CN104614082A - 太赫兹波线宽测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹波检测技术领域，为在太赫兹波段实现应用于线宽测量的扫描法布里-珀罗干涉仪，本发明采取的技术方案是，太赫兹波线宽测量的装置及方法，包括如下结构：入射太赫兹波经第1表面镀金离轴抛物面镜之后平行出射至法布里-珀罗干涉仪腔镜；由高阻硅材料制成的位置固定法布里-珀罗干涉仪腔镜a，法布里-珀罗干涉仪腔镜b；步进移动平台沿太赫兹波传播方向步进运动；来自腔镜b的平行入射的太赫兹波经第2表面镀金离轴抛物面镜进行会聚；第2表面镀金离轴抛物面镜的焦点位置设置有斩波器，第2表面镀金离轴抛物面镜输出得太赫兹波经斩波器、热释电探测器、AD转换器输出测量结果。本发明主要应用于太赫兹波检测。

Description

太赫兹波线宽测量的装置及方法

技术领域

本发明属于太赫兹波检测技术领域；具体讲，涉及太赫兹波线宽测量的装置及方法。

技术背景

近年来很多不同类型的太赫兹辐射源都得到了很大的发展，并且被广泛应用于成像、光谱分析等领域中。在太赫兹光谱分析领域，太赫兹时域光谱技术由于通常只能实现数十GHz的光谱分辨能力，在部分应用中已经不能满足实际的需求。在这样的背景下，人们提出了利用频率可调谐的窄线宽单频太赫兹源进行光谱检测。目前已经涌现出一些窄线宽的单频太赫兹辐射源，例如基于非线性差频或参量振荡技术的太赫兹辐射源等等。窄线宽太赫兹源的输出线宽能够达到百MHz，接近傅里叶变换极限。利用这种太赫兹源组建太赫兹光谱分析系统，光谱检测的精度能够达到MHz量级。随着太赫兹辐射源的发展，太赫兹辐射源的性能不断提升，实现对其包括输出线宽在内的各项关键性能参数的测量展现出了不断凸显的重要性。为了实现太赫兹源辐射线宽的准确测量，寻找到一种测量精度高、使用方便的太赫兹波线宽测量方法成为了人们追求的目标。

在传统的激光领域，使用法布里-珀罗标准具测量激光的线宽是目前使用最为广泛的一种技术。通过面阵相机观察激光经过标准具之后的干涉圆环的精细结构，能够快速准确地得到待测激光的线宽大小。在太赫兹领域，面阵相机的成本远远高于激光领域中面阵相机的成本，因而这种测量方法不适用于在太赫兹领域进行直接推广。作为传统法布里-珀罗标准具的一种改进形式，干涉腔长可变的扫描法布里-珀罗干涉仪可以替代厚度固定的法布里-珀罗标准具，在不使用面阵相机的前提下实现谱线精细结构的观察。改进的扫描法布里-珀罗干涉仪需要两台额外的设备以实现干涉精细结构的观察，分别为一个高精度的位移平台和一台太赫兹功率探测装置。随着太赫兹技术的发展，太赫兹波功率探测装置已经涌现出了很多不同种类的产品，在室温条件下实现太赫兹波功率高精度探测的技术已经相当成熟。另外，由于太赫兹波长较长，接近毫米量级，用于太赫兹波段的扫描法布里-珀罗干涉仪对位移平台的移动精度的要求相应较低。因此，在太赫兹波段实现应用于线宽测量的扫描法布里-珀罗干涉仪已经具备了比较成熟的条件。

发明内容

为克服现有技术的不足，在太赫兹波段实现应用于线宽测量的扫描法布里-珀罗干涉仪，为此，本发明采取的技术方案是，太赫兹波线宽测量的方法，利用法布里-珀罗FP干涉仪、测得对波长λ的功率透过率，由公式：

$T\left(d\right)={[1+\frac{{4R}^2}{{(1-R)}^2}{\sin }^2(2\mathrm{\π}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})]}^{-1}.$

获得干涉腔长d，式中，R是两个反射面的反射率，n是反射面之间填充介质的折射率，θ是入射角度；

根据法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围FSR的表达式：

FSR＝c/2nd

获得FSR；

再由公式：

Linewidth(FWHM)＝FSR/Finesse

获得太赫兹波的线宽Linewidth(FWHM)，式中条纹精细度Finesse近似是一个不随干涉腔长变化的常数。

利用法布里-珀罗FP干涉仪具体包括如下步骤：

利用表面镀金离轴抛物面镜将入射太赫兹波反射、平行出射到法布里-珀罗干涉仪腔镜；

采用高阻硅材料用作位置固定的法布里-珀罗干涉仪腔镜a，腔镜a两个表面抛光，腔镜a两个抛光表面具有1度左右的楔角以避免内部形成FP谐振腔，靠近法布里-珀罗干涉仪腔镜b的表面与入射太赫兹波垂直；

法布里-珀罗干涉仪腔镜b材料及外形尺寸与腔镜a完全相同，靠近腔镜a的表面与入射太赫兹波垂直，将腔镜b安装于移动平台4上；

沿太赫兹波传播方向步进移动平台；

利用表面镀金离轴抛物面镜将来自法布里-珀罗干涉仪腔镜的平行入射的太赫兹波会聚；

将斩波器置于表面镀金离轴抛物面镜的焦点位置，修正待测太赫兹波的调制频率为适合后端热释电探测器的频率；

热释电探测器，测量透射太赫兹波的功率，输出与探测功率大小成正比的电压信号至数据采集卡；

将热释电探测器输出的模拟信号进行AD转换，输出数字信号至计算机；

利用计算机运行测量程序，读取数据采集系统输出的数字电压值，对步进位移平台发出工作指令；为用户计算线宽测量结果。

太赫兹波线宽测量的装置，包括如下结构：

入射太赫兹波经第1表面镀金离轴抛物面镜之后平行出射至法布里-珀罗干涉仪腔镜；

由高阻硅材料制成的位置固定法布里-珀罗干涉仪腔镜a，两个表面抛光，两个表面表面具有1度左右的楔角，靠近腔镜b的表面与入射太赫兹波垂直；

法布里-珀罗干涉仪腔镜b材料及外形尺寸与腔镜a完全相同，靠近腔镜a的表面与入射太赫兹波垂直，腔镜b安装于移动平台4上；

步进移动平台沿太赫兹波传播方向步进运动；

来自腔镜b的平行入射的太赫兹波经第2表面镀金离轴抛物面镜进行会聚；

第2表面镀金离轴抛物面镜的焦点位置设置有斩波器，第2表面镀金离轴抛物面镜输出得太赫兹波经斩波器、热释电探测器、AD转换器输出测量结果。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明提出了一种低成本、小型化、便携式的太赫兹线宽测量计，并且具有较快的测量速度以及较高的测量精度以及可靠性，可以广泛应用于从事太赫兹相关领域的实验室中。基于法布里-珀罗干涉仪的太赫兹线宽测量计具有以下几个优点：1.结构简单，体积较小，可以作为小型化、便携式的仪器使用。2.制造成本较低。3.操作方便，测量快速。4.测量精度较高。

附图说明

图1线宽测量原理示意图。

图2本发明专利结构示意图。

图中：1.表面镀金离轴抛物面镜；2.法布里-珀罗干涉仪腔镜a(位置固定)；3.法布里-珀罗干涉仪腔镜b(动镜)4.步进移动平台；5.表面镀金离轴抛物面镜；6斩波器；7.热释电探测器；8.数据采集卡；9.计算机。

图3线宽测量系统工作流程简图。

图4两个表面具有1度左右的楔角腔镜示意图。

具体实施方式

提出了一种基于扫描法布里-珀罗干涉仪的太赫兹线宽测量装置的实现方案，这种装置具有结构紧凑、成本较低且能够在室温条件下工作，适用于太赫兹科研领域以及太赫兹技术的实际应用领域。

本发明的目的在于提供一种单色太赫兹波线宽测量的方案：

根据多光束干涉的爱里公式，在不考虑吸收的条件下，法布里-珀罗(FP)干涉仪的透对波长λ的功率透过率为

$T\left(d\right)={[1+\frac{{4R}^2}{{(1-R)}^2}{\sin }^2(2\mathrm{\π}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})]}^{-1}.---\left(0.1\right)$

其中d是FP干涉仪两个反射面之间的距离，R是两个反射面的反射率，n是反射面之间填充介质的折射率，θ是入射角度。保持其它参数不变的情况下，FP干涉仪的透射率T是干涉腔长d的函数，前者随后者的变化曲线如图1所示。从图中可见，曲线具有周期性，这一特性是由(0.1)式中的sin平方项决定的。

本发明引入法布里-珀罗干涉仪的条纹精细度(Finesse)和自由光谱范围(Free SpectralRange/FSR)两个参数。条纹精细度的大小为相邻两个干涉峰的距离与干涉曲线的半高全宽值(FWHM)的比值。曲线的半高全宽值(FWHM)如图1所示。对于一个特定的FP干涉仪，条纹精细度Finesse可以近似认为是一个不随干涉腔长变化的常数。法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围FSR的表达式为

FSR＝c/2nd   (0.2)

其中n为干涉腔内填充介质的折射率。对于腔内为空气的情形，自由光谱范围的表达式可以近似简化为FSR＝c/2d。自由光谱范围的单位为赫兹(Hz)。

FP干涉仪所能分辨的谱线精度由它的自由光谱范围决定，而由(0.2)式可知自由光谱范围的大小由干涉仪的腔长决定。当FP干涉仪的腔长从0.1mm变化至1000mm时，它的自由光谱范围会从1.5THz减小到150MHz。在图1的干涉曲线中，相邻两个干涉峰值点对应的间隔即为当前腔长所对应的自由光谱范围。而干涉曲线在这一位置的FWHM，即为太赫兹波的线宽。线宽测量结果的表达式为，

Linewidth(FWHM)＝FSR/Finesse    (0.3)

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

太赫兹线宽测量装置的具体实现方案如图2所示。系统各组成部分的名称及功能表述如下：

1.表面镀金离轴抛物面镜。反射面在太赫兹波段具有接近100％的反射率，离轴抛物面型的反射面起到光束整形的作用，入射太赫兹波经过抛物面镜1之后平行出射。

2.法布里-珀罗干涉仪腔镜a(位置固定)。高阻硅材料，两个表面抛光，两个表面具有1度左右的楔角以避免内部形成FP谐振腔。楔角如图4所示。无特殊的要求，只要里侧的两个表面平行就可以，外部两个表面的朝向可以任意。靠近腔镜b的表面与入射太赫兹波垂直。

3.法布里-珀罗干涉仪腔镜b(动镜)。材料及外形尺寸与腔镜a完全相同，靠近腔镜a的表面与入射太赫兹波垂直。腔镜b安装于移动平台4上。

4.步进移动平台。沿太赫兹波传播方向步进运动，由计算机9程序控制。

5.表面镀金离轴抛物面镜。与抛物面镜1相同，用于将平行入射的太赫兹波会聚。

6.斩波器。置于抛物面镜5的焦点位置，修正待测太赫兹波的调制频率为适合后端热释电探测器7的频率。

7.热释电探测器。测量透射太赫兹波的功率，输出与探测功率大小成正比的电压信号至数据采集卡8。

8.数据采集系统。将热释电探测器输出的模拟信号进行AD转换，输出数字信号至计算机9。

9.计算机。运行测量程序，读取数据采集系统输出的数字电压值，对步进位移平台发出工作指令。为用户计算线宽测量结果。

线宽测量系统的工作流程图如图3所示。整套系统由计算机程序控制，首先进行初始化并由用户设定扫描步长及采样数目。随后系统根据采样数设定，测量得到腔长与透射强度的原始数据。最后依据线宽结果表达式(0.3)计算得到待测太赫兹波的线宽大小。

Claims (3)

1.一种太赫兹波线宽测量的方法，其特征是，利用法布里-珀罗FP干涉仪、测得对波长λ的功率透过率，由公式：

$T\left(d\right)={[1+\frac{{4R}^2}{{(1-R)}^2}{\sin }^2(2\mathrm{\π}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})]}^{-1}.$

获得干涉腔长d，式中，R是两个反射面的反射率，n是反射面之间填充介质的折射率，θ是入射角度；

根据法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围FSR的表达式：

FSR＝c/2nd

获得FSR；

再由公式：

Linewidth(FWHM)＝FSR/Finesse

获得太赫兹波的线宽Linewidth(FWHM)，式中条纹精细度Finesse近似是一个不随干涉腔长变化的常数。

2.如权利要求1所述的太赫兹波线宽测量的方法，其特征是，利用法布里-珀罗FP干涉仪具体包括如下步骤：

利用表面镀金离轴抛物面镜将入射太赫兹波反射、平行出射到法布里-珀罗干涉仪腔镜；

采用高阻硅材料用作位置固定的法布里-珀罗干涉仪腔镜a，腔镜a两个表面抛光，腔镜a两个表面具有1度左右的楔角以避免内部形成FP谐振腔，靠近法布里-珀罗干涉仪腔镜b的表面与入射太赫兹波垂直；

法布里-珀罗干涉仪腔镜b材料及外形尺寸与腔镜a完全相同，靠近腔镜a的表面与入射太赫兹波垂直，将腔镜b安装于移动平台4上；

沿太赫兹波传播方向步进移动平台；

利用表面镀金离轴抛物面镜将来自法布里-珀罗干涉仪腔镜的平行入射的太赫兹波会聚；

将斩波器置于表面镀金离轴抛物面镜的焦点位置，修正待测太赫兹波的调制频率为适合后端热释电探测器的频率；

热释电探测器，测量透射太赫兹波的功率，输出与探测功率大小成正比的电压信号至数据采集卡；

将热释电探测器输出的模拟信号进行AD转换，输出数字信号至计算机；

利用计算机运行测量程序，读取数据采集系统输出的数字电压值，对步进位移平台发出工作指令；为用户计算线宽测量结果。

3.一种太赫兹波线宽测量的装置，其特征是，结构为：

入射太赫兹波经第1表面镀金离轴抛物面镜之后平行出射至法布里-珀罗干涉仪腔镜；

由高阻硅材料制成的位置固定法布里-珀罗干涉仪腔镜a，两个表面抛光，两个抛光表面具有1度左右的楔角，靠近腔镜b的表面与入射太赫兹波垂直；

法布里-珀罗干涉仪腔镜b材料及外形尺寸与腔镜a完全相同，靠近腔镜a的表面与入射太赫兹波垂直，腔镜b安装于移动平台4上；

步进移动平台沿太赫兹波传播方向步进运动；

来自腔镜b的平行入射的太赫兹波经第2表面镀金离轴抛物面镜进行会聚；

第2表面镀金离轴抛物面镜的焦点位置设置有斩波器，第2表面镀金离轴抛物面镜输出得太赫兹波经斩波器、热释电探测器、AD转换器输出测量结果。