一種全光纖太赫茲準時域實時光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太赫茲光譜測試的技術領域，尤其涉及太赫茲時域光譜領域和便攜、低成本、實時的全光纖太赫茲準時域實時光譜儀。
【背景技術】
[0002]波長在3mm到30um之間，頻譜范圍在100GHz到ΙΟΤΗζ，微波和紅外之間的電磁波波段稱為太赫茲波段。太赫茲光譜儀檢測的光譜信息能同時獲得物質的光學幅值和相位信息，已廣泛應用于安全檢查、無損檢測、生物醫學、化學分析、通信與國防等領域，尤其在爆炸物、違禁藥品、武器等識別、無損檢測，細胞分子等細分領域有廣泛應用前景。傳統的太赫茲光譜儀以自由空間傳播時域和連續波外差探測構成，其中應用最為廣泛的是太赫茲時域光譜技術，該相干技術通過測量樣品的太赫茲脈沖時域波形，同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，快速傅里葉變換后可獲得樣品的光譜信息、吸收系數、折射率等參數。時域系統采用飛秒激光，由此產生寬帶太赫茲譜，優點是只受系統帶寬限制，單次測量即含有完整的太赫茲頻率窗口信息。但這種傳統的自由空間傳播太赫茲時域系統通常在實驗室使用，體積龐大、結構復雜、成本昂貴，缺乏靈活移動性，激光源、鏡子和太赫茲發射接收器件等都需固定在工作臺上，且在自由空間傳播不能移動，易于受到環境擾動，限制了其實際應用。尤其是關鍵設備，飛秒激光，價格非常昂貴，工業界難以推廣。于是另一種常見的與之補充的光譜儀為連續波外差太赫茲光譜系統，它更為實用，波長稍有不同的兩個單模連續波激光束入射到光電導天線中，產生連續波太赫茲輻射。但是這種系統只探測一個單一頻率成分，所獲得信息收到嚴重限制。而且為了確保準確的相位信息，一套負責精確的激光頻率穩定系統必不可少，這加大了系統的復雜度。因此開展抗擾動非自由空間傳播，能夠快速實時探測，集成時域和頻域系統優點的全光纖便攜太赫茲光譜系統(THz-TDS)成了迫在眉睫的工作。

【發明內容】

[0003]鑒于此，本發明提供一種全光纖太赫茲準時域實時光譜儀，該光譜儀具時域與頻域光譜特點，寬譜及高信噪比，可廣泛應用于工業領域的太赫茲光譜測試。
[0004]為達到上述目的，本發明的目的是通過以下技術方案實現:一種全光纖太赫茲準時域實時光譜儀，包括多模激光系統、多模激光光纖傳輸系統、太赫茲發射模塊與太赫茲接收模塊，所述多模激光系統輸出圍繞一中心頻率的多模激光，相鄰縱模頻率差為定值等間距；該多模激光經多模激光光纖傳輸系統分成兩路光信號，其中一路光信號輸入到光電導發射天線中，另一路光信號輸入到光電導接收天線中。
[0005]進一步，所述多模激光光纖傳輸系統包括分束器、第一光纖延展器和第二光纖延展器，所述分束器將多模激光分成兩路光信號，其中一路光信號經第一光纖延展器輸入到太赫茲發射模塊中，另一路光信號經第二光纖延展器輸入到太赫茲接收模塊中。
[0006]進一步，施加于第一光纖延展器兩端的電壓與施加于第二光纖延展器兩端的電壓相反。
[0007]進一步，所述第一光纖延展器或/和第二光纖延展器包括壓電陶瓷線圈，所述壓電陶瓷線圈上纏繞光纖，壓電陶瓷線圈上施加電壓。
[0008]進一步，所述第一光纖延展器與太赫茲發射模塊間采用多模透鏡光纖連接。
[0009]由于采用了以上技術方案，本發明具有以下有益技術效果:
[0010]本發明所述的全光纖準太赫茲時域實時光譜系統，替代飛秒激光，采用低成本的商用多模激光器件，更適于太赫茲在工業和反恐等領域的實際應用。此系統基于可移動、緊湊和價格低廉的商用多模激光器件；使用等頻距的多模縱模激光驅動傳統的光電導混頻系統，獲得的信號類似于傳統的時域信號，這種準時域系統集成了飛秒激光的寬頻特性，又極大降低了系統價格和體積。此系統由商業價格低廉的多模激光系統激勵，全光纖傳播，快速時間延遲調制，具有可移動、低成本、便攜式、不損傷眼睛，實時等特點，可廣泛應用于工業領域，研究將對未來太赫茲技術應用及產品研發產生重要意義。
【附圖說明】
[0011]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0012]圖1為本發明全光纖準時域實時太赫茲光譜儀系統示意圖；
[0013]圖2為本發明光譜儀采用的多模激光器的具體實施例傅里葉頻譜圖；
[0014]圖3為本發明光譜儀中光電導天線具體實施器件例圖。
【具體實施方式】
[0015]以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
[0016]全光纖太赫茲準時域實時監測光譜儀是一種集成太赫茲時域光譜和頻域差頻探測技術的相干探測設備，通過測量樣品的太赫茲脈沖準時域波形，可同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，且經快速傅里葉變換后，更可獲得樣品的光譜信息、吸收系數、折射率等參數。將空間光轉入光纖內傳輸，省去了很多用于調節光路的光學元件，還可減弱外界環境的干擾和保護眼睛；而且由于光纖的可彎曲性，可很好的縮減系統的空間體積，增強靈活性，克服很多應用中遇到的實際問題，方便工業和反恐的現場使用。全光纖太赫茲準時域實時光譜儀采用商用多模激光器作為光學激勵源，代替昂貴的飛秒激光，各個模式間等頻率差排列，導致的信號類似于時域光譜的信號。且由于各模式所產生的信號建設性干涉，能夠獲得更高的光譜分辨率。在爆炸物、違禁藥品、武器等的站開式識別、工業探傷無損檢測，及細胞分子構象等領域的太赫茲檢測分析應用廣泛。引入光纖延展器實現高速時間延遲調制，替代傳統自由空間時域光譜的機械線性平移延遲臺，進行等效時間采樣，更適于全光纖集成。同時對太赫茲光電導發射和接收模塊實行與高阻硅透鏡和電極一體封裝，適于進行全光纖耦合集成。
[0017]鑒于自由空間傳播的太赫茲時域系統價格昂貴，不能移動、慢速和頻域連續波系統的帶寬限制等問題，本發明的全光纖太赫茲準時域實時系統能夠部分解決上訴問題。依據本發明，提供一種全光纖準時域實時太赫茲光譜儀，包括多模激光系統、多模激光光纖傳輸系統、太赫茲發射模塊與太赫茲接收模塊，所述多模激光系統輸出圍繞一中心頻率的多模激光，相鄰縱模頻率差為定值等間距；該多模激光經多模激光光纖傳輸系統分成兩路光信號，其中一路光信號輸入到太赫茲發射模塊中，另一路光信號輸入到太赫茲接收模塊中。
[0018]首先激光經多模激光器輸出，本發明并未采用傳統的飛秒激光或雙連續激光差頻的形式，而是直接輸出圍繞一中心頻率的多模激光，縱模相鄰頻率差為定值等間距，探測到的信號是類似時域信號的脈沖信號。這些周期性脈沖信號的重復頻率由激光模式間的頻率差決定。這種周期性信號的優點是，等頻差間隔的激光多模將導致信號中的相關頻率成分建設性疊加，從而提升信噪比。多模激光在由激光器輻射出后，為提升激光功率，接著通過摻鉺光纖激光放大器耦合進多模光纖中。接著激光經過多模激光光纖傳輸系統，成為兩束激光，一束為栗浦激光，一束為探測激光；通常分光強度為6:4或1:1。
[0019]采樣探測太赫茲準時域系統的波形，通過等效時間采樣技術實現，這需要精確控制時間延遲。同時為了實現快速時間延遲與全光纖集成和實時探測，本發明在分束器后設置光纖延展器，為更好的平衡掉溫差帶來的漂移影響和快速延遲調制，在栗浦和探測光路上分別加上一組電壓相反的光纖延展器(即第一光纖延展器和第二光纖延展器)，其時間延遲調制頻率快速至近千赫茲。所述分束器將多模激光分成兩路光信號，其中一路光信號經第一光纖延展器輸入到光電導發射天線中，另一路光信號經第二光纖延展器輸入到光電導接收天線中。
[0020]進一步，為了利于聚焦激光光斑，使其能高效耦合進光電導發射天線，激光在通過光纖延展模塊后，進入光電導發射天線之前的光纖為多模透鏡光纖。
[0021]在本發明中，太赫茲發射與接收模塊由兩個光電導天線模塊組成。本發明的太赫茲光電導天線模塊就采用通常適于連續波差頻探測的光電導天線太赫茲模塊。通常選用適合于中心頻率780nm或1550nm激光激勵的光電導天線模塊，分別對應低溫生長的GaAs和InGaAs有源材料，并封裝模塊，使其適合全光纖系統。光電導天線的材料、層厚、離子注入、天線的幾何尺寸等都將對輻射的太赫茲光譜強度和帶寬產生重要影響。其次是光電導天線芯片、高阻硅超半球透鏡、與固定盤的封裝集成。封裝后的模塊是一邊是光纖輸入，另一邊是娃透鏡。模塊與偏置電壓源，電流放大器和鎖相放大器聯用。工作時，施加一個數千赫茲的交流調制電壓到光電導發射天線金屬電極上，多模激光照射有源材料產生的自由載流子隨之產生光電導電流。就光電導天線接收端探測而言，金屬引線將光電導天線測量到的電流信號輸入電流放大器中。由于采樣的探測器輸出信號非常弱，易淹沒在噪聲信號中，需要鎖相放大技術實現信號提取，同步于發射端的電壓調制頻率。
[0022]當一個樣品放在太赫茲光路中時，相對于參考波形，可觀測到由于吸收和反射損耗帶來的時間延遲和脈沖幅度的減弱。若樣品為平行板結構，更可觀察到法布里波羅回聲，即使厚度未知，利用多次反射的法布里波羅回聲性質的參數提取，材料厚度和光學性質能夠同時被測定。
[0023]光電導天線作為太赫茲的發射和接收端被面對面放置圖1所示，這充分考慮到硅透鏡的太赫茲