具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
具有超高重频的太赫兹脉冲产生与探测系统


[0001]本专利技术涉及太赫兹探测
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]根据本专利技术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。
[0011]根据本专利技术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。
[0012]根据本专利技术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。
[0013]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。
[0014]根据本专利技术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。
[0015]根据本专利技术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。
[0016]根据本专利技术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。
[0017]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。
[0018]根据本专利技术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。
[0019]根据本专利技术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
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dimethylamino
‑
N
‑
methyl
‑4‑
stilbazolium tosylate)等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：