迟装置，由于电机的机械弛豫时间，会导致扫描完所有的点要使用很长的时间，所以传统TDS系统得到一张太赫兹时域光谱一般需要几到几十分钟，时间很长。

2)机械平移台由于是利用电机产生运动，所以在移动的时候会产生振动，这种振动会对整个光学系统的光路结构产生影响，所以需要在光学平台上来进行试验，不易于集成，不利于制作可移动可便携的太赫兹时域光谱系统。

3)若平移台的搭建不够精确，光束会随着平移台的移动而产生微小的偏移，因此会对实验结果产生进一步的影响。

如图2所示，异步快速光学采样系统(ASOPS-THz-TDS)可以成功的避免由机械平移台引入的弊端。在ASOPS系统中有两台锁模飞秒激光器，其重复频率为几十兆赫兹到几G赫兹且可调，激光功率大约几百mW到几W，脉冲长度约为100fs，分别用作泵浦和探测激光，如图2所示。扫描过程中由高带宽反馈电子设备控制两激光器之间的重复频率差，其范围在小于1赫兹到几十K赫兹。由于重频差而实现自动扫描。与传统TDS系统不同，ASOPS系统需要产生一个触发信号来开始每次信号的采集。采样原理如图3所示。采集到的信号要进行多次平均，来降低随机噪声，用以获得较高的信噪比。得到稳定的触发信号至关重要，否则信号强度会大幅下降，而无法得到理想的信噪比。两台激光器分别产生泵浦(pump)脉冲和探测(probe)脉冲，其重复频率分别为f+Δf和f，两列脉冲对应的时间间隔为Δτ为探测脉冲对泵浦脉冲的瞬间相应取样的步进时间，即为时间分别率。时间间隔1/(f+Δf)内对太赫兹信号的探测是由f/Δf个采样信号组成，所观测到的信号相比于时间轴被放大了p倍。

一个周期内的采样点数为

采集太赫兹脉冲单个点所用时间为：每一个泵浦和探测脉冲重合一次则产生一个触发信号。触发信号周期为即采集一个太赫兹所需时间也为T。