技术领域
[0001] 本
发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种电控光取样系统及太赫兹时域光谱仪。
背景技术
[0002] 太赫兹时域光谱仪可以对太赫兹
电场进行相干测量，能够得到样品的复折射率、
介电常数和电导率等参数，通过分析这些参数可以得到样品的物理化学信息，具有重要的应用前景。
[0003] 然而，现有的太赫兹时域光谱仪通常采用机械延时装置(即，步进
电机控制线性平移台)来实现
相位延时控制，存在光束传播方向不稳定，光斑大小由于色散而存在变化，扫描速度慢等缺点。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种电控光取样系统及太赫兹时域光谱仪，旨在解决现有的太赫兹时域光谱仪通常采用机械延时装置来实现相位延时控制，存在光束传播方向不稳定，光斑大小由于色散而存在变化，扫描速度慢等缺点的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种电控光取样系统，其包括第一激光模
块、第二激光模块、第一分束器、第二分束器、第一光电
传感器、第二
光电传感器、相位探测器、加法器和函数发生器，所述第一激光模块包括
压电传感器；
[0006] 所述第一分束器通过光纤与所述第一激光模块连接，所述第二分束器通过光纤与所述第二激光模块连接，所述第一光电传感器和所述第二光电传感器均与所述相位探测器连接，所述相位探测器和所述函数发生器均与所述加法器连接，所述加法器与所述压电传感器连接；
[0007] 所述函数发生器输出相位调制
信号，所述压电传感器根据所述相位调制信号调节所述第一激光模块的腔体长度，控制所述第一激光模块发射预设相位的
泵浦脉冲，所述第一分束器将所述泵浦脉冲分束为透射泵浦脉冲和反射泵浦脉冲，其中，所述反射泵浦脉冲发射至所述第一光电传感器；所述第一光电传感器将所述反射泵浦脉冲转换为第一电脉冲信号并传递给所述相位探测器；
[0008] 所述第二激光模块发射与所述泵浦脉冲之间具有预设
相位差的探测脉冲，所述第二分束器将所述探测脉冲分束为透射探测脉冲和反射探测脉冲，其中，所述反射探测脉冲发射至所述第二光电传感器；所述第二光电传感器将所述反射探测脉冲转换为第二电脉冲信号并传递给所述相位探测器；
[0009] 所述相位探测器探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的
电压信号；所述函数发生器持续输出所述相位调制信号；所述加法器对所述电压信号和所述相位调制信号进行
叠加并输出给所述压电传感器；所述压电传感器根据所述加法器输出的信号反馈调节所述第一激光模块的腔体长度。
[0010] 本发明还提供一种太赫兹时域光谱仪，其包括上述的电控光取样系统，还包括：
[0011] 通过光纤与所述电控光取样系统连接，接收所述透射泵浦脉冲和所述透射探测脉冲，并将所述透射泵浦脉冲和所述透射探测脉冲转化为
电流信号的太赫兹模块；以及[0012] 与所述太赫兹模块连接，将所述电流信号转换为
数字信号并处理的
数据处理模块。
[0013] 本发明与
现有技术相比，其有益效果在于：
[0014] 通过采用电控光取样系统来实现时域扫描，并采用光纤取代传统的自由空间传输
光信号，提高了扫描速度、保证了光束传播的
稳定性。
附图说明
[0015] 图1是本发明
实施例一提供的电控光取样系统的基本结构
框图；
[0016] 图2是本发明实施例二提供的电控光取样系统的具体结构框图；
[0017] 图3是本发明实施例三提供的电控光取样系统的具体结构框图；
[0018] 图4是本发明实施例四提供的太赫兹时域光谱仪的结构框图。
具体实施方式
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 本发明中的电 控光取样系统指的是基于电 控光取样( ECOPS，ElectronicallyControlled Optical Sampling)技术的
硬件系统，以下各实施例均基于该技术实现。
[0021] 实施例一：
[0022] 如图1所示，本实施例提供的电控光取样系统100，其包括第一激光模块101、第二激光模块102、第一分束器103、第二分束器104、第一光电传感器105、第二光电传感器106、相位探测器107、加法器108和函数发生器109，其中，第一激光模块101包括压电传感器6。
[0023] 本实施例中，第一分束器103通过光纤与第一激光模块101连接，第二分束器104通过光纤与第二激光模块102连接，第一光电传感器105和第二光电传感器106均与相位探测器107连接，相位探测器107和函数发生器109均与加法器108连接，加法器108与压电传感器连接。图中空心箭头代表光信号传播方向，实心箭头代表
电信号传播方向。
[0024] 在具体应用中，光纤可采用保偏单模光纤，以保证光路稳定不发生抖动。
[0025] 在具体应用中，第二激光模块102可选用掺铒
激光器。
[0026] 在本实施例中，所述透射泵浦脉冲的
能量大于所述反射泵浦脉冲的能量，所述透射探测脉冲的能量大于所述反射探测脉冲的能量。
[0027] 在具体应用中，第一分束器103和第二分束器104的透反比可以为9:1，即透过第一分束器103和第二分束器104的透射脉冲的能量与第一分束器103和第二分束器104所反射的反射脉冲的能量比为9:1。
[0028] 本实施例中，第一光电传感器105和第二光电传感器106均为光电
二极管。
[0029] 本实施例所提供的电控光取样系统100的工作原理为：
[0030] 函数发生器109输出相位调制信号控制压电传感器6调节第一激光模块101的腔体长度，使第一激光模块101发射预设相位的泵浦脉冲，第一分束器103将所述泵浦脉冲分束为透射泵浦脉冲和反射泵浦脉冲，其中，反射泵浦脉冲发射至第一光电传感器105；第一光电传感器105将反射泵浦脉冲转换为第一电脉冲信号并传递给相位探测器107；
[0031] 第二激光模块102发射探测脉冲，所述泵浦脉冲与所述探测脉冲之间具有预设相位差，第二分束器104将探测脉冲分束为透射探测脉冲和反射探测脉冲，其中，反射探测脉冲发射至第二光电传感器106；第二光电传感器106将反射探测脉冲转换为第二电脉冲信号并传递给相位探测器107；
[0032] 相位探测器107探测所述预设相位差，并生成与所述预设相位差线性正相关的电压信号；函数发生器109持续输出所述相位调制信号；加法器108将所述电压信号和所述相位调制信号叠加后输出给压电传感器6；压电传感器6根据加法器108输出的信号反馈调节第一激光模块101的腔体长度，以反馈调节所述泵浦脉冲的相位，进而反馈调节所述泵浦脉冲相对于所述探测脉冲的延时时间。
[0033] 在具体应用中，若要改变所述预设相位差，只需要改变所述相位调制信号的幅值和
频率，即可使压电传感器6根据所述相位调制信号调节第一激光模块101的腔体长度，从而改变第一激光模块发射的泵浦脉冲的相位，以达到改变所述泵浦脉冲和所述探测脉冲之间相位差的目的。
[0034] 本实施例中，所述泵浦脉冲和所述探测脉冲均为激光脉冲，本实施例中仅是为了对相同性质的脉冲进行区别，而采用不同命名。
[0035] 本实施例通过采用电控光取样系统来实现时域扫描，并采用光纤取代传统的自由空间传输光信号，提高了扫描速度、保证了光束传播的稳定性。
[0036] 在一具体实施例中，电控光取样系统100的工作原理为：
[0037] 控制第二激光模块102输出重复频率稳定的探测脉冲作为参考脉冲(本实施例中，采用TOPTICA公司生产的重复频率为100MHz的掺铒光纤激光器输出参考脉冲)；压电传感器6调节第一激光模块101的腔长，使其输出重复频率可变的泵浦脉冲，泵浦脉冲的重复频率与第一激光模块101的腔长的关系式为：
[0038] f＝c/2L；
[0039] 其中，f为第一激光模块输出的泵浦脉冲的重复频率，c为光传播速度，L为第一激光模块的腔长；当f等于100MHz时，第一激光模块和第二激光模块在时域上
相位同步；
[0040] 函数发生器109输出相位调制信号，控制压电传感器6调节第一激光模块101的腔长，使第一激光模块101输出的泵浦脉冲的重复频率发生改变，从而使所述泵浦脉冲与所述参考脉冲之间存在相位差，进而使所述泵浦脉冲与所述参考脉冲之间存在时域上的延时。
[0041] 在具体应用中，当第一激光模块101的腔长增长120nm时，即可在时域上实现每次0.4fs的延时，当第一激光模块101输出的第一束泵浦脉冲相对所述参考脉冲在时域上同步时，若使第一激光模块101的腔长增长120nm，则可实现第一激光模块101输出的第二束泵浦脉冲相对于第二激光模块输出的的第二束探测脉冲则有0.4fs的延时，二者的第三束脉冲之间则有0.8fs的延时，以此类推；假如维持第一激光模块101的腔长增长120nm持续1ms，则可使二个激光模块输出的第105束脉冲之间有40ps的延时。
[0042] 将上述在1ms内可实现40ps延时的电控光取样系统应用与太赫兹时域光谱仪，即可使该时域光谱仪具有40ps的扫描范围、扫描频率最大为1kHz、取样
分辨率为0.4fs。
[0043] 本实施例所提供的电控光取样系统只需通过改变函数发生器输出的相位调制信号的幅值、频率和持续时间就可以实现对基于该电控光取样系统的太赫兹时域光谱仪的扫描频率、扫描范围和取样分辨率的控制。
[0044] 实施例二：
[0045] 本实施例是在实施例一的
基础上，对第一激光模块101的具体结构进行详细介绍。
[0046] 如图2所示，第一激光模块101包括激光器1、波分复用器2、
耦合器3、偏振
控制器4、电光
调制器5、压电传感器6、可调谐
滤波器7、光隔离器8和光纤
放大器9。
[0047] 激光器1、波分复用器2、耦合器3、偏振控制器4、电光调制器5、压电传感器6、可调谐滤波器7、光隔离器8和光纤放大器9通过光纤依次首尾连接，构成环形
谐振腔。
[0048] 在具体应用中，激光器1可选用980nm
波长的
半导体激光器。
[0049] 在具体应用中，电光调制器5可选用铌酸锂(LiNbO3)调制器。
[0050] 在具体应用中，光纤放大器3可选用掺铒光纤放大器。
[0051] 本实施例提供的第一激光模块101的工作原理为：
[0052] 激光器1发射泵浦
光源，该泵浦光源经波分复用器2耦合到耦合器3，耦合器3将泵浦光源传输给偏振控制器4，偏振控制器4调节泵浦光源的偏振状态后输出给电光调制器5，电光调制器5将偏振控制器4输出的泵浦光源调制为预设相位的泵浦光源后输出给压电传感器6，压电传感器6根据函数发生器109输出的相位调制信号调节环形谐振腔的腔体长度，以调节所述预设相位的泵浦光源的频率，可调谐滤波器7将所述预设相位的泵浦光源调节为单一波长的激光脉冲，光隔离器8将所述单一波长的泵浦光源单向传输至光纤放大器9，光纤放大器9将所述单一波长的泵浦光源增益放大为泵浦脉冲，波分复用器2将所述泵浦脉冲耦合至耦合器3，耦合器3将所述泵浦脉冲的一部分耦合至第一分束器103、另一部分耦合至偏振控制器4。
[0053] 在具体应用中，可调谐滤波器7将所述预设相位的泵浦光源调节为波长为1550nm的泵浦光源。
[0054] 本实施例通过函数发生器109来控制压电传感器6调节环形谐振腔的腔体长度，使第一激光模块101可以发射与第二激光模块发射的探测脉冲之间具有预设相位差的泵浦脉冲，可根据用户需要，通过改变函数发生器109输出至压电传感器6的相位调制信号的幅值和频率，来实现对所述预设相位差的调节，以实现时间延时，与传统的机械延时方法相比，调节
精度高，扫描速度快。
[0055] 实施例三：
[0056] 如图3所示，在一实施例中，第一激光模块101还包括连接在耦合器10和偏振控制器8之间的机械延时线10，机械延时线10还与加法器108连接，在环形谐振腔的重复频率的漂移率大于预设
阈值时，函数发生器109输出相位
控制信号，通过加法器108传递给机械延时线10，使机械延时线10根据加法器10输出的信号调节环形谐振腔的腔体长度，以实现对泵浦脉冲和探测脉冲之间的相位差和延时时间的调制。
[0057] 本实施例通过额外设置机械延时线，可在环形谐振腔的重复频率的漂移率大于预设阈值，导致压电传感器调节环形谐振腔的腔长效果不理想时，通过机械延时线来辅助调节环形谐振腔的腔体长度，以使环形谐振腔的重复频率回到正常范围。
[0058] 实施例四：
[0059] 如图4所示，本发明实施例还提供一种太赫兹时域光谱仪，其包括上述的电控光取样系统100，还包括太赫兹模块200和数据处理模块300。
[0060] 其中，太赫兹模块200通过光纤与电控光取样系统100连接，用于接收所述透射泵浦脉冲和所述透射探测脉冲，并将所述透射泵浦脉冲和所述透射探测脉冲转化为电流信号；
[0061] 数据处理模块300与太赫兹模块200连接，用于将所述电流信号转换为数字信号并处理。
[0062] 在具体应用中，太赫兹模块200包括太赫兹
辐射装置和太赫兹探测装置，所述太赫兹辐射装置和所述太赫兹探测装置采用光电导天线，光整流或双色场驱动
等离子体实现太赫兹波的辐射与探测。
[0063] 在具体应用中，数据处理模块300可以为通用集成
电路，例如CPU(CentralProcessing Unit，
中央处理器)，或通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，
专用集成电路)来实现。
[0064] 本实施例通过提供由电控光取样系统、太赫兹模块和数据处理模块构成的太赫兹时域光谱仪，使太赫兹时域光谱仪的结构模块化，简化了太赫兹时域光谱仪的结构，使其能够适用于更多应用场景和环境，利于安装和维修。
[0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
