太赫茲掃描系統(tǒng)及掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種太赫茲掃描系統(tǒng)以及掃描方法，該掃描系統(tǒng)包括重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器、重復(fù)頻率調(diào)諧部、分束部、太赫茲脈沖產(chǎn)生部、太赫茲脈沖收集部、脈沖空間偏移發(fā)生部、參考激光脈沖傳輸方向改變部、合束部、聚焦部、光電探測(cè)部以及處理部。其中，重復(fù)頻率調(diào)諧部包括信號(hào)發(fā)生單元、觸發(fā)單元以及調(diào)諧單元，信號(hào)發(fā)生單元輸出固有頻率電信號(hào)，觸發(fā)單元將該固有頻率電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛秒激光器，調(diào)諧單元依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào)連續(xù)改變腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)諧。而后，重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器將調(diào)諧好的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定。
【專利說明】
太赫茲掃描系統(tǒng)及掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲掃描領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲掃描系統(tǒng)及掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲由于具有相對(duì)較弱的光子能量被稱為"無(wú)損傷探測(cè)"的光學(xué)波段。由于生物 分子的旋動(dòng)及振動(dòng)能級(jí)（即指紋光譜)大多處于太赫茲波段，可以利用該波段光子對(duì)生物分 子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及操控。因此，太赫茲在生物醫(yī)學(xué)成像、物質(zhì)成分檢測(cè)和鑒定方面具有重要 應(yīng)用價(jià)值。總體看，太赫茲在這些方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，大規(guī)模的應(yīng)用還面臨諸多 挑戰(zhàn)。如現(xiàn)有太赫茲輻射源的功率較低，將限制太赫茲對(duì)待檢物體的穿透性;周圍環(huán)境對(duì)太 赫茲輻射的干擾，如水蒸氣的吸收;太赫茲成譜成像速度有待提高。而其中，制約太赫茲系 統(tǒng)真正邁向小型化、走向?qū)嵱没囊粋€(gè)重要因素是太赫茲時(shí)域掃描方式。
[0003] 目前來(lái)說，測(cè)量太赫茲光譜的方法主要有幾種，一是利用機(jī)械平移臺(tái)線性掃描獲 取光學(xué)延遲線進(jìn)行采樣探測(cè)；二是利用異步光學(xué)采樣方法實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的快速掃描;三是 利用光纖延遲線實(shí)現(xiàn)快速掃描。這幾種方法各有其弊端。
[0004] 利用機(jī)械平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)延遲線能夠在較長(zhǎng)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間延時(shí)，但是 由于平移臺(tái)的機(jī)械慣性，其掃描速度受到限制。同時(shí)，這種方法需要搭配鎖相放大器采集信 號(hào)，而鎖相放大器對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度難以突破瓶頸。在這一掃描系統(tǒng)中，測(cè)量時(shí)間的減少又 意味著系統(tǒng)性噪比的降低。因此，利用此方法很難實(shí)現(xiàn)太赫茲快速掃描。
[0005] 基于異步采樣方法的太赫茲時(shí)域掃描是利用兩臺(tái)重復(fù)頻率稍有差異的激光器，其 中一束作為探測(cè)光經(jīng)過樣品，另一束作為參考光。將探測(cè)光與參考光進(jìn)行拍頻，然后利用光 電探測(cè)器采集拍頻后的信號(hào)，通過傅里葉變換等處理后，分析其光譜特性。這種方法不需要 機(jī)械式延遲導(dǎo)軌，不用確定零時(shí)間點(diǎn)。并且，其測(cè)量精度和分辨率大幅度提高。但是，這種方 法需要兩臺(tái)恒定的頻率差和相位鎖定的激光器，系統(tǒng)比較復(fù)雜，并且成本高。
[0006] 基于光纖延遲線的太赫茲光譜掃描利用光纖伸縮器作為延遲線實(shí)現(xiàn)太赫茲電場(chǎng) 掃描，其掃描頻率在千赫茲量級(jí)，掃描窗口可以達(dá)到上百皮秒。但是由于光纖的存在，入射 光的強(qiáng)度受到限制，并且在光纖傳輸中會(huì)發(fā)生展寬、色散以及損耗等現(xiàn)象，給電場(chǎng)的掃描帶 來(lái)不利因素。
[0007] 在這幾種掃描方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，找到一種操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、掃描速率 快、并且成本低的掃描方法為太赫茲成譜成像的實(shí)際應(yīng)用提高可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明是為解決上述問題而進(jìn)行的，在目前常用的測(cè)量太赫茲光譜的方法的基礎(chǔ) 之上進(jìn)行改進(jìn)，提供了一種太赫茲掃描系統(tǒng)及掃描方法以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。為了 實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明提供了一種太赫茲掃描系統(tǒng)，具有:重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器，用于輸出 一定脈沖寬度的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧好的飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定;重復(fù)頻率調(diào)諧部， 對(duì)重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧，包括輸出固有頻率電信號(hào)的信號(hào)發(fā)生單元、將固有頻率電信號(hào)作為 觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛秒激光器的觸發(fā)單元以及依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào) 連續(xù)改變腔長(zhǎng)對(duì)重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧的調(diào)諧單元;分束部，設(shè)置在飛秒激光的光路上，用于將 飛秒激光分成相互垂直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光脈沖;太赫茲脈沖產(chǎn)生部，設(shè)置在檢測(cè) 激光脈沖的光路上，用于產(chǎn)生太赫茲輻射;太赫茲脈沖收集部，用于對(duì)穿過待檢樣品的太赫 茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦;脈沖空間偏移發(fā)生部，設(shè)置在參考激光脈沖的光路上，用于對(duì)參考 激光脈沖進(jìn)行空間距離的偏移;參考激光脈沖傳輸方向改變部，用于改變參考激光脈沖的 傳輸方向，讓參考激光脈沖穿過太赫茲脈沖收集部和太赫茲脈沖同時(shí)向前傳輸;合束部，將 太赫茲脈沖和參考激光脈沖合束;聚焦部，將合束后的太赫茲脈沖和參考激光脈沖進(jìn)行聚 焦;光電探測(cè)部，用于探測(cè)作用于其上的太赫茲脈沖以及參考激光脈沖分別是第幾個(gè)脈沖 并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；處理部，根據(jù)觸發(fā)單元輸出的重復(fù)頻率來(lái)連續(xù)測(cè)量并計(jì)算太 赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，達(dá)到對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行掃描的目的，同時(shí)對(duì) 掃描的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行換算，得到太赫茲時(shí)域電場(chǎng)圖。
[0010] 本發(fā)明提供的太赫茲掃描系統(tǒng)，還具有這樣的特征:調(diào)諧單元為壓電陶瓷，參考激 光脈沖傳輸方向改變部為45°平面高反鏡。
[0011] 本發(fā)明提供的太赫茲掃描系統(tǒng)，還具有這樣的特征:重復(fù)頻率被設(shè)定為A，重復(fù)頻 率的可調(diào)節(jié)幅度被設(shè)定為Af，重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器的輸出頻率在周期性 變化，變化周期為壓電陶瓷的變化周期。
[0012] 本發(fā)明提供的太赫茲掃描系統(tǒng)，還具有這樣的特征:太赫茲脈沖產(chǎn)生部為光電導(dǎo) 天線。
[0013] 本發(fā)明提供的太赫茲掃描系統(tǒng)，還具有這樣的特征:脈沖空間偏移發(fā)生部為長(zhǎng)度 至少為20m的光纖。
[0014] 本發(fā)明提供的太赫茲掃描系統(tǒng)，還具有這樣的特征:處理部依據(jù)下式計(jì)算太赫茲 脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)：
[0015]
[0016] 其中，Λτ為太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí);a為同時(shí)作用于光電 探測(cè)部上的第j個(gè)太赫茲脈沖和第j_a個(gè)參考激光脈沖之差;A為重復(fù)頻率;Af為重復(fù)頻率 的可調(diào)節(jié)幅度。
[0017] 進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種太赫茲掃描方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0018] 步驟1，采用重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器輸出一定脈沖寬度的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧 好的飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定；
[0019] 步驟2,采用重復(fù)頻率調(diào)諧部對(duì)重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧；
[0020] 步驟3，采用分束部將飛秒激光分成相互垂直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光脈沖； [0021 ]步驟4，采用太赫茲脈沖產(chǎn)生部產(chǎn)生太赫茲輻射；
[0022]步驟5,采用太赫茲脈沖收集部對(duì)穿過待檢樣品的太赫茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦； [0023]步驟6,采用脈沖空間偏移發(fā)生部對(duì)參考激光脈沖進(jìn)行空間距離的偏移；
[0024]步驟7，采用參考激光脈沖傳輸方向改變部改變參考激光脈沖的傳輸方向，讓參考 激光脈沖穿過太赫茲脈沖收集部和太赫茲脈沖同時(shí)向前傳輸；
[0025] 步驟8,采用光電探測(cè)部探測(cè)作用于其上的太赫茲脈沖以及參考激光脈沖分別是 第幾個(gè)脈沖并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
[0026] 步驟9,采用處理部計(jì)算太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，并依據(jù)固 有頻率電信號(hào)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到太赫茲脈沖的時(shí)域信號(hào)。
[0027] 進(jìn)一步的，本發(fā)明所提供的太赫茲掃描方法，還具有這樣的特征:在步驟2中，采用 重復(fù)頻率調(diào)諧部對(duì)所述重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧的步驟還包括以下子步驟：
[0028] 子步驟2-1，采用信號(hào)發(fā)生單元輸出固有頻率電信號(hào)；
[0029] 子步驟2-2,觸發(fā)單元將固有頻率電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛 秒激光器；
[0030] 子步驟2-3,調(diào)諧單元依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào)連續(xù)改變腔長(zhǎng)對(duì)重復(fù)頻率進(jìn)行 調(diào)諧。
[0031] 發(fā)明作用與效果
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的太赫茲掃描系統(tǒng)以及掃描方法，由于掃描系統(tǒng)中的重頻鎖定且可調(diào) 飛秒激光器可以輸出一定脈沖寬度的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧好的飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖 定，同時(shí)，重復(fù)頻率調(diào)諧部能夠?qū)χ貜?fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧，使得本發(fā)明的掃描系統(tǒng)和掃描方法和 現(xiàn)有的掃描方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] (1)掃描距離:與傳統(tǒng)機(jī)械掃描相比，本發(fā)明的掃描系統(tǒng)避免采用大體積的線性步 進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而將掃描距離由傳統(tǒng)掃描所需的厘米量級(jí)降低到壓電陶瓷所需的微米量級(jí)。 [0034] (2)掃描精確度:掃描距離的降低大大減小了掃描過程中引入的誤差，理所當(dāng)然的 提高了準(zhǔn)確度。
[0035] (3)掃描速率：由于壓電陶瓷的變化速率可以達(dá)到kHz，而重復(fù)頻率的掃描速率由 壓電陶瓷的變化速率決定，因此將掃描時(shí)間降低到毫秒量級(jí)，大大提高了掃描速度。
[0036] (4)體積及成本優(yōu)勢(shì):與異步采樣相比，本發(fā)明只需一臺(tái)重頻精密鎖定且可調(diào)的飛 秒激光器，成本大幅度降低，同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，受外界環(huán)境的影響降低，大大促進(jìn)了其 向應(yīng)用方面的發(fā)展。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一的太赫茲波掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖2是本發(fā)明的太赫茲掃描系統(tǒng)的原理分析圖；
[0039] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例二的太赫茲成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 以下結(jié)合附圖來(lái)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0041 ] 實(shí)施例一
[0042] 圖1為本實(shí)施例的太赫茲掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 如圖1所示，太赫茲掃描系統(tǒng)100包括重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器11、重復(fù)頻率調(diào) 諧部12、分束部13、太赫茲脈沖產(chǎn)生部14、太赫茲脈沖收集部15、脈沖空間偏移發(fā)生部16、參 考激光脈沖傳輸方向改變部17、合束部18、聚焦部19、光電探測(cè)部20以及處理部。
[0044] 重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器用于輸出脈沖寬度在飛秒量級(jí)的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧 好的飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定。重復(fù)頻率調(diào)諧部用于對(duì)飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào) 諧，包括信號(hào)發(fā)生單元21、觸發(fā)單元22以及調(diào)諧單元23。信號(hào)發(fā)生單元21輸出固有頻率電信 號(hào)，觸發(fā)單元22將該固有頻率電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛秒激光器，調(diào) 諧單元23依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào)連續(xù)改變腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)諧。此重頻鎖定且 可調(diào)飛秒激光器的輸出頻率在心~心+八€周期性變化，變化周期為壓電陶瓷的變化周期，可 以達(dá)到kHz。在本實(shí)施例中，觸發(fā)單元22為掃描激光器，調(diào)諧單元23為壓電陶瓷(PZT)。
[0045] 分束部13設(shè)置在飛秒激光的光路上，為780nm分束片，用于將飛秒激光分成相互垂 直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光脈沖。太赫茲脈沖產(chǎn)生部14為光電導(dǎo)天線，設(shè)置在檢測(cè)激光 脈沖的光路上，用于產(chǎn)生太赫茲輻射。太赫茲脈沖收集部15為鍍金拋物面鏡，用于對(duì)穿過待 檢樣品的太赫茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦。
[0046] 脈沖空間偏移發(fā)生部16設(shè)置在參考激光脈沖的光路上，為長(zhǎng)度至少為20m的光纖， 用于對(duì)參考激光脈沖進(jìn)行空間距離的偏移。參考激光脈沖傳輸方向改變部17為45°平面高 反鏡，用于改變參考激光脈沖的傳輸方向，讓該參考激光脈沖經(jīng)合束部19和太赫茲脈沖同 時(shí)向前傳輸。聚焦部19為透鏡，用于將合束后的太赫茲脈沖和參考激光脈沖進(jìn)行聚焦。光電 探測(cè)部20用于探測(cè)作用于其上的太赫茲脈沖以及參考激光脈沖分別是第幾個(gè)脈沖并將脈 沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理部用于根據(jù)觸發(fā)單元輸出的重復(fù)頻率來(lái)連續(xù)測(cè)量并計(jì)算太赫茲 脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，達(dá)到對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行掃描的目的，同時(shí)依據(jù)固 有頻率電信號(hào)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到太赫茲脈沖的時(shí)域信號(hào)。
[0047] 本實(shí)施例中的太赫茲掃描方法的步驟如下：
[0048] 步驟1，重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器11輸出脈沖寬度在飛秒量級(jí)的飛秒激光，該飛 秒激光的重復(fù)頻率的可調(diào)節(jié)幅度為Af;
[0049] 步驟2,信號(hào)發(fā)生單元21輸出固有頻率電信號(hào)，觸發(fā)單元22將該固有頻率電信號(hào)作 為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)傳輸給飛秒激光器，調(diào)諧單元23依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào)連 續(xù)改變腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)諧。此重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器的輸出頻率在 周期性變化，變化周期為壓電陶瓷的變化周期，達(dá)到kHz。
[0050] 步驟3,分束部13將能量強(qiáng)的飛秒脈沖分成相互垂直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光 脈沖，檢測(cè)激光脈沖聚焦作用在赫茲脈沖產(chǎn)生部(光電導(dǎo)天線）14上，產(chǎn)生太赫茲輻射；
[0051] 步驟4,太赫茲脈沖收集部(鍍金拋物面鏡)15對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦；
[0052]步驟5，參考激光脈沖經(jīng)過脈沖空間偏移發(fā)生部16達(dá)到空間距離的偏移，而后經(jīng)參 考激光脈沖傳輸方向改變部改變參考激光脈沖的傳輸方向，該傳輸方向和初始的參考激光 脈沖的傳輸方向相垂直；
[0053]步驟6,合束部18對(duì)由太赫茲脈沖收集部傳輸來(lái)的太赫茲脈沖進(jìn)行反射，使之和參 考激光脈沖同時(shí)沿同一個(gè)方向傳輸；
[0054] 步驟7,合束的兩組脈沖經(jīng)聚焦部19聚焦后同時(shí)輸入光電探測(cè)部20中。由于兩束脈 沖經(jīng)過的空間路程不同，到達(dá)光電探測(cè)部的脈沖出現(xiàn)一定延時(shí)。
[0055]步驟8,光電探測(cè)部20探測(cè)作用于其上的太赫茲脈沖以及參考激光脈沖分別是第 幾個(gè)脈沖，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理部根據(jù)觸發(fā)單元輸出的重復(fù)頻率來(lái)連續(xù)測(cè)量 并計(jì)算太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，達(dá)到對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行掃描的目 的。同時(shí)，處理部對(duì)掃描的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行換算，得到太赫茲時(shí)域電場(chǎng)圖。
[0056]圖2是本實(shí)施例中的太赫茲掃描系統(tǒng)的原理分析圖。
[0057]飛秒激光器輸出激光脈沖的重復(fù)頻率為fi，通過壓電陶瓷的調(diào)節(jié)達(dá)到的重復(fù)頻率 差值為Af。圖2中的上面的一路光作為探測(cè)光路，下面一路作為參考光路。探測(cè)光路激光經(jīng) 過透鏡聚焦作用到光電導(dǎo)天線，產(chǎn)生太赫茲輻射，被激發(fā)的太赫茲輻射與原有激光脈沖重 復(fù)頻率一致，將產(chǎn)生的太赫茲脈沖收集并聚焦。由于探測(cè)光路與參考光路的空間光程不同， 當(dāng)探測(cè)光路的第j個(gè)脈沖作用到光電探測(cè)部上時(shí)，參考光路的第j_a個(gè)脈沖作用到探測(cè)器件 上。而這兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延時(shí)Λτ表示為：
[0058]
[0059] 式中，Λτ為太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)；a為同時(shí)作用于光電 探測(cè)部上的第j個(gè)太赫茲脈沖和第j-a個(gè)參考激光脈沖之差;A為重復(fù)頻率;Af為重復(fù)頻率 的可調(diào)節(jié)幅度。
[0060] 此時(shí)需要的光稈長(zhǎng)度I1表示為
[0061]
[0062] A十，CQ刀亢rn; η刀微亢1專獅力、MtfJ饑射率。
[0063]在掃描過程中，由于激光器的重復(fù)頻率可調(diào)，通過Af的連續(xù)變化，可以延長(zhǎng)所掃 描兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲線的掃描。在此過程中，Af/fi決定了延遲線掃描 過程的精度，激光器重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)速率決定了太赫茲時(shí)域電場(chǎng)的掃描速率。由于在飛秒 激光器中，腔的調(diào)諧主要通過壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)速率可以達(dá)到kHz，因此，與步進(jìn)電機(jī)進(jìn) 行的機(jī)械掃描相比，掃描速度大幅度提升。
[0064]實(shí)施例的作用與效果
[0065] 為了提高太赫茲頻譜的分辨率，在進(jìn)行太赫茲時(shí)域電場(chǎng)掃描時(shí)，通常需要將掃描 長(zhǎng)度擴(kuò)大到3cm以上，因此，在機(jī)械掃描過程中極易引入誤差。在本實(shí)施例中，主要通過重復(fù) 頻率鎖定及連續(xù)可調(diào)實(shí)現(xiàn)掃描，壓電陶瓷的改變量只需要 um量級(jí)就可以達(dá)到百皮秒量級(jí)的 時(shí)間延遲，大大節(jié)省了時(shí)間，減小了誤差。
[0066] 實(shí)施例二
[0067] 在本實(shí)施例二中，和實(shí)施例一相同的結(jié)構(gòu)給予相同的符號(hào)并省略相同的說明。
[0068] 圖3為本實(shí)施例二中的太赫茲成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0069] 如圖3所示，太赫茲成像系統(tǒng)用于對(duì)待測(cè)樣品的成分進(jìn)行鑒定，其結(jié)構(gòu)和太赫茲掃 描系統(tǒng)相似，包括重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器11、重復(fù)頻率調(diào)諧部12、分束部13、太赫茲脈 沖產(chǎn)生部14、太赫茲脈沖收集部24、待檢樣品容納部25、脈沖空間偏移發(fā)生部16、參考激光 脈沖傳輸方向改變部27、合束部26、聚焦部19、光電探測(cè)部20以及處理部。
[0070] 采用該太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)待檢樣品進(jìn)行成像的方法包括以下步驟：
[0071] 步驟1，重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器11輸出脈沖寬度在飛秒量級(jí)的飛秒激光，該飛 秒激光的重復(fù)頻率的可調(diào)節(jié)幅度為Af;
[0072] 步驟2,信號(hào)發(fā)生單元21輸出固有頻率電信號(hào)，觸發(fā)單元22將該固有頻率電信號(hào)作 為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)傳輸給飛秒激光器，調(diào)諧單元23依據(jù)飛秒激光器的反饋信號(hào)連 續(xù)改變腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的調(diào)諧。此重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器的輸出頻率在 周期性變化，變化周期為壓電陶瓷的變化周期，達(dá)到kHz。
[0073]步驟3,分束部13將能量強(qiáng)的飛秒脈沖分成相互垂直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光 脈沖，檢測(cè)激光脈沖聚焦作用在赫茲脈沖產(chǎn)生部(光電導(dǎo)天線）14上，產(chǎn)生太赫茲輻射，形成 太赫茲波；
[0074]步驟4,太赫茲波依次經(jīng)鍍金拋物面鏡242和241收集并聚焦后，焦點(diǎn)落在待測(cè)樣品 25上。
[0075]步驟5,透過待測(cè)樣品的太赫茲信號(hào)依次被鍍金拋物面鏡261和262收集，而后與參 考激光脈沖同時(shí)輸入到光電探測(cè)部20上。
[0076]步驟6，參考激光脈沖經(jīng)過脈沖空間偏移發(fā)生部16達(dá)到空間距離的偏移，而后經(jīng)參 考激光脈沖傳輸方向改變部27中的五塊45°高反鏡281改變參考激光脈沖的傳輸方向，該傳 輸方向和初始的參考激光脈沖的傳輸方向相垂直；
[0077] 步驟7,參考激光脈沖穿過鍍金拋物面鏡261和探測(cè)激光脈沖同時(shí)沿同一個(gè)方向傳 輸；
[0078] 步驟8,合束的兩組脈沖經(jīng)聚焦部19聚焦后同時(shí)輸入光電探測(cè)部20中，由于兩束脈 沖經(jīng)過的空間路程不同，到達(dá)光電探測(cè)部的脈沖出現(xiàn)一定延時(shí)；
[0079] 步驟9,光電探測(cè)部20探測(cè)作用于其上的太赫茲脈沖以及參考激光脈沖分別是第 幾個(gè)脈沖，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理部根據(jù)觸發(fā)單元輸出的重復(fù)頻率來(lái)連續(xù)測(cè)量 并計(jì)算太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，達(dá)到對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行掃描的目 的。同時(shí)，處理部對(duì)掃描的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行換算，得到太赫茲時(shí)域電場(chǎng)圖；
[0080] 步驟10，將待測(cè)物品在二維平面內(nèi)移動(dòng)，采集太赫茲脈沖經(jīng)過待測(cè)物品各個(gè)點(diǎn)的 時(shí)域信號(hào)，處理部將其強(qiáng)度信息還原，就可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)物品成像。同時(shí)，處理部將太赫茲時(shí) 域電場(chǎng)信號(hào)做傅里葉變換，得到其頻譜信息，經(jīng)過比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的成分進(jìn)行鑒定。
[0081] 實(shí)施例作用與效果
[0082] 本實(shí)施例是對(duì)太赫茲掃描系統(tǒng)的延伸，為太赫茲掃描系統(tǒng)在樣品成分鑒定方面的 應(yīng)用提供了一種參考。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種太赫茲掃描系統(tǒng)，用于對(duì)太赫茲時(shí)域掃描電場(chǎng)進(jìn)行快速掃描，其特征在于，具 有： 重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器，用于輸出一定脈沖寬度的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧好的所述飛 秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定； 重復(fù)頻率調(diào)諧部，對(duì)所述重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧，包括輸出固有頻率電信號(hào)的信號(hào)發(fā)生單 元、將所述固有頻率電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛秒激光器的觸發(fā)單元以 及依據(jù)所述飛秒激光器的反饋信號(hào)連續(xù)改變腔長(zhǎng)對(duì)所述重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧的調(diào)諧單元； 分束部，設(shè)置在所述飛秒激光的光路上，用于將所述飛秒激光分成相互垂直的檢測(cè)激 光脈沖和參考激光脈沖； 太赫茲脈沖產(chǎn)生部，設(shè)置在所述檢測(cè)激光脈沖的光路上，用于產(chǎn)生太赫茲輻射； 太赫茲脈沖收集部，用于對(duì)穿過待檢樣品的所述太赫茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦； 脈沖空間偏移發(fā)生部，設(shè)置在所述參考激光脈沖的光路上，用于對(duì)所述參考激光脈沖 進(jìn)行空間距離的偏移； 參考激光脈沖傳輸方向改變部，用于改變所述參考激光脈沖的傳輸方向，讓所述參考 激光脈沖穿過所述太赫茲脈沖收集部和所述太赫茲脈沖同時(shí)向前傳輸； 合束部，將所述太赫茲脈沖和所述參考激光脈沖合束； 聚焦部，將合束后的所述太赫茲脈沖和所述參考激光脈沖進(jìn)行聚焦； 光電探測(cè)部，用于探測(cè)作用于其上的所述太赫茲脈沖以及所述參考激光脈沖分別是第 幾個(gè)脈沖并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 處理部，根據(jù)觸發(fā)單元輸出的重復(fù)頻率來(lái)連續(xù)測(cè)量并計(jì)算太赫茲脈沖以及參考激光脈 沖之間的時(shí)間延時(shí)，達(dá)到對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行掃描的目的，同時(shí)對(duì)掃描的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行換算， 得到太赫茲時(shí)域電場(chǎng)圖。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲掃描系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述調(diào)諧單元為壓電陶瓷，所述參考激光脈沖傳輸方向改變部為45°平面高反 鏡。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲掃描系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述重復(fù)頻率被設(shè)定為Π ，所述重復(fù)頻率的可調(diào)節(jié)幅度被設(shè)定為Af，所述重頻 鎖定且可調(diào)飛秒激光器的輸出頻率在Π ~fl+Af周期性變化，所述變化周期為所述壓電陶 瓷的變化周期。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲掃描系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述太赫茲脈沖產(chǎn)生部為光電導(dǎo)天線。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲掃描系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述脈沖空間偏移發(fā)生部為長(zhǎng)度至少為20m的光纖。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲掃描系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述處理部依據(jù)下式計(jì)算所述太赫茲脈沖以及所述參考激光脈沖之間的時(shí)間延 時(shí)：其中，Λτ為太赫茲脈沖以及參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí);a為同時(shí)作用于光電探測(cè) 部上的第j個(gè)太赫茲脈沖和第j-a個(gè)參考激光脈沖之差;f 1為重復(fù)頻率;Af為重復(fù)頻率的可 調(diào)節(jié)幅度。7. -種太赫茲掃描方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，采用重頻鎖定且可調(diào)飛秒激光器輸出一定脈沖寬度的飛秒激光并對(duì)調(diào)諧好的 所述飛秒激光的重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定； 步驟2，采用重復(fù)頻率調(diào)諧部對(duì)所述重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧； 步驟3,采用分束部將所述飛秒激光分成相互垂直的檢測(cè)激光脈沖和參考激光脈沖； 步驟4，采用太赫茲脈沖產(chǎn)生部產(chǎn)生太赫茲輻射； 步驟5,采用太赫茲脈沖收集部對(duì)穿過待檢樣品的所述太赫茲脈沖進(jìn)行收集和聚焦； 步驟6,采用脈沖空間偏移發(fā)生部對(duì)所述參考激光脈沖進(jìn)行空間距離的偏移； 步驟7,采用參考激光脈沖傳輸方向改變部改變所述參考激光脈沖的傳輸方向，讓所述 參考激光脈沖穿過所述太赫茲脈沖收集部和所述太赫茲脈沖同時(shí)向前傳輸； 步驟8,采用光電探測(cè)部探測(cè)作用于其上的所述太赫茲脈沖以及所述參考激光脈沖分 別是第幾個(gè)脈沖并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 步驟9,采用處理部計(jì)算所述太赫茲脈沖以及所述參考激光脈沖之間的時(shí)間延時(shí)，并依 據(jù)所述固有頻率電信號(hào)對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到所述太赫茲脈沖的時(shí)域信號(hào)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的太赫茲掃描方法，其特征在于： 其中，在所述步驟2中，采用重復(fù)頻率調(diào)諧部對(duì)所述重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧的步驟還包括以 下子步驟： 子步驟2-1，采用信號(hào)發(fā)生單元輸出固有頻率電信號(hào)； 子步驟2-2,觸發(fā)單元將所述固有頻率電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)并將該觸發(fā)信號(hào)輸送給飛 秒激光器； 子步驟2-3,調(diào)諧單元依據(jù)所述飛秒激光器的反饋信號(hào)連續(xù)改變腔長(zhǎng)對(duì)所述重復(fù)頻率 進(jìn)行調(diào)諧。
【文檔編號(hào)】G01N21/3586GK105891144SQ201610194558
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月31日
【發(fā)明人】李敏, 郝強(qiáng), 楊康文, 曾和平
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)