具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统

1.本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体而言，涉及一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统。


背景技术：

2.一般定义上的thz(terahertz，太赫兹)波是指频率范围在0.1-10thz的电磁波，对应波长为30μm-3mm。该波段在微波和红外波之间，不好以传统的微波或光学技术加以产生，直至上世纪80年代中期之前，研究人员对于这一波段的了解和应用仍十分有限，因而被称为thz间隙。thz波与光波相比，其具有较低的能量，易于被水吸收，而与微波相比其又具有更强的穿透性和指纹特性，这些独特的性质使得thz技术在生物医学、无损检测、传感、无线通讯、天文学、雷达技术等领域得到了广泛的应用。
3.thz脉冲则是指频域上在thz频率范围内的强脉冲。时域上的脉冲样式是thz技术应用中的主要波源形式。如太赫兹时域波谱技术，它利用飞秒脉冲以相干探测的方式获取带有被测量物信息thz脉冲的时域信息，接着通过傅里叶变换得到thz频谱，最终通过频谱上的强度和相位大小获取被测物的折射率、吸收系数等信息。
4.高重复频率的thz脉冲序列具有更高的占空比，这为实现超快的thz探针提供了可能，可对诱导的外来瞬态进行更彻底和精确的光谱表征，能显著提升诸如时间分辨拉曼散射、近场显微成像、光电子光谱、红外差示光谱等诸多技术的测量速度和时间分辨率。使用脉冲激光泵浦工作介质产生thz脉冲是thz脉冲的主要产生方式，然而受限于现有的技术条件，如飞秒激光器中的光纤或法布里-珀罗腔体长度难以做到微米量级，传统锁模飞秒激光器输出的脉冲重复频率较低，现有技术产生的thz脉冲重频最高在mhz量级。较低的重频限制了thz技术在超快检测和光谱技术上的应用。
5.因此，如何设计一种具有超高重频、可集成化的脉冲太赫兹产生和探测系统成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，能够实现重复频率高达ghz甚至thz量级的太赫兹脉冲的产生和探测，重复频率显著高于现有最高mhz量级的太赫兹脉冲产生和探测技术方案。
7.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，包括：回音壁模式微腔部，至少具有一回音壁微腔结构作为级联四波混频效应产生的平台，能够以连续波泵浦光产生微腔克尔光孤子；激光光源部，设有信号发生器、调谐激光器、光放大器与偏振控制器，通过光纤连接回音壁模式微腔部以提供连续波泵浦光，信号发生器用于实现调谐激光器输出光频率的扫描控制；脉冲波形整形部，设有两个波分复用器、多个电光调制器、光放大器以及光纤分束器，用于接收回音壁模式微腔部的输出信号，
波分复用器的通道间使用光纤以及电光调制器连接；太赫兹产生与探测部，设有反射镜组、太赫兹分束器、离轴抛物面镜组、非线性介质和太赫兹探测器；反射镜组用于调节两路光场的时间延迟，离轴抛物面镜组用于照射和收集太赫兹波，非线性介质为光泵产生太赫兹脉冲的发生器件。
8.在该技术方案中，系统的光通路始于调谐激光器，其产生的激光通过光纤依次与第一级光放大器，光纤偏振控制器，回音壁微腔芯片，第一波分复用器，电光调制器，第二波分复用器，第二级光放大器与光纤分束器连接在一起；在光纤分束器后，光通路被分为了两路，一路由光纤准直器转换为空间光后通过两个反射镜组成的延迟线注入到非线性介质中，从而以飞秒孤子光泵的方式产生太赫兹脉冲，生成的空间太赫兹脉冲通过两个离轴抛物面镜聚焦在待测物上，从而将待测信息加载在太赫兹波谱中，最后再依次通过两个离轴抛物面镜将太赫兹脉冲入射到分束器上；另一路由光纤准直器转换为空间脉冲光后直接入射到分束器上，透过的光脉冲与被分束器反射的携带有待测信息的太赫兹脉冲混合，最终共同入射到太赫兹探测器中。通过精准地调节延迟线，可以改变飞秒光脉冲和太赫兹脉冲之间的相对时间延迟，进而可以检测出携带有待测物信息的太赫兹脉冲的时域波形。为了更方便的处理探测信息，可对探测得到时域波形进行快速傅里叶变换，获取太赫兹波频谱中的强度与相位信息，从而检测出诸如待测物的折射率、吸收系数等信息。
9.信号发生器通过电信号线连接调谐激光器，将信号发生器产生的激光扫频电信号加载到调谐激光器上。具体来说，因为回音壁微腔中广泛存在的热效应，使得微腔孤子的产生往往需要依赖于一些技术手段，对泵浦激光频率调谐的精确控制是实现微腔孤子产生的主要技术手段之一。由信号发生器产生的激光扫频电信号可由编程进行精确控制，该电信号决定了泵浦激光频率调谐的性质，是保障微腔孤子产生的重要部件。
10.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，回音壁模式微腔部具体包括片上氮化硅(si3n4)波导和环形微腔波导，片上氮化硅波导与环形微腔波导具有小于一个波长的耦合距离，适宜于近红外光波段的耦合。
11.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，片上氮化硅波导的截面为矩形，宽1.7μm，高0.8μm。
12.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，环形微腔波导的微腔半径在20μm到1000μm之间。
13.在该技术方案中，微腔的半径决定了产生的光孤子脉冲的重复频率，腔体半径一般在20到1000μm间。
14.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，调谐激光器为窄线宽可调谐激光器，输出光为近红外光，输出波长包括1550nm波段，单频输出，激光的线宽小于1mhz。
15.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，光放大器具体包括第一级光放大器和第二级光放大器，优选为1550nm波段的掺饵光纤放大器，第一级光放大器用于保障泵浦连续波激光的输出强度，以使光功率达到产生微腔孤子的阈值功率；第二级光放大器用于放大微腔孤子脉冲，保障飞秒激光的强度，以产生太赫兹脉冲。
16.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，电光调制器用于进行相位调制以及强度调制。
17.在该技术方案中，电光调制器是电光相位调制器和强度调制器的集合体，可通过所加的电信号控制通过光场的相位和损耗。
18.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，波分复用器的频率分辨率优于太赫兹脉冲的重复频率。
19.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，非线性介质可以是非线性晶体，如铌酸锂(linbo3)、硒化镓(gase)、dast(4
’‑
dimethylamino-n-methyl-4-stilbazolium tosylate)等，也可以是气体等离子体。
20.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，离轴抛物面镜与待测物组成的镜面与物体的检测光路既可以是透射式也可以是反射式的。
21.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，分束器为覆有铟锡氧化物涂层的玻璃镜片，它可以反射太赫兹波和透射光波。
22.根据本发明提供的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，优选地，太赫兹探测器是采用光电导天线、电光晶体采样作为技术基础的探测器。
23.本发明取得的有益效果至少包括：
24.与传统的锁模激光器不同，微腔耗散克尔光孤子梳产生于直径几十微米到几毫米、形状各异、材料多样的回音壁模式光学微腔中。回音壁模式微腔超小的尺寸和模式体积，以及极高的q值(quality factor)大大降低了参量振荡的阈值，使得以较低功率的连续波激光产生重复频率高达几十ghz甚至上thz的光孤子脉冲成为了可能。作为一种新型的锁模飞秒光梳，微腔孤子脉冲不仅具有高重频，高相干的特点，其产生的平台回音壁模式微腔可采用半导体刻蚀工艺制作，更展现出了可集成于芯片上的优势。
25.本发明以可调谐的连续波激光器作为泵浦源，通过回音壁模式微腔产生具有超高重复频率、脉宽飞秒量级的微腔孤子脉冲。然后，为了避免微腔耗散克尔光孤子在光纤中传播因为色散和损耗带来的波形变化，对孤子进行整形和放大，并将其分为两路，一路作为光泵，采用光整流或气体等离子的方式产生太赫兹脉冲，另一路则作为探测的光脉冲，通过精准地调节延迟线，改变飞秒光脉冲和太赫兹脉冲之间的相对时间延迟，从而获取携带信息太赫兹脉冲的时域波形，实现对待测物信息的检测。
26.具体地，本发明与现有技术相比具有以下特点：
27.(1)通过直径为微米量级、自由光谱范围为ghz甚至thz量级的回音壁模式微腔产生超高重频的耗散克尔光孤子，以放大、整形的孤子作为飞秒脉冲泵浦源产生太赫兹脉冲，结合改进现有的太赫兹探测技术，实现了重复频率高达ghz甚至thz量级的太赫兹脉冲的产生和探测，重复频率显著高于现有最高mhz量级的太赫兹脉冲产生和探测技术方案。
28.(2)系统具有片上集成的潜力，有利于实现小型化、便携性的太赫兹产生和探测系统。
29.(3)使用微腔产生的孤子飞秒脉冲，相比现有的锁模飞秒激光器，不仅体积大大减小，成本上也得到了降低。
30.(4)结合太赫兹时域波谱技术的探测方式，与太赫兹热敏器件探测相比，探测带宽要大的多，使得对超高重频的太赫兹脉冲探测成为可能。
附图说明
31.图1示出了根据本发明实施例的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统的结构示意图。
具体实施方式
32.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如图1所示，本发明提供了一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，包括：调谐激光器(1)，第一级光放大器(2)，光纤偏振控制器(3)，回音壁模式微腔芯片(4)，第一波分复用器(5)，电光调制器(6)，第二波分复用器(7)，第二级光放大器(8)，光纤分束器(9)，第一光纤准直器(10)，第二光纤准直器(19)，第一反射镜(11)，第二反射镜(12)，非线性介质(13)，第一离轴抛物面镜(14)，第二离轴抛物面镜(15)，第三离轴抛物面镜(17)，第四离轴抛物面镜(18)，待测物(16)，分束器(20)，太赫兹探测器(21)，信号发生器(22)。
35.在该实施例中，系统的光通路始于调谐激光器，其产生的激光通过光纤依次与第一级光放大器，光纤偏振控制器，回音壁微腔芯片，第一波分复用器，电光调制器，第二波分复用器，第二级光放大器与光纤分束器连接在一起。在光纤分束器后，光通路被分为了两路，一路由光纤准直器转换为空间光后通过两个反射镜组成的延迟线注入到非线性介质中，从而以飞秒孤子光泵的方式产生太赫兹脉冲。生成的空间太赫兹脉冲通过两个离轴抛物面镜聚焦在待测物上，从而将待测信息加载在太赫兹波谱中，最后再依次通过两个离轴抛物面镜将太赫兹脉冲入射到分束器上。另一路由光纤准直器转换为空间脉冲光后直接入射到分束器上，透过的光脉冲与被分束器反射的携带有待测信息的太赫兹脉冲混合，最终共同入射到太赫兹探测器中。
36.根据上述实施例，优选地，回音壁模式微腔芯片具体包括片上氮化硅波导和环形微腔波导，片上氮化硅波导与环形微腔波导具有小于一个波长的耦合距离，适宜于近红外光波段的耦合。
37.根据上述实施例，优选地，片上氮化硅波导的截面为矩形，宽1.7μm，高0.8μm。
38.根据上述实施例，优选地，环形微腔波导的微腔半径在20μm到1000μm之间。
39.根据上述实施例，优选地，调谐激光器为窄线宽可调谐激光器，输出光为近红外或可见光，输出波长包括1550nm波段，单频输出，激光的线宽小于1mhz。
40.根据上述实施例，优选地，第一级光放大器用于保障泵浦连续波激光的输出强度，以使光功率达到产生微腔孤子的阈值功率；第二级光放大器用于放大微腔孤子脉冲，保障飞秒激光的强度，以产生太赫兹脉冲。
41.根据上述实施例，优选地，波分复用器的频率分辨率优于太赫兹脉冲的重复频率。
42.本发明的工作过程以及工作原理具体包括：
43.调谐激光器(1)为连续波激光器，可通过信号发生器(22)产生的外加电信号实现输出激光频率的扫描。激光器为光纤接口输出，激光功率经由第一级光放大器(2)放大后达到产生微腔孤子所需的功率阈值，接着，通过光纤偏振控制器(3)来调整光场的偏振，使光场的偏振与微腔光模式的偏振相符，采用透镜光纤将泵浦光注入到回音壁模式微腔芯片(4)上的波导中，波导中的光场以倏逝场耦合的方式进出环形微腔，在满足泵浦功率、腔光谐振、模式色散等条件的情况下，微腔中就会发生级联四波混频效应，从而在光学频率域上生成多阶梳齿，当达到注入泵浦的增益与损耗，克尔效应与腔模式色散分别相抵消的双平衡态时，腔内的光梳就形成了在时域上保持不变的飞秒孤子脉冲，腔中克尔孤子梳的生成过程可以用一个广义的lugiato-lefever(ll)方程来表征：
[0044][0045]
上式中，tr、α、κ、δ、r、β、γ、p
in
分别为光场往返时间、腔内禀损耗、耦合损耗、腔光失谐量、腔模半径、腔模色散、非线性系数和波导内的泵浦光功率。使用该式并结合分步傅里叶法就可以计算出在给定各个参数，理想情况下微腔内所生成的孤子光梳。
[0046]
孤子脉冲从回音壁模式微腔芯片(4)波导出射后由透镜光纤收集并继续通过光纤传播，光纤中不具备微腔中的双平衡态，在色散和不同波长损耗的作用下，飞秒脉冲会发生变形，在时域上会不断展宽，为了避免这个问题，将回音壁模式微腔芯片(4)后的光纤接入到由第一波分复用器(5)和第二波分复用器(7)以及多个电光调制器(6)组成的波形整形模块中，该模块通过对各个梳齿频率分量进行相位、强度调制，来补偿孤子光梳在片上波导、光纤及光纤器件中传播所带来的各频率分量相位与幅度变化，保证光脉冲维持飞秒量级的脉冲宽度。
[0047]
以飞秒脉冲光泵的方式产生太赫兹脉冲需要较高的光脉冲能量，因此，在经过脉冲整形后，使用第二级光放大器(8)对孤子脉冲进行功率放大，保证光脉冲能量能满足太赫兹波的产生。
[0048]
放大后的飞秒光脉冲由光纤分束器(9)被分为两路，两路光分别由第一光纤准直器(10)和第二光纤准直器(19)转换为自由空间光，其中能量较大的一束飞秒光脉冲先经过两个距离可调的第一反射镜(11)，第二反射镜(12)组成的延迟线，然后作为泵浦光注入到非线性介质中产生太赫兹脉冲。以二阶非线性晶体为例，光能量注入后，考虑两个光场频率分量的二阶极化强度p可以表示为：
[0049][0050]
式中，ε0、χ
(2)
分别为真空介电常数和二阶极化率，ω、e表示光场的频率和振幅，下标代表不同的频率分量。上式中包含了四种频率成分，两个二倍频2ω1与2ω2，和频ω1+ω2与差频ω
1-ω2(ω1》ω2)。差频项就是产生太赫兹波的理论基础，注入的飞秒光梳中，相邻光频分量间频率差值恒定，任意两个光频分量在理论上都可以基于差频效应产生频率为太赫兹量级的电磁波。因此，通过二阶非线性差频机理就将飞秒光脉冲转换为了太赫兹脉冲，并且两者具有相同的脉冲重复频率。微腔的超小尺寸，使得其孤子脉冲的重复频率可以高
达ghz甚至是thz量级，通过这种方式，就可以产生超高重频的太赫兹脉冲。
[0051]
产生的thz脉冲由第一离轴抛物面镜(14)和第二离轴抛物面镜(15)照射于待测物(16)上，这样thz波谱就会被待测物所调制从而携带有相关信息，透过的thz波再经由两个离轴抛物面镜传输，入射到覆有铟锡氧化物涂层的分束器(20)上而被反射，最终被太赫兹探测器(21)所接收。
[0052]
由光纤准直器(19)所输出的空间飞秒光脉冲则直接透过分束器(20)入射到太赫兹探测器(21)上。精准地调节反射镜组成的延迟线，改变飞秒光脉冲和太赫兹脉冲之间的相对时间延迟，可以检测出携带有待测物信息的太赫兹脉冲的时域波形。进一步对测量得到的时域波形进行傅里叶变换，就最终获得了携带有信息的太赫兹脉冲的频谱信息。
[0053]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，包括：回音壁模式微腔部，至少具有一回音壁微腔结构作为级联四波混频效应产生的平台，能够以连续波泵浦光产生微腔克尔光孤子；激光光源部，设有信号发生器、调谐激光器、光放大器与偏振控制器，通过光纤连接所述回音壁模式微腔部以提供连续波泵浦光，所述信号发生器用于实现调谐激光器输出光频率的扫描控制；脉冲波形整形部，设有两个波分复用器、多个电光调制器、光放大器以及光纤分束器，用于接收所述回音壁模式微腔部的输出信号，所述波分复用器的通道间使用光纤以及电光调制器连接；太赫兹产生与探测部，设有反射镜组、太赫兹分束器、离轴抛物面镜组、非线性介质和太赫兹探测器；所述反射镜组用于调节两路光场的时间延迟，所述离轴抛物面镜组用于照射和收集太赫兹波，所述非线性介质为光泵产生太赫兹脉冲的发生器件。2.根据权利要求1所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述回音壁模式微腔部具体包括片上氮化硅波导和环形微腔波导，所述片上氮化硅波导与所述环形微腔波导具有小于一个波长的耦合距离，适宜于近红外光波段的耦合。3.根据权利要求2所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述片上氮化硅波导的截面为矩形，宽1.7μm，高0.8μm。4.根据权利要求2所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述环形微腔波导的微腔半径在20μm到1000μm之间。5.根据权利要求1所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述调谐激光器为窄线宽可调谐激光器，输出光为近红外光，输出波长包括1550nm波段，单频输出，激光的线宽小于1mhz。6.根据权利要求1所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述光放大器具体包括第一级光放大器和第二级光放大器，所述第一级光放大器用于保障泵浦连续波激光的输出强度，以使光功率达到产生微腔孤子的阈值功率；所述第二级光放大器用于放大微腔孤子脉冲，保障飞秒激光的强度，以产生太赫兹脉冲。7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述电光调制器用于进行相位调制以及强度调制。8.根据权利要求1至6中任一项所述的具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，其特征在于，所述波分复用器的频率分辨率优于太赫兹脉冲的重复频率。

技术总结
本发明公开了一种具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统，涉及太赫兹探测领域，包括：回音壁模式微腔部，具有片上微腔结构；激光光源部，用于发射连续波泵浦光；脉冲波形整形部，用于对光孤子脉冲的频率分量进行相位和强度调制，补偿光路中色散和损耗的影响，维持飞秒光脉冲波形；太赫兹产生与探测部，用于飞秒光泵产生太赫兹脉冲和探测太赫兹脉冲的时域波形。本发明以回音壁模式微腔作为非线性光学平台，通过光学克尔效应产生超高重频的微腔克尔孤子梳，再以孤子脉冲作为泵浦源注入到非线性介质中产生和孤子脉冲相同重频的太赫兹脉冲，可产生重复频率高达GHz，甚至THz量级的THz脉冲，并可利用该脉冲序列对测量物进行超快检测。测。测。


技术研发人员：张晓宝 黄崟东 常超 王日德 张子义 罗治福 杨霄
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/22