光学延迟线在太赫兹波中的应用

guruntech · 发表于 2015-8-24 11:37:08

本帖最后由 guruntech 于 2015-8-24 11:38 编辑

ODL在太赫兹波检测方面的应用

固润光电

太赫兹（Terahertz, THz）波是指频率在0.1~10THz的电磁波。其特点介于红外光波和微波之间，以前由于产生和检测手段有限而发展缓慢，近十几年来由于激光技术发展，THz也随之得到了蓬勃地发展和越来越广泛的应用[1-3]。由于其波段的特殊，THz在生物、医药、安检、中医学领域有着很多独特的应用，在这些应用领域中[4]，THz时域光谱技术（THz-TDS）是研究材料或者生物样本的THz光谱特性的最重要手段。THz-TDS是利用相干探测技术，同时获得样品反射（投射）的THz光的振幅和相位信息，再分析其频谱特性的THz成像方法。

传统光学延迟线通常是利用电机通过同步带、螺杆或滚珠丝杠转换等间接传动实现电动平移台的运动。这种机械传动存在着运动阻力较大、响应较慢且滞后等不足之处，因而限制其扫描速度的进一步提高。而音圈电机是利用通电导体在磁场中受到安培力作用而运动的原理，其结构中没有传统电机的螺母、丝杆结构，因此运动阻力非常小，从而能够实现高速的往复运动，具有直接传动无滞后、高响应、高加速度、高速度、在理论上有无限分辨率、体积小且力特性好、控制方便等一系列优点。音圈直线电机被广泛应用于光学、微电子及测量领域的光学扫描、定位、瞄准、跟踪和稳定，可对透镜或反射镜进行精密的运动控制。

基于音圈电机的快速延迟线

快速延迟线是本系统实现快速扫描时域光谱的核心部件，因而，有必要对其运动特性与实现系统光谱快速扫描的关系进行分析。当飞秒探测光人射到反射镜时，快速延迟线的反射镜在音圈电机匀速驱动下进行连续的直线运动，反射点的变化就会产生光学延迟位置的变化。根据反射光与入射光的光程关系，产生的光学延迟距离为反射点沿电机运动方向变化量的两倍，其关系如(1)式所示：

L=2*x (1)

式中L为光学延迟距离，为反射镜上反射点沿电机运动方向的距离变化量。根据运动关系，L=C*τ，x=v*t，代人(1)式可得：

τ=2*v*t/C (2)

式中τ为光学延迟时间，为音圈电机的运动速度，c为光速，t为反射镜的运动时间。由(2)式可得，在音圈电机匀速运动的情况下，光学延迟时问与反射镜的运动时间呈线性关系。。在扫描的光学延迟时间τ为固定量的情况下，当增大音圈电机的运行速度时，反射镜的运动时间t会相应减少，反之则增大。反射镜运动时间t的倒数即为延迟线的扫描频率f，如（3）所示： f=1/t=v/x （3）

式中73为音圈电机的运动速度，为反射镜上反射点沿电机运动方向的变化量。音圈电机平台在完成上述运动过程的同时为数据采集卡产生触发脉冲。数据采集卡接收脉冲后启动模数转换，采集太赫兹信号，从而实现太赫兹的快速光谱测量。

THz-TDS 系统是利用激光器射出的飞秒激光产生THz光波的，其系统的结构如图1所示。首先飞秒激光经过分光镜分为两束，一束光射入InAs，产生THz波，经过4个面镜聚焦到探测晶体ZnTe。另外一束飞秒激光也是经过一些列反射折射过程，并经过延迟线倒带探测晶体上，最终利用转化为探测晶体的电信号。

由于飞秒激光的频率远远高于THz的频率，可以认为，在第二束飞秒激光到探测晶体的时候，对此时的THz信号进行探测。达由于延迟线可以控制探测束飞秒激光的光程，因此，可以让探测的时间点和产生的THz信号的时间起点有一定的时间差，通过不断地改变这个时间差（光程差），可以探测到不同时间点的THz信号。由于飞秒激光是连续不断地发射，每一次飞秒激光的发生都会得到一个探测信号，通过若干次地改变延迟线的长度，进而改变对透射（反射）THz信号的探测时间点，最终就可以得到一个完整的透射（反射）THz信号的强度随时间变化的图谱，也就是THz-TDS结果。

THz-TDS系统结构原理图

MesaPhotonics 光学延迟线的特点：

提供一个精度、速度与光学稳定性的优越性价比方案。它非常适合应用于泵浦探测，自相关测量，超短激光脉冲测量（干涉与强度方法）。先进的音圈技术使ODL在其可定位于150纳米内任何地方。双向传输光程为1飞秒。响应时间可短至1毫秒。我们1厘米量程的ODL干涉方面非常稳定（使用650nm激光器测试）。没有机械回程齿隙，没有回滞效应，没有步进电机的传动磨损。实用方便，ODL可以通过数字信号，模拟控制，或者两者结合区控制。两个16bit的数模转换器简化了数据采集。数据输入与输出允许主/次时钟计时。Windows独立的程序可使您时刻掌握运行状态。

使用模拟输入，通过I/O口直接把波形的+、-信号接线接入设备中，从而对音圈马达进行波形调制。在太赫兹波检测的开发中非常方便。

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