CN110186568B - 一种光子混频太赫兹波探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子混频太赫兹探测装置，包括两个激光器、两个激光分束器、两个激光合束器、两个太赫兹光电导探测天线、激光相位调制器、太赫兹分束器和信号处理模块。本发明可以克服太赫兹光子混频系统中探测信号受到太赫兹波相位影响的问题，输出与相位无关的太赫兹波的幅度信号。本发明可用于光谱扫描、实时成像等对探测时间要求比较严格的应用场景。

Description

一种光子混频太赫兹波探测装置

技术领域

本发明属于太赫兹波的探测领域，尤其涉及基于光子混频的太赫兹探测装置。

背景技术

在太赫兹波领域，太赫兹波探测装置可分为热效应探测器和电场效应探测器两类。热释电探测器，Golay Cell等基于热效应的探测器，普遍存在尺寸大、响应速度过慢等缺点，不适合快速探测。太赫兹电场效应探测器有电光取样探测器、光电导天线探测器、外差探测器等多种不同类型。其中基于飞秒脉冲取样的电光取样探测器和光电导天线探测器由于仅能用于太赫兹时域光谱仪中。以肖特基器件为代表的外差探测器尺寸小，响应快，但是单个元件响应的频谱范围较窄。

太赫兹光子混频光谱仪是利用频率差为太赫兹的两束激光进行混频后，分别照射到光电导发射天线和光电导探测天线上以产生和探测太赫兹波并完成光谱测试的设备。混频产生的光学拍(频率为两个激光频率之差)调制光电导发射天线，在偏置电场的作用下，发射出同频率的太赫兹波。同样，光学拍调制光电导探测天线，在同频率的被测太赫兹波电场的影响下，产生与被测太赫兹波电场强度有关的探测信号。基于光子混频的太赫兹波发射和探测系统，频谱范围宽，频率分辨率高，体积较小且成本较低。

但是光子混频系统中光电导探测天线的输出信号与探测天线处太赫兹波和激光光学拍的相位差有关。当相位差变化时，信号幅值也会变化。因此太赫兹光子混频光谱仪需要增加主动相位调制装置，通过扫描相位的方式，获取探测天线输出信号的最大值。这种特点，极大的增加了探测的时间成本，还使光子混频探测器只能用在探测连续相干太赫兹波的场景中。美国Bakman公司曾经在2012年的SPIE会议(Defense,Security and Sensing)上提出过通过两次探测获取太赫兹波振幅的方法(https://m.bakmantechnologies.com/documents/DSS_2012.pdf)。探测过程中，主动调制激光混频信号的相位，使前后两次探测时激光混频信号的相位相差90°，然后通过后期处理来获取太赫兹波幅值。但是由于在光谱测试中两次测量需要耗费额外的时间，而激光器的功率漂移等误差也会累积，这种补偿方法并不实用。如何消除探测天线处太赫兹波和激光混频信号的相位差对输出探测信号的影响，是目前研究者所面临的难题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公布了一种光子混频太赫兹波探测装置，本发明的具体内容为：

一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，包括第一激光器，第二激光器，第一激光分束器，第二激光分束器，激光相位调制器，第一激光合束器，第二激光合束器，第一光电导太赫兹探测天线，第二光电导太赫兹探测天线，太赫兹波分束器和信号处理模块，其中：

第一激光分束器将第一激光器发出的激光分为两束，并分别作为第一激光合束器和第二激光合束器的输入光，第二激光分束器将第二激光器发出的激光分为两束，并分别作为第一激光合束器和第二激光合束器的另一路输入光；

激光相位调制器位于连接激光分束器输出端和激光合束器输入端的四个光路中的任意一路光路中；

第一激光合束器的输出光照射到第一光电导太赫兹探测天线上，第二激光合束器的输出光照射到第二光电导太赫兹探测天线上；

太赫兹分束器将入射的待测太赫兹波分为两束，并分别照射到第一光电导太赫兹探测天线和第二光电导太赫兹探测天线上；

激光相位调制器的相位调整量

需要满足

其中

为两路连接合束器和光电导太赫兹探测天线的光路长度不同造成的相位差，

为太赫兹分束器到两个光电导太赫兹探测天线的距离不同造成的相位差，N为整数；

信号处理模块的输出信号I_out＝I₁ ²/η₁+I₂ ²/η₂两其中，I₁和I₂分别为第一和第二光电导太赫兹探测天线输出的电流信号，η₁和η₂分别为照射到第一和第二光电导太赫兹探测天线上的太赫兹波占入射太赫兹波的比例。

进一步地，所述第一激光器、第二激光器均为连续单模输出且所输出的激光具有相同的偏振状态。

进一步地，所述第一激光分束器、第二激光分束器、第一激光合束器、第二激光合束器都不改变所操作激光的偏振状态。

进一步地，所探测的太赫兹波频率等于所述第一激光器输出激光频率和所述第二激光器输出激光频率的差值。

进一步地，所述第一激光器和第二激光器中至少有一个可以改变其输出激光的频率。

进一步地，所述激光相位调制器的相位调整量通过实验进行校准，使用可以改变初始相位的太赫兹波入射，同时在0-2π区间内调整激光相位调制器的相位调整量，直至所述信号处理模块的输出不受入射太赫兹波初始相位的影响为止。

本发明的有益效果为：本发明所公开的探测装置，可以直接给出所探测太赫兹波的强度，与被测太赫兹波的相位无关，而且不需要降低系统的分辨率或者增加探测时间。

本发明由于采用两个光电导太赫兹探测天线同时对太赫兹波进行探测，而且探测相位相差90°。等同于将被测太赫兹波信号按照相互正交的两个分量进行展开，然后同时进行探测。虽然每个分量的探测结果都会受到被测太赫兹波的相位影响，将两个分量的探测结果进行组合后得到的结果体现的是被测太赫兹波的强度大小，与被测太赫兹波的相位无关。

本发明由于同时对被测太赫兹波信号的两个正交分量进行探测，因此无需增加额外的探测时间，可用于光谱扫描、实时成像等对探测时间要求比较严格的应用场景。正交分量的同时探测，避免了分开探测中激光功率浮动等噪声因素的累加，因而可以获得更高的信噪比。更为重要的是，正交分量的同时探测，具有探测任意连续太赫兹波的能力，从而使光子混频太赫兹光电导探测天线脱离光子混频太赫兹光谱仪的限制，作为一个单独的探测器存在。

附图说明

图1是实施例光子混频太赫兹波探测装置结构示意图。

图2是实施例光子混频太赫兹波探测装置相位调整量校准装置结构示意图。

图3是实施例光子混频太赫兹波探测装置探测信号图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

光子混频太赫兹波探测装置包括第一激光器11、第二激光器12、第一激光分束器21、第二激光分束器22，激光相位调制器3，第一激光合束器41，第二激光合束器42，第一光电导太赫兹探测天线51，第二光电导太赫兹探测天线52，太赫兹波分束器6和信号处理模块7。

第一激光器11为连续输出线偏振半导体激光器，输出波长1550.03nm，输出功率50mW。第二激光器12为输出激光频率可调的连续输出线偏振半导体激光器，输出波长1520-1630nm，输出功率50mW。第一激光器11和第二激光器12的输出端均自带光纤耦合模块，可将输出激光耦合到单模保偏光纤中。第一激光器1和第二激光器2输出的激光具有相同的偏振状态。

第一激光分束器21和第二激光分束器22都为单模保偏光纤1进2出分束器。两个激光分束器的分束比都为1:1，即它们各自的两个输出端输出的激光功率均为输入端输入的激光功率的一半。第一激光合束器41、第二激光合束器42均为单模保偏光纤合束器。本实施例中的激光分束器和激光合束器均选用保偏光纤以确保在分束和合束过程中不改变激光的偏振状态。

如图1所示，第一激光分束器21的输入端同第一激光器11的输出端相连；第二激光分束器22的输入端同第二激光器12的输出端相连。第一激光分束器21的两个输出端分别同第一激光合束器41和第二激光合束器42的一个输入端相连；第二激光分束器22的两个输出端分别同第一激光合束器41和第二激光合束器42的另一个输入端相连。激光相位调制器3位于连接第二激光分束器的输出端和第二激光合束器的输入端的光路上。激光相位调制器由电压源控制，可以将波长为1550nm附近的激光相位延迟0～2π的相位。第一激光合束器41输出的激光照射到第一光电导太赫兹探测天线51的天线间隙上，第二激光合束器42输出的激光照射到第二光电导太赫兹探测天线52的天线间隙上。连接第一激光合束器41输出端和第一光电导太赫兹探测天线51的光纤，同连接第二激光合束器42输出端和第二光电导太赫兹探测天线52的光纤具有相同的长度。入射的待测太赫兹波先通过太赫兹分束器6，被分束器6分为透射和反射两束。其中透射的太赫兹波照射到第一光电导太赫兹探测天线51上，反射的太赫兹波束照射到第二光电导太赫兹探测天线52上。太赫兹分束器6到第一光电导太赫兹探测天线51的距离同到第二光电导太赫兹探测天线52的距离相等。本实施例中，使用100微米的双抛硅片作为分束器，其反射率η₁为42％，透射率η₂为58％。第一光电导太赫兹探测天线51和第二光电导太赫兹探测天线52的输出信号，输入到信号处理模块7中。信号处理模块7将两路输入信号进行放大后，提取幅度I₁和I₂，然后按照I_out＝I₁ ²/η₁+I₂ ²/η₂计算出太赫兹波强度并输出。

激光相位调制器3的相位调整量

需要满足

其中

为两路连接合束器(41和42)和光电导太赫兹探测天线(51和52)的光路长度不同造成的相位差，

为太赫兹分束器(6)到两个光电导太赫兹探测天线(51和52)的距离不同造成的相位差，N为整数。本实施例中，选择了相同长度的光纤连接激光合束器(41和42)和光电导太赫兹探测天线(51和52)，也同样让太赫兹分束器6到两个光电导太赫兹探测天线(51和52)的距离相等，因此

即可。但是在实际操作中，很难保证两个光路完全相等，因此激光相位调制器3的相位调整量需要通过实验进行校准。

图2为本实施例采用的相位调整量校准装置示意图。图2中虚线框中的部分为去除激光器的本实施例光子混频太赫兹波探测装置。原激光器(11和12)作为校准装置中太赫兹探测装置和太赫兹发射装置共用的泵浦光源。第一激光器11输出的激光先通过激光分束器23后被分成功率相等的两束，其中一束输入到激光合束器43，另一束输入到激光分束器21；第二激光器12输出的激光先通过激光分束器24后被分成功率相等的两束，其中一束输入到激光合束器43，另一束输入到激光分束器22。激光合束器43将两路输入激光合束后经相位调制器32到达太赫兹光电导发射天线53。相位调制器32为压电控制光纤拉伸式相位调制器，使用输入电压改变其相位调整量。太赫兹光电导发射天线53由电源8提供偏置电源。太赫兹光电导发射天线53发射出的太赫兹波经过反射镜91和92入射到本实施例光子混频太赫兹探测装置的太赫兹分束器6上，从而被探测。

首先给相位调制器32输入一个三角波信号，令其持续改变太赫兹光电导发射天线53所发射的太赫兹波的初始相位。然后在0-2π区间内调整激光相位调制器3的相位调整量，并观察信号处理模块7输出的信号。当输出信号变为一个不随入射太赫兹波初始相位变化的直流量时，相位调整量便校准完毕。只要图2中虚线框内的光路没有改变，此校准只需进行一次即可。

继续使用图2中的装置进行太赫兹波的探测实验。在输出太赫兹波的同时，连续调节相位调制器32的输入电压，从而产生初始相位一直在连续改变的太赫兹波束。同时在太赫兹波束中插入塑料板，造成太赫兹波幅度和相位的突变，以考察本实施例探测装置的探测能力。图3中粗虚线和细虚线分别为光电导太赫兹探测天线51和52输出电流的方向和强度。由图3可知，探测天线输出的电流强度受到太赫兹波相位变化的影响。如果被测太赫兹波的初始相位不发生变化，探测天线的输出为与相位有关的直流信号，无法反映出被测太赫兹波的强度。插入对太赫兹波造成损耗的塑料板后，由于相位也发生突变，探测天线输出信号还有可能变强。图3中黑色实线所示为使用本实施例光子混频太赫兹波探测装置探测到的太赫兹波强度信号。由图3可知，本探测装置的输出信号不受太赫兹相位变化的影响，可以反映出太赫兹强度的真实变化。

本实施例中的光路均以光纤为基础，分束器和合束器也为光纤分束器和光纤合束器。但是本发明并不限定光路的形式。通过自由空间光路中使用的晶体或片状分束器和合束器也可以实现本发明的光路。

Claims (6)

1.一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，包括第一激光器，第二激光器，第一激光分束器，第二激光分束器，激光相位调制器，第一激光合束器，第二激光合束器，第一光电导太赫兹探测天线，第二光电导太赫兹探测天线，太赫兹波分束器和信号处理模块，其中：

第一激光分束器将第一激光器发出的激光分为两束，并分别作为第一激光合束器和第二激光合束器的输入光，第二激光分束器将第二激光器发出的激光分为两束，并分别作为第一激光合束器和第二激光合束器的另一路输入光；

激光相位调制器位于连接激光分束器输出端和激光合束器输入端的四个光路中的任意一路光路中；

第一激光合束器的输出光照射到第一光电导太赫兹探测天线上，第二激光合束器的输出光照射到第二光电导太赫兹探测天线上；

太赫兹分束器将入射的待测太赫兹波分为两束，并分别照射到第一光电导太赫兹探测天线和第二光电导太赫兹探测天线上；

激光相位调制器的相位调整量

需要满足

其中

为两路连接合束器和光电导太赫兹探测天线的光路长度不同造成的相位差，

为太赫兹分束器到两个光电导太赫兹探测天线的距离不同造成的相位差，N为整数；

信号处理模块的输出信号I_out＝I₁ ²/η₁+I₂ ²/η₂，其中，I₁和I₂分别为第一和第二光电导太赫兹探测天线输出的电流信号，η₁和η₂分别为由太赫兹分束器分开的照射到第一和第二光电导太赫兹探测天线上的太赫兹波占入射太赫兹波的比例。

2.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器均为连续单模输出且所输出的激光具有相同的偏振状态。

3.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，所述第一激光分束器、第二激光分束器、第一激光合束器、第二激光合束器都不改变所操作激光的偏振状态。

4.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，所探测的太赫兹波频率等于所述第一激光器输出激光频率和所述第二激光器输出激光频率的差值。

5.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器中至少有一个可以改变其输出激光的频率。

6.如权利要求1所述的一种光子混频太赫兹波探测装置，其特征在于，所述激光相位调制器的相位调整量通过实验进行校准，使用可以改变初始相位的太赫兹波入射，同时在0-2π区间内调整激光相位调制器的相位调整量，直至所述信号处理模块的输出不受入射太赫兹波初始相位的影响为止。

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