專利名稱：一種用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置及測量方法
技術領域：
-001]、'本發(fā)明屬于太赫茲光學領域，涉及一種用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置及
背景技術：
太赫茲(THz)光是指頻率在0. ITHz 10THz之間的光波，其波段在微波和紅外之間。太赫茲光可以透過各種生物體、電介質材料以及氣相物質，這些介質在太赫茲波段具有豐富的吸收和色散特性，通過測量并分析樣品的太赫茲信號便可以獲得關于材料中的物質成分和物理、化學以及生物學信息。在太赫茲光學技術中，太赫茲時域光譜技術是較為重要和常用的技術之一 ；常見的太赫茲測量方法主要有兩種光導開光法和電光取樣法；其中太赫茲電光取樣法因具有響應頻譜寬、結構簡單、操作方便和相對廉價的特點而廣為使用。
圖1示出了現(xiàn)有技術提供的太赫茲電光取樣裝置的結構，短脈沖激光器1產(chǎn)生激光脈沖，經(jīng)分束器2后分成兩束，其中一束光依次經(jīng)過高反鏡3、光學斬光器4、聚焦光束的聚焦鏡5和太赫茲發(fā)射晶體6后產(chǎn)生太赫茲光束。另一束作為探測光束經(jīng)過光束延時器8和起偏器9后進入一電光取樣晶體12與經(jīng)過離軸拋物面鏡7、光學元件10以及離軸拋物面鏡11后的太赫茲電磁波重合；然后探測光通過零級四分之一波片13和偏振器14被平衡探測器15接收。該平衡探測器15有兩個光學探頭，在無太赫茲信號入射時，通過調節(jié)零級四分之一波片13使進入兩光學探頭的光功率相等從而平衡探測器15的輸出為零。通過掃描探測光和太赫茲信號光的相對延時，就能夠測量到不同時刻的太赫茲脈沖電場相對分布，從而得到太赫茲脈沖電場的時域波形，進而獲得太赫茲脈沖的頻域光譜。
目前，常見的太赫茲電光取樣裝置有兩種工作形式45°光學偏置和(T光學偏置；圖2示出了45。光學偏置的太赫茲電光取樣裝置的結構，圖3示出了0。光學偏置的太赫茲電光取樣裝置的結構。為了便于說明，僅示出了圖1中的一部分，詳述如下。
45°光學偏置的太赫茲電光取樣裝置主要包括起偏器9、電光取樣晶體12、零級四分之一波片13、檢偏器14、平衡探測器15和用于太赫茲光耦合的光學元件10。這種結構的太赫茲電光取樣裝置工作在45。光學偏置，因而它具有寬的線性動態(tài)范圍。由于進入平衡探測器15的兩束光束經(jīng)歷非常地相似，理論上具有較好的消背底噪聲能力，但是這種結構由太赫茲電場引起的光學調制度較低，這意味著要得到一定幅度的太赫茲信號就需要較強的探測光，于是就會導致系統(tǒng)的較大的熱噪聲從而降低信噪比。 近0°光學偏置方式的太赫茲電光取樣裝置主要包括分束器2、起偏器9、高反鏡3、用于太赫茲光耦合的光學元件10、電光取樣晶體12、相位補償器16、檢偏器14、可變衰減器17、平衡探測器15 ;部分探測光信號經(jīng)起偏器9后直接入射到一塊電光取樣晶體12與太赫茲光脈沖信號重合；然后探測光再透過一只相位補償器16后入射到檢偏器14上，檢偏器14的透過光被平衡探測器15的一個探頭接收；探測光的另一部分則直接經(jīng)可變衰減器17后被平衡探測器15的另一個探頭接收。在無太赫茲電場的強度信號輸入的情況下，調節(jié)可變衰減器17使進入平衡探測器15的兩個探頭的光功率相等，從而平衡探測器15的輸出為零。在有太赫茲光入射平衡探測器15中，太赫茲光對探測光進行相位調制使得從檢偏器14透光的光功率發(fā)生改變，從而改變平衡探測器15的輸出信號。這種設計的消除背景噪聲能力較差。另外，近0。光學偏置結構的線性動態(tài)范圍較窄，綜合性能比45。光學偏置結構差，比較少為人所采用。
發(fā)明內容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種消背景噪聲能力強、調制度大以及線性動態(tài)范圍寬的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置。 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置，包括起偏器和電光取樣晶體，所述電光取樣裝置還包括分束器、第一相位補償器、第二相位補償器、第一檢偏器、第二檢偏器以及平衡探測器；探測光經(jīng)過所述起偏器后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在所述電光取樣晶體內部重合；所述分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路；一路依次經(jīng)過所述第一相位補償器以及所述第一檢偏器被所述平衡探測器的第一接收器接收；另一路依次經(jīng)過所述第二相位補償器以及所述第二檢偏器被所述平衡探測器的第二接收器接收；所述平衡探測器的輸出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差、且正比于所述太赫茲光脈沖的光場振幅。 其中，所述第一檢偏器與所述第二檢偏器分別與所述起偏器呈近正交設置。
其中，通過所述第一相位補償器以及第一檢偏器后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與通過所述第二相位補償器以及第二檢偏器后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)。
其中，所述分束器為偏振無關寬帶分束器，所述偏振無關寬帶分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光等分成兩路。 本發(fā)明實施例的目的還在于提供一種采用上述電光取樣裝置測量太赫茲光脈沖的方法，所述方法包括下述步驟 探測光經(jīng)過所述起偏器后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在所述電光取樣晶體內部重合； 分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路；一路依次經(jīng)過所述第一相位補償器以及所述第一檢偏器被所述平衡探測器的第一接收器接收；另一路依次經(jīng)過所述第二相位補償器以及所述第二檢偏器被所述平衡探測器的第二接收器接收； 通過調節(jié)第一相位補償器使通過其探測光工作在最佳光學調制度點處；并通過調節(jié)所述第二相位補償器使得經(jīng)過所述第一檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與經(jīng)過所述第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)； 平衡探測器的輸出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太
赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差、且正比于所述太赫茲光脈沖的光場振幅。 其中，所述方法進一步包括步驟通過掃描探測光與所述太赫茲光脈沖的相對延
時獲得太赫茲光脈沖的光場時域特性，進而得到相應的頻域特性。 其中，所述第一檢偏器與所述第二檢偏器分別與所述起偏器呈近正交設置。 在本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置中，被太赫茲光脈沖調制后的探測光被分束器分成兩路；一路依次經(jīng)過第一相位補償器以及第一檢偏器被平衡探測器的第一接收器接收；另一路依次經(jīng)過第二相位補償器以及第二檢偏器被平衡探測器的第二接收器接收；這樣導入平衡探測器的兩束光脈沖的噪聲特性非常相似，從而有利于消除背景噪聲；同時通過調節(jié)第一相位補償器使一路光工作在最佳光學調制度處，調節(jié)第二相位補償器使得經(jīng)過第一檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與經(jīng)過第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)，從而使得電光取樣裝置的線性工作范圍不受靜態(tài)雙折射的影響，電光取樣裝置工作的信噪比也得到最佳化。
圖1是現(xiàn)有技術提供的太赫茲電光取樣裝置的結構示意 圖2是現(xiàn)有技術提供的45°光學偏置的太赫茲電光取樣裝置的結構示意 圖3是現(xiàn)有技術提供的近0°光學偏置的太赫茲電光取樣裝置的結構示意 圖4是本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置的結構示意圖； 圖5是采用本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置測量太赫茲光脈沖的方法流程 圖6是本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置應用在寬帶太赫茲材料檢測技術中的結構示意圖； 圖7是本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置應用在寬帶太赫茲掃描成像技術中的結構示意圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。 在本發(fā)明實施例中，被太赫茲光脈沖調制后的探測光由分束器進行分束后分別經(jīng)
過相位補償器以及檢偏器后被平衡探測器吸收，由于入射到平衡探測器的兩束光的噪聲特
性相似，從而有利于消除背景噪聲；通過調節(jié)第一相位補償器使第一路光工作在最佳光學
調制度處，調節(jié)所述第二相位補償器使得經(jīng)過所述第一檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位
值與經(jīng)過所述第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)，從而使得電光取樣裝
置的線性工作范圍不受靜態(tài)雙折射的影響，電光取樣裝置工作的信噪比也得到最佳化。 本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置可應用于材料光學
特性測量、成像和大氣污染檢測等領域。圖4示出了用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝
置的結構，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關的部分，詳述如下。 用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置包括起偏器21、電光取樣晶體23、分束器
24、第一相位補償器25、第二相位補償器28、第一檢偏器26、第二檢偏器29以及平衡探測
器30 ;探測光經(jīng)過起偏器21后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在電光取樣晶體23內部
重合；分束器24將透過電光取樣晶體23的被太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路；一
路依次經(jīng)過第一相位補償器25以及第一檢偏器26被平衡探測器30的第一接收器301接
收；另一路依次經(jīng)過第二相位補償器28以及第二檢偏器29被平衡探測器30的第二接收器302接收；平衡探測器30輸出的信號正比于第一接收器301以及第二接收器302接收的被
太赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差的且正比于太赫茲光脈沖的光場振幅。 作為本發(fā)明的一個實施例，第一檢偏器26與第二檢偏器29分別與起偏器21呈近
正交設置。在本發(fā)明實施例中，可以通過第一相位補償器25使第一路光工作在最佳光學調
制度處，通過調節(jié)第二相位補償器28使經(jīng)第一檢偏器26后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值
與通過第二相位補償器28以及第二檢偏器29后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)。 在本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置中，第一相位補償器25和第二相位補償器28應選用盡量相同的技術指標；第一檢偏器26與第二檢偏器29也應具有盡量相同的技術指標；這樣使得進入平衡探測器30接收端的兩光束脈沖的經(jīng)歷盡量一致，從而減少測量噪聲。 作為本發(fā)明的一個實施例，分束器24為偏振無關寬帶分束器，其中偏振無關寬帶
分束器將透過電光取樣晶體23的被太赫茲光脈沖調制后的探測光等分成兩路。 在本發(fā)明實施例中，用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置還包括第一光學元
件22，置于起偏器21與電光取樣晶體23之間，將線性偏振光與太赫茲光脈沖耦合后反射輸
出給電光取樣晶體23。 作為本發(fā)明的一個實施例，電光取樣裝置還包括第二光學元件27，置于分束器24與第二相位補償器28之間，將分束器24輸出的另一路反射輸出給第二相位補償器28。
作為本發(fā)明的一個實施例，第一光學元件22以及第二光學元件27可以為高反鏡。
在本發(fā)明實施例中，導入的太赫茲光脈沖信號和經(jīng)起偏器21后的探測光在太赫茲電光取樣晶體23內重合，然后探測光被偏振無關寬帶分束器24分成兩束，每束光各自經(jīng)過一只相位補償器25、28和一只線性偏振器26、29后被平衡探測器30的接收探頭接收。工作時，先在沒有太赫茲光脈沖信號只有探測光信號入射的情況下，調節(jié)兩只相位補償器25、28使得平衡探測器30的輸出信號為零；當耦合進太赫茲光脈沖后，平衡探測器30輸出的信號的振幅正比于太赫茲光脈沖的電場振幅。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的用于探測太赫茲光脈沖的電光取樣裝置具有以下三個優(yōu)點(l)消背景噪聲的能力明顯增強；這主要是因為本發(fā)明提供的電光取樣裝置的探測光透過取樣晶體23后才進行分束，而且該兩束光分別經(jīng)過一相位補償器(25或28)和一檢偏器(26或29)，使得入射平衡探測器30的兩束光脈沖所經(jīng)光路非常相似，因而入射到平衡探測器30的兩束光的噪聲特性也非常相似，從而利于噪聲消除。(2)本發(fā)明提供的電光取樣裝置可以通過調節(jié)兩只相位補償器25、28來實現(xiàn)工作在最佳調制度點處，使得實際工作調制度比現(xiàn)有結構得到顯著提高。(3)本發(fā)明提供的電光取樣裝置的線性工作范圍不受靜態(tài)雙折射的影響，線性工作范圍大大優(yōu)于現(xiàn)有的近0°光學偏置設計，可與現(xiàn)有的45。光學偏置的電光取裝置儀相比擬。
為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置；現(xiàn)結合圖4從理論上詳述本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置與現(xiàn)有技術相比存在的優(yōu)勢。 假設探測光信號的場強為E。 = [Ex。，Ey。]，那么相應的光強為I。 = |Ex。|2+|Ey。|2 =Ix。+Iy。。為了便于說明，定義依次經(jīng)過第一相位補償器25以及第一檢偏器26被平衡探測器30的第一接收器301接收的一路光為光束1，依次經(jīng)過第二相位補償器28以及第二檢偏器29被平衡探測器30的第二接收器302接收的另一路光為光束2。
利用矩陣光學的瓊斯矩陣可知，光束1的光強為
,-cos J +
(尸乂0+尸乂0
-sm
2 2 2 2 ( 1 ) 其中，Px和Py為第一檢偏器26的最大和最小透過率。 而雙折射相位S1= S^ST+S^在本發(fā)明實施例提供的太赫茲電光取樣裝置 中，雙折射相位由三部分組成太赫茲光脈沖信號產(chǎn)生的部分Sp由電光晶體23的靜態(tài)雙 折射效應產(chǎn)生的部分、和由相位補償器25、28引入的部分SC1。
同理，光束2的光強為
度均為
"丄
-cos
& .(尸乂o +尸乂o)
-+ -
2
■sm
了
如果選擇sc a (3)
z 2 2
這里S 2 = S s+ S T+ S
ss+scl = -(ss+sC2)
顯然，當ST = 0時， S丄=S 2 = a ， — I工
即達到兩臂光強平衡。
如果S T # O，則平衡探測器30輸出的探測光為
(2)
s C2使下列條件成立i。
(4)
、0 T " o J 一 ,0
sin + 5C1 )sin <57
(5)
按照調制度的定義
< 7. =0
(6)
可得本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置的兩束光調制
r =
(《
'xO卞^
尸"o) sin (a + ~/2) sin (~/2)
〖 +尸2/
'義oJ y 0
尸 0) cos (a + 5r /2) cos /2)
(7) 為了便于比較，現(xiàn)給出現(xiàn)有技術圖3所示的零度光學偏置的電光取樣裝置中的結
果；其平衡探測器15輸出的探測光為
A/ = A - /2 = 77 (《人。+尸乂o —) sin+ & + 4/2) sin & ( g ) 經(jīng)過電光晶體的那束光的調制度可用(7)式表示，此時a = 3^3"而只經(jīng)過可 變衰減器就直接被平衡探測器15接收的那束光的調制度為零。(8)式中n為圖3中分束 器2的透過率，所以0< n < 1。下式為圖(2)所示的45°光學偏置電光取樣裝置的平衡 探測器15輸出信號 AI = I「I2 =-(PxIx。-PyIy。)sin(a + ST/2)sin(ST/2) (9)
這里a /2 = Ji /4。相應地進入平衡探測器15的兩束光的調制度為
<formula>formula see original document page 8</formula>
(10) 計算表明當^為10—3量級時，(7)式的V值要比(10)式大一個量級。
為保證測量系統(tǒng)足夠的線性度，圖3所示的電光取樣裝置必須符合條件
Ss+ScST/2 (11a)
以及 sin S T/2 " S T/2 (lib) 而在本發(fā)明實施例中和45。光學偏置電光取樣裝置一樣，只需滿足
sin S t " S t (12)
即可。 在同樣的太赫茲光脈沖的條件下，利用同樣的偏振器、電光取樣晶體和相位補償 器，(llb)式和(12)式似乎說明圖3所示的電光取樣裝置的線性范圍比本發(fā)明實施例提供 的電光取樣裝置的線性范圍大，但實際上，在超短脈沖激光泵浦產(chǎn)生的太赫茲波裝置中，由 于太赫茲發(fā)射效率比較低，所以(lib)式和(12)式都不構成破壞線性度的首要威脅。相反， 在近0°光學偏置結構中，由于S^Sd本身就接近于零，所以(lla)式主要限制了裝置線 性范圍，即本發(fā)明提供的電光取樣裝置與現(xiàn)有技術圖3所示的電光取樣裝置相比具有較寬 的線性范圍。 另外，(12)式說明本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置中線性度要求與、和SC1、 S^無關，允許通過調節(jié)Sa和3。2來調節(jié)a ，使得太赫茲電光取樣裝置工作在最大調制度 點處。而現(xiàn)有技術圖3所示的電光取樣裝置往往為保證測量系統(tǒng)足夠的線性度而使靜態(tài)雙 折射相位顯著大于最大調制度點處。 從(7)式和(9)式可知在同等條件下，本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置的調制 度大于圖3所示的電光取樣裝置的調制度。同時，由于本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置 可工作在最大調制度點處，因此在實際工作中，本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置的調制 度與圖3所示的電光取樣裝置的調制度相比要高出約5倍。 下面從理論上進一步分析本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置在消除背景噪聲方 面的性能。 假設在時間t。處調整電光取樣裝置使得平衡探測器30輸出信號為零，即有(S T =0時) <formula>formula see original document page 8</formula> <formula>formula see original document page 8</formula> 而對于圖3所示的現(xiàn)有技術提供的電光取樣裝置，在時間t。處調整太赫茲電光取 樣裝置使得平衡探測器15輸出信號為零，其表達式為 <formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 9</formula> ( 14 ) 式中Y表示圖3中可變衰減器17的衰減系數(shù)。在(13)式中，在時間t。處調節(jié) 太赫茲電光取樣裝置使得平衡探測器15輸出信號為零。當離開t。時間點，由于探測光的 強度或偏振波動或者由于入射光方向飄移引起的Px和Py變化等因素都不能改變探測1輸 出信號為零的狀態(tài)。另外由于入射光方向飄移和晶體的不均勻性引起的靜態(tài)雙折射相位改 變的影響也能部分消除。(14)式中只能消除純振幅漲落的影響，其它的漲落都會改變平衡 狀態(tài)。另外由于本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置中光束1和光束2光路的相似度比圖3 所示的現(xiàn)有技術提供的電光取樣裝置中的兩束光要高得多，所以本發(fā)明實施例提供的太赫 茲電光取樣裝置消除背景噪聲的能力強很多。 本發(fā)明實施例提供的用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置可以應用于材料科 學、醫(yī)學、環(huán)境檢測、大氣傳感等領域。圖5示出了采用本發(fā)明實施例提供的采用電光取樣 裝置測量太赫茲光脈沖的方法流程，現(xiàn)結合圖4、圖5詳述如下 在步驟S51中，探測光經(jīng)過所述起偏器21后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在 電光取樣晶體23內部重合； 在步驟S52中，分束器24將透過電光取樣晶體23的被太赫茲光脈沖調制后的探 測光分成兩路；一路依次經(jīng)過第一相位補償器25以及第一檢偏器26被平衡探測器30的第 一接收器301接收；另一路依次經(jīng)過第二相位補償器28以及第二檢偏器29被平衡探測器 30的第二接收器302接收 在步驟S53中，通過調節(jié)第一相位補償器25使通過其探測光工作在最佳光學調制 度點處；并通過調節(jié)第二相位補償器28使得經(jīng)過第一檢偏器26的探測光的靜態(tài)雙折射相 位值與經(jīng)過第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù) 在步驟S54中，平衡探測器30的輸出正比于第一接收器301以及第二接收器302 接收的被太赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差、且正比于太赫茲光脈沖的光場振幅。
作為本發(fā)明的一個實施例，采用電光取樣裝置測量太赫茲光脈沖的方法進一步包 括步驟S55，通過掃描探測光與太赫茲光脈沖的相對延時獲得太赫茲光脈沖的光場時域特 性，進而得到相應的頻域特性。 在本發(fā)明實施例中，當沒有太赫茲光脈沖入射時，探測光經(jīng)過起偏器21后形成線 性偏振光并透過電光取樣晶體23 ;分束器24將透過電光取樣晶體23的線性偏振光分成兩 路， 一路依次經(jīng)過第一相位補償器25以及第一檢偏器26被探測器30的第一接收器301接 收；另一路依次經(jīng)過第二相位補償器28以及第二檢偏器29被探測器30的第二接收器302 接收；通過調節(jié)第一相位補償器25以及第二相位補償器28使得探測器30的第一接收器 301接收的光信號的功率與第二接收器302接收的光信號的功率相等，探測器30的輸出為 零。當有太赫茲光脈沖入射時，太赫茲光脈沖與線性偏振光耦合后透過電光取樣晶體23 ; 分束器24將透過電光取樣晶體23的被太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路， 一路依次 經(jīng)過第一相位補償器25以及第一檢偏器26被探測器30的第一接收器301接收；另一路依 次經(jīng)過第二相位補償器28以及第二檢偏器29被探測器30的第二接收器302接收；探測器 30的輸出信號正比于第一接收器301接收的光功率和第二接收器302接收的光功率之差， 也與太赫茲脈沖光場振幅成正比。
圖6示出了本發(fā)明實施例提供的太赫茲電光取樣裝置應用在寬帶太赫茲材料檢 測技術中的結構示意圖；詳述如下。 超短脈沖激光器1 (如鈦寶石短脈沖激光器)輸出的飛秒脈沖群被分束器2分為 兩束其中強的一束作為泵浦光經(jīng)高反鏡3、光學斬光器4后經(jīng)聚焦鏡5聚焦到太赫茲發(fā)射 晶體6 (如〈110〉切割的ZnTe晶體)上；該太赫茲發(fā)射晶體6發(fā)出的太赫茲脈沖被一 90° 離軸拋物面鏡7準直后被另一 90°離軸拋物面鏡11聚焦到一塊太赫茲電光取樣晶體23 上；較弱的一束則經(jīng)過可調的光束延時器8和起偏器21后也入射到電光取樣晶體23(如 〈110〉切割的ZnTe晶體)與太赫茲光波重合；透過電光取樣晶體23的探測光被一寬帶偏 振無關的分束器24分成強度相等的兩束光其中一束光分別經(jīng)過第一相位補償器25、第一 檢偏器26被平衡探測器30的第一接收器301接收，另一束光分別經(jīng)過第二相位補償器28、 第二檢偏器29被平衡探測器30的第二接收器302接收。其中，第一檢偏器26和第二檢偏 器29均與起偏器21呈正交設置(實現(xiàn)近0。光學偏置)。平衡探測器30輸出的電信號經(jīng) 一只鎖相放大器后輸送到PC機處理，通過掃描時間延遲線實現(xiàn)探測光對太赫茲電場不同 時間點的取樣從而得到太赫茲的電場信號；待測樣品200置于兩塊90。離軸拋物面鏡7、11 之間；通過測量比較有和沒有待測樣品200插入兩塊90°離軸拋物面鏡7、11之間時的太 赫茲信號，就可測出待測樣品200的厚度以及在太赫茲區(qū)的折射率以及吸收特性等。
圖7是本發(fā)明實施例提供的太赫茲電光取樣裝置應用在寬帶太赫茲掃描成像技 術中的結構示意圖；詳述如下。 寬帶太赫茲激光經(jīng)四塊90。離軸拋物面鏡7、18、19、11后聚焦在另一電光晶體23 上；探測光經(jīng)一可調的光束延時器8與寬帶太赫茲光一起會聚在電光取樣晶體23上，通過 掃描時間延遲線8實現(xiàn)探測光對太赫茲電場不同時間點的取樣達到電光取樣的目的。在太 赫茲光在第二90。離軸拋物面鏡18和第三塊90。離軸拋物面鏡19有一聚焦點，將待測樣 品200置于該焦點處，橫向二維移動樣品可實現(xiàn)太赫茲光掃描成像。 在本發(fā)明實施例提供的電光取樣裝置中，被太赫茲光脈沖調制后的探測光被分束 器分成兩路；一路依次經(jīng)過第一相位補償器以及第一檢偏器被平衡探測器的第一接收器接 收；另一路依次經(jīng)過第二相位補償器以及第二檢偏器被平衡探測器的第二接收器接收；這 樣導入平衡探測器的兩束光脈沖的噪聲特性非常相似，從而有利于消除背景噪聲；同時通 過調節(jié)第一相位補償器使一路光工作在最佳光學調制度處，調節(jié)第二相位補償器使得經(jīng)過 第一檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與經(jīng)過第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位 值互為相反數(shù)，從而使得電光取樣裝置的線性工作范圍不受靜態(tài)雙折射的影響，電光取樣 裝置工作的信噪比也得到最佳化。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置，包括起偏器和電光取樣晶體，其特征在于，所述電光取樣裝置還包括分束器、第一相位補償器、第二相位補償器、第一檢偏器、第二檢偏器以及平衡探測器；探測光經(jīng)過所述起偏器后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在所述電光取樣晶體內部重合；所述分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路；一路依次經(jīng)過所述第一相位補償器以及所述第一檢偏器被所述平衡探測器的第一接收器接收；另一路依次經(jīng)過所述第二相位補償器以及所述第二檢偏器被所述平衡探測器的第二接收器接收；所述平衡探測器的輸出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差、且正比于所述太赫茲光脈沖的光場振幅。
2. 如權利要求1所述的電光取樣裝置，其特征在于，所述第一檢偏器與所述第二檢偏器分別與所述起偏器呈近正交設置。
3. 如權利要求1所述的電光取樣裝置，其特征在于，通過所述第一相位補償器以及第一檢偏器后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與通過所述第二相位補償器以及第二檢偏器后的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)。
4. 如權利要求1所述的電光取樣裝置，其特征在于，所述分束器為偏振無關寬帶分束器，所述偏振無關寬帶分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光等分成兩路。
5. —種采用權利要求1所述的電光取樣裝置測量太赫茲光脈沖的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟探測光經(jīng)過所述起偏器后變成線性偏振光并與太赫茲光脈沖在所述電光取樣晶體內部重合；分束器將透過所述電光取樣晶體的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光分成兩路；一路依次經(jīng)過所述第一相位補償器以及所述第一檢偏器被所述平衡探測器的第一接收器接收；另一路依次經(jīng)過所述第二相位補償器以及所述第二檢偏器被所述平衡探測器的第二接收器接收；通過調節(jié)第一相位補償器使通過其探測光工作在最佳光學調制度點處；并通過調節(jié)所述第二相位補償器使得經(jīng)過所述第一檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值與經(jīng)過所述第二檢偏器的探測光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)；平衡探測器的輸出正比于所述第一接收器以及所述第二接收器接收的被所述太赫茲光脈沖調制后的探測光的功率差、且正比于所述太赫茲光脈沖的光場振幅。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括步驟通過掃描探測光與所述太赫茲光脈沖的相對延時獲得太赫茲光脈沖的光場時域特性，進而得到相應的頻域特性。
7. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一檢偏器與所述第二檢偏器分別與所述起偏器呈近正交設置。
全文摘要
本發(fā)明適用于太赫茲光學領域，提供了一種用于測量太赫茲光脈沖的電光取樣裝置及測量方法；該裝置包括起偏器、電光取樣晶體、分束器、第一相位補償器、第二相位補償器、第一檢偏器、第二檢偏器和平衡探測器。在本發(fā)明提供的裝置中，被太赫茲光脈沖調制后的探測光被分成兩路；一路經(jīng)第一相位補償器、第一檢偏器被第一接收器接收；另一路經(jīng)第二相位補償器、第二檢偏器被第二接收器接收；這樣導入平衡探測器的兩束光脈沖的噪聲特性相似，有利于消除背景噪聲；調節(jié)第一相位補償器使一路光工作在最佳光學調制度處，調節(jié)第二相位補償器使得兩路光的靜態(tài)雙折射相位值互為相反數(shù)，使得線性工作范圍不受靜態(tài)雙折射相位的影響，信噪比也得到最佳化。
文檔編號G01N21/17GK101701852SQ20091019034
公開日2010年5月5日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者徐世祥, 李景鎮(zhèn), 高艷霞 申請人:深圳大學