基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測系統及探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于"太赫茲時域光譜系統研究"技術領域，具體涉及一種基于單模光纖的 太赫茲脈沖單次探測系統，實現了激光脈沖展寬與加啁嗽過程的簡化，及太赫茲脈沖的單 次探測。
【背景技術】
[0002] "太赫茲波"是對一個特定波段電磁波的統稱，是指振蕩頻率介于0. 1~IOTHz之 間的頻譜范圍，在電磁波譜中位于毫米波和紅外波之間，因此也稱"亞毫米波"。"太赫茲波" 因其處于電子學向光子學過渡的特殊位置，因而具有"極性-非極性材料的選擇透過性"、 "單光子能量較低的操作安全性"、以及"指紋光譜檢測與分析"等獨特的性質，具有非常重 要的研究價值和應用前景。"太赫茲光譜學"已在生物學、醫藥學、材料學、化學以及軍事國 防等諸多領域展現出巨大的應用潛力，并迅速成為前沿熱門研究方向。
[0003] "太赫茲時域光譜技術"是近年來一種新興的光譜檢測與分析技術，是"太赫茲光 譜學"的核心研發領域。通過"太赫茲時域光譜技術"可以得到樣品的時域電場信息，經過 傅里葉變換之后，即可得到樣品在頻域上的對應幅值和相位信息。這一特點使得此技術的 研究得到了極大的關注。同時，"太赫茲時域光譜技術"所具有的"相干探測屬性"、"高時間 分辨率"和"高靈敏度"也為科研工作者們展現了一個全新的光譜學研究視角。
[0004] 目前，"太赫茲時域光譜系統"普遍采用"掃描探測"的方法，這在進行諸如"生物組 織樣品成像"時會犧牲大量的時間成本；同時，應用"掃描探測"的"太赫茲時域光譜系統" 又要求太赫茲源具有較高的重復頻率，這就大大限制了此技術的應用領域。針對上述問題， 近年出現的"太赫茲單次探測技術"雖可實現對單個太赫茲脈沖的時域測量，但此類系統一 般采用分離光學元件構成探測光路的激光脈沖展寬和啁嗽化裝置，使得系統整體體積大、 結構復雜、成本較高，集成性和便攜性較差。

【發明內容】

[0005] 本發明目的是克服現有技術存在的上述不足，提供一種基于單模光纖的太赫茲脈 沖單次探測系統及探測方法，實現激光脈沖展寬與加啁嗽過程的便化，及太赫茲脈沖的單 次探測，解決現有的太赫茲單次探測系統整體體積大、結構復雜、成本較高，集成性和便攜 性較差等問題。
[0006] 本發明采用的技術方案是：
[0007] 1、一種基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測系統，包括飛秒激光器、分束鏡、第一 光纖耦合器、單模光纖、光纖準直器、起偏器、金反射鏡、聚焦透鏡、光絲、太赫茲脈沖、特氟 龍板、第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡、薄膜合束鏡、電光晶體、檢偏器、第二光纖親 合器、多模光纖、光纖光譜儀；
[0008] 其中所述飛秒激光器，用于發射飛秒激光脈沖，提供系統所需的光能量；所述分束 鏡，用于將飛秒激光脈沖分成栗浦激光脈沖和探測激光脈沖，栗浦激光脈沖直接透射分束 鏡，探測激光脈沖被分束鏡以90度反射；所述第一光纖耦合器，用于將探測激光脈沖耦合 進單模光纖中；所述單模光纖，當探測激光脈沖在其中傳輸時，用于對探測激光脈沖進行展 寬和加啁嗽；所述光纖準直器，用于將展寬和加啁嗽后的探測激光脈沖準直輸出到自由空 間；所述起偏器，用于給探測激光脈沖設置一個初始的線偏振方向；所述金反射鏡，用于反 射栗浦激光脈沖，改變其傳輸方向；所述聚焦透鏡，用于聚焦栗浦激光脈沖；所述光絲，是 由栗浦激光脈沖在自由空間中受到聚焦而產生，位于聚焦透鏡的幾何焦點附近；所述太赫 茲脈沖，是由光絲輻射而來；所述特氟龍板，用于濾掉太赫茲脈沖中混雜的栗浦激光脈沖， 只讓太赫茲脈沖透過；所述第一、第二離軸拋物面鏡，用于收集和匯聚太赫茲脈沖；所述薄 膜合束鏡，用于將太赫茲脈沖和探測激光脈沖進行合束，使之沿同一路徑共線傳輸至電光 晶體；所述電光晶體，利用太赫茲脈沖在電光晶體中的電光效應，使探測激光脈沖的線偏振 態發生改變，即線偏振角度發生變化；所述檢偏器，用于將探測激光脈沖經過電光晶體后的 線偏振態變化檢測出來，透射檢偏器的探測激光脈沖的幅值正比于太赫茲脈沖的幅值；所 述第二光纖耦合器，用于將從檢偏器透射的探測激光脈沖耦合進多模光纖中；所述多模光 纖，用于將探測激光脈沖傳輸至光纖光譜儀中；所述光纖光譜儀，用于探測和記錄探測激光 脈沖的頻譜信息。
[0009] 2、一種基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測方法，步驟包括：
[0010] 第一步、飛秒激光脈沖通過分束鏡，分成栗浦激光脈沖和探測激光脈沖；
[0011] 第二步、探測激光脈沖經第一光纖耦合器，耦合進單模光纖中，在傳輸過程中進行 展寬和加啁嗽，之后從光纖準直器出射，再從起偏器透射；
[0012] 第三步、栗浦激光脈沖經金反射鏡反射后，經聚焦透鏡聚焦，在空氣中形成光絲， 并輻射出太赫茲脈沖；
[0013] 第四步、太赫茲脈沖從特氟龍板透射后，經第一離軸拋物面鏡準直，再經第二離軸 拋物面鏡匯聚；
[0014] 第五步、探測激光脈沖經薄膜合束鏡反射后，與透射過薄膜合束鏡的太赫茲脈沖 在電光晶體內重合；
[0015] 第六步、探測激光脈沖從電光晶體透射后，經過檢偏器，被第二光纖耦合器耦合進 多模光纖中，并最終進入光纖光譜儀。
[0016] 第七步、探測激光脈沖的頻譜被光纖光譜儀探測并記錄。
[0017] 第八步、人為擋掉第三步中產生的太赫茲脈沖，重復第七步記錄不帶有太赫茲脈 沖振幅信息的探測激光脈沖的頻譜；
[0018] 第九步、將第七步和第八步記錄的探測激光脈沖的頻譜進行處理，得到太赫茲脈 沖波形。
[0019] 本發明的優點和有益效果是：
[0020] 本發明采用一種基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測系統，實現了激光脈沖展寬 與加啁嗽過程的簡化，及太赫茲脈沖的單次探測，解決了現有的太赫茲單次探測系統整體 體積大、結構復雜、成本較高，集成性和便攜性較差等問題。
【附圖說明】
[0021] 圖1為基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測系統示意圖；
[0022] 圖2為探測激光脈沖在單模光纖中傳輸時，脈寬展寬與載波啁嗽化的過程示意 圖；
[0023] 圖3為探測激光脈沖經單模光纖傳輸后，與太赫茲脈沖相互作用的過程示意圖。
[0024] 附圖標記：
[0025] 1、飛秒激光器；2、分束鏡；3、第一光纖親合器；4、單模光纖；5、光纖準直器；6、起 偏器；7、金反射鏡；8、聚焦透鏡；9、光絲；10、太赫茲脈沖；11、特氟龍板；12、第一離軸拋物 面鏡；13、第二離軸拋物面鏡；14、薄膜合束鏡；15、電光晶體；16、檢偏器；17、第二光纖耦合 器；18、多模光纖；19、光纖光譜儀；20、探測激光脈沖；21-24、逐步展寬和啁嗽化的探測激 光脈沖；25、展寬和啁嗽化后的探測激光脈沖（包絡）；26、展寬和啁嗽化后的探測激光脈沖 (載波）；27、經太赫茲脈沖調制后的探測激光脈沖的頻譜；28、未經太赫茲脈沖調制的探測 激光脈沖的頻譜；29、對探測激光脈沖頻譜進行處理后得到的太赫茲脈沖波形。
【具體實施方式】
[0026] 實施例：
[0027] 圖1為基于單模光纖的太赫茲脈沖單次探測系統示意圖。在本發明實施例中采用 的激光器為飛秒激光器-1，激光脈沖的中心波長為800nm，脈寬（半高全寬）為50fs，重復 頻率為1kHz。飛秒激光脈沖經過分束鏡-2分成兩路，直接透射的一路為栗浦激光脈沖，垂 直反射的一路為探測激光脈沖。探測激光脈沖經第一光纖耦合器-3,耦合進單模光纖_4 中，在傳輸過程中進行展寬和加啁嗽，之后從光纖準直器-5出射，再從起偏器-6透射。栗 浦激光脈沖經金反射鏡-7反射后，經聚焦透鏡-8聚焦，在空氣中形成光絲-9,并輻射出 太赫茲脈沖-10。太赫茲脈沖從特氟龍板-11透射后，經第一離軸拋物面鏡-12準直，再經 第二離軸拋物面鏡-13匯聚。探測激光脈沖經薄膜合束鏡-14反射后，與透射過薄膜合束 鏡-14的太赫茲脈沖在電光晶體-15內重合。探測激光脈沖從電光晶體-15透射后，經過檢 偏器-16,被第二光纖耦合器-17耦合進多模光纖-18中，并最終進入光纖光譜儀-19。探 測激光脈沖的頻譜被光纖光譜儀-19探測并記錄。
[0028] 圖2為探測激光脈沖在單模光纖中傳輸時，脈寬展寬與載波啁嗽化的過程示意 圖。在本發明實施例中，單模光纖-4對探測激光脈沖-20存在正常色散，即頻率越高的頻 譜成分在單模光纖-4中的傳輸速度越慢；反之，頻率越低的頻譜成分在單模光纖-4中的 傳輸速度越快。所以當探測激光脈沖-20在單模光纖_4中傳輸時，不同頻率成分 fN會隨著傳輸距離的增大而逐漸散開，使得探測激光脈沖的脈寬逐漸展寬21-