超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)

張宏飛，蘇 波，何敬鎖，張存林

(1.首都師范大學(xué) 物理系 太赫茲光電子學(xué)教育部重點實驗室，北京 100048；2.太赫茲波譜與成像北京市重點實驗室，北京 100048；3.北京成像技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100048)

引言

在傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，需要使用機械平移臺的掃描來實現(xiàn)泵浦脈沖或者探測脈沖的時間延遲，從而得到太赫茲時域波形，但是，它存在一個致命的問題就是掃描一次所需要的時間大約在10 min左右，不具備高速掃描的特點，因此提出了一種基于光學(xué)異步采樣的超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)。異步光學(xué)采樣(ASOPS)技術(shù)1987年被提出[1]，自此以后受到廣泛關(guān)注。日本的Y.Takagi于1999年提出了基于異步采樣的可調(diào)諧鎖模亞皮秒激光器的光學(xué)采樣計量系統(tǒng)，但它存在采樣點不均勻的缺點。本文通過重復(fù)頻率可調(diào)的鎖模激光振蕩器克服了此缺點，通過引入泵浦和探測脈沖重復(fù)頻率不同而形成時間差，從而實現(xiàn)線性掃描采樣。

1 超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)原理

基于異步采樣的太赫茲時域光譜系統(tǒng)使用了2個重復(fù)頻率在1 GHz附近可調(diào)的飛秒激光振蕩器，并由高帶寬反饋電子設(shè)備控制其重復(fù)頻率。一個飛秒振蕩器的重復(fù)頻率是(1G+Δf)Hz，為泵浦脈沖，另一個飛秒振蕩器的重復(fù)頻率是1 GHz，為探測脈沖。2個飛秒振蕩器的重復(fù)頻率存在Δf(Δf在1 kHz～20 kHz可調(diào))的頻率差，由此產(chǎn)生泵浦脈沖和探針脈沖的時間差，其掃描周期可以由1/Δf給出[2-3]。此系統(tǒng)具有檢測速度快、分辨率高等優(yōu)點[4]。當(dāng)Δf為10 kHz時，即時間延遲以100 μs周期重復(fù)地掃描[5]。

兩列脈沖對應(yīng)的時間間隔為

(1)

(2)

一個采樣周期內(nèi)的采樣點個數(shù)為

(3)

采集太赫茲脈沖單個點所用的時間為

(4)

每當(dāng)探測脈沖和泵浦脈沖重合1次，觸發(fā)信號探測器就會產(chǎn)生一個高電平脈沖信號，即為觸發(fā)信號[3]。觸發(fā)信號的周期[7]為T=(n-1)=1/Δf。時間T也是信號采集系統(tǒng)的采樣周期，信號采集系統(tǒng)接收到一個觸發(fā)信號開始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到下一個觸發(fā)信號后結(jié)束本次采集，保存數(shù)據(jù)，并開始下一個周期的數(shù)據(jù)采集[8]。

2 異步采樣THz-TDS系統(tǒng)設(shè)置

利用兩臺飛秒激光振蕩器，建立了一種簡單的基于ASOPS的THz時域光譜儀，如圖1所示。

圖1 超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)Fig.1 Ultrafast THz time-domain spectroscopy system

一束功率為550 mW的泵浦光經(jīng)會聚后形成300 μm大小的光斑，照射在THz發(fā)射天線上產(chǎn)生太赫茲波[9]。然后，太赫茲波經(jīng)過4個離軸拋物鏡聚焦于1 mm厚的碲化鋅(ZnTe)晶體上，其晶體的切割方向為111晶向[2]。另一束功率為10 mW的探測光經(jīng)過離軸拋物鏡上的小孔照射在ZnTe晶體上[10-11]。最后由平衡探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，探測出THz信號[12-13]。

觸發(fā)信號探測器的核心器件是一個帶寬為150 MHz的光電二極管，其頻譜響應(yīng)的中心波長為400 nm。利用雙光子的吸收效應(yīng)，當(dāng)2個光脈沖重合時，光電二極管產(chǎn)生雙光子吸收，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號[14]。

觸發(fā)信號探測器光路示意圖如圖2所示。圖中一路為泵浦激光脈沖，另一路為探測激光脈沖，兩路激光脈沖經(jīng)透鏡聚焦在光電二極管上，光電二極管上所加的直流偏置電壓為5 V。當(dāng)兩路光脈沖重合時，光電二極管就產(chǎn)生觸發(fā)信號[15]，此觸發(fā)信號經(jīng)過高通濾波器濾除直流信號后用帶寬為500 M的示波器進(jìn)行采集，在示波器上顯示的觸發(fā)信號如圖3所示，此信號經(jīng)過放大器放大后輸入到數(shù)采卡的觸發(fā)輸入端，為數(shù)據(jù)采集提供觸發(fā)信號。

圖2 觸發(fā)信號探測器示意圖Fig.2 Schematic of trigger signal detector

圖3 觸發(fā)信號Fig.3 Trigger signal

3 超快太赫茲時域光譜

利用上述搭建的超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)得到了完整的THz信號。此時探測激光脈沖的重復(fù)率是1 GHz，泵浦激光脈沖的重復(fù)頻率為(1G+1k)Hz，此時1ms就可以探測出1個THz譜。圖4為測得的THz時域脈沖，其為10.3 s的測量時間內(nèi)得到的積分平均信號[16]，經(jīng)傅里葉變換后得到的THz脈沖的頻域譜如圖5所示，它的動態(tài)范圍為21 dB，頻譜分辨率為5 GHz。

圖4 太赫茲時域譜Fig.4 Terahertz time domain spectrum

圖5 太赫茲頻域譜Fig.5 Terahertz frequency domain spectrum

4 結(jié)論

超快太赫茲時域光譜系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)THz-TDS系統(tǒng)所使用的機械延遲線裝置，而利用兩臺重復(fù)頻率略有差異的激光振蕩器來提供時間延遲，不僅重復(fù)定位精度高、信噪比高、頻譜分辨率高，還可以以極快的速度獲取THz時域譜。該系統(tǒng)的Δf可以在1 k～20 k之間連續(xù)可調(diào)，即該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒1 k～20 k次的時域譜采集速度。因此，它具有完全取代傳統(tǒng)THz-TDS系統(tǒng)的潛力，并且在需要快速測量的應(yīng)用環(huán)境中有著傳統(tǒng)太赫茲時域光譜系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。