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脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置及方法

文檔序號(hào):6010889閱讀:126來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)
太赫茲(THz,lTHz = IO12Hz)頻段是介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的一段電磁波區(qū)域,其頻率范圍為lOOGHz-lOTHz。隨著光子學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的不斷革新,THz波在信息通信技術(shù)、國(guó)家安全、生物醫(yī)學(xué)、無(wú)損檢測(cè)、食品和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制、全球性環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面取得了較快發(fā)展,并被認(rèn)為在上述領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái),THz領(lǐng)域發(fā)展迅速,作為THz頻段重要輻射源的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器 (Terahertz Quantum Cascade Laser,THz QCL)得到了廣泛而深入的研究,并取得了重要的進(jìn)展。THz QCL具有能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、體積小、易集成以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 到目前為止,脈沖工作模式下THz QCL的最高工作溫度為186K,在最優(yōu)的工作條件下器件的最高輸出功率可達(dá)M8mW;通過(guò)器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),目前脈沖工作模式下THz QCL的
工作溫度已經(jīng)達(dá)到1.9h(D/kB (其中ω為激光器的激射頻率),并有望進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)使器
件實(shí)現(xiàn)室溫激射;在激射頻率方面,目前THz QCL的最低工作頻率為1. 2ΤΗζ,在磁場(chǎng)輔助下可達(dá)0.68ΤΗΖ。隨著上述器件工作性能的快速發(fā)展,上述器件的應(yīng)用也倍受關(guān)注。目前THz QCLs已經(jīng)成功應(yīng)用于外差接收的局域振蕩源、THz無(wú)線通信、THz實(shí)時(shí)成像等THz應(yīng)用技術(shù)中。而脈沖工作模式下的THz QCL,由于其所需制冷量小,單個(gè)脈沖的峰值功率比連續(xù)工作模式器件的輸出功率值大很多,使其在THz探測(cè)與成像應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。輸出功率是器件應(yīng)用的重要性能指標(biāo),器件輸出功率的大小直接決定了其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。因此,如何精確地測(cè)量出器件的有效輸出功率是器件應(yīng)用過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出激光的重復(fù)頻率通常為2kHz (對(duì)應(yīng)為0. 5ms)左右,而普通熱探測(cè)器(如Golay Cell)的時(shí)間常數(shù)通常為20ms左右,因此采用普通的熱探測(cè)器來(lái)測(cè)量脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出激光的功率很難實(shí)現(xiàn)。目前,國(guó)際上對(duì)脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量主要采用液氦杜瓦冷卻的bolometer探測(cè)器,通過(guò)對(duì)單個(gè)THz脈沖照射在探測(cè)器敏感面上產(chǎn)生的熱響應(yīng)波形進(jìn)行積分,估算出單個(gè)THz脈沖的能量,進(jìn)而得到單個(gè)THz脈沖的峰值功率。太赫茲量子阱探測(cè)器(terahertz quantum-well photodetector, THz QffP)是一種與THz QCL工作頻率范圍非常匹配的半導(dǎo)體探測(cè)器,器件對(duì)可探測(cè)范圍內(nèi)的THz光的響應(yīng)速率可達(dá)GHz量級(jí)(ns量級(jí)),因此采用THz QWP測(cè)量脈沖激射型THz QCL的輸出功率時(shí)不需要上述積分過(guò)程,可直接根據(jù)THz QWP對(duì)脈沖THz光的響應(yīng)信號(hào)幅度及其在THz QCL激射頻率處的響應(yīng)率,得到THz QCL輸出的脈沖 THz光的峰值功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量方法,該測(cè)量方法可以非常直觀地得到激光器激射脈沖的峰值功率,避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法中通過(guò)積分計(jì)算來(lái)估算激射脈沖峰值功率的步驟;此外,本發(fā)明還提供一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案?!N脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,包括光源部分、光路部分和探測(cè)部分;所述光源部分包括第一冷頭、安裝于所述第一冷頭內(nèi)的第一熱沉、安裝于第一熱沉上的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器、與所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器連接的脈沖電源、安裝于第一冷頭上的第一聚乙烯窗片;其中,所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射出的太赫茲光通過(guò)第一聚乙烯窗片射出;所述光路部分包括第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡;所述第一離軸拋物鏡收集經(jīng)所述第一聚乙烯窗片射出的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡;所述第二離軸拋物鏡接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至所述探測(cè)部分;所述探測(cè)部分包括第二冷頭、安裝于第二冷頭上的第二聚乙烯窗片、安裝于第二冷頭內(nèi)的第二熱沉、安裝于第二熱沉上的太赫茲量子阱探測(cè)器、與所述太赫茲量子阱探測(cè)器連接的信號(hào)處理電路以及與所述信號(hào)處理電路連接的示波器;其中,所述第二聚乙烯窗片使所述第二離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的太赫茲光進(jìn)入所述第二冷頭內(nèi),并到達(dá)所述太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上;所述太赫茲量子阱探測(cè)器用以接收所述第二離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的太赫茲光,并產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào);所述信號(hào)處理電路將所述電流信號(hào)提取為電壓信號(hào), 并進(jìn)行放大;所述示波器用以對(duì)所述信號(hào)處理電路放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示,得到所述電壓信號(hào)的幅度。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子阱探測(cè)器為光電導(dǎo)型低維半導(dǎo)體探測(cè)器,其有源區(qū)為通過(guò)在半絕緣GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和AWaAs層的方式形成。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子阱探測(cè)器的有源區(qū)包括23個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的GaAs層和Alacil5Giia 985As層各一層。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子阱探測(cè)器的峰值探測(cè)頻率為
3.2THz,主要探測(cè)頻率范圍為3. 0-5. 3THz,其中主要探測(cè)頻率范圍是指其響應(yīng)幅度>峰值響應(yīng)幅度40%的頻率范圍。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的激射頻率范圍為
4.02-4. 13THz。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)是通過(guò)在半絕緣GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和AWaAs層的方式形成的。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)為四阱共振聲子結(jié)構(gòu),其包括178個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的GaAs層和Ala UG^85As 層各四層。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均采用高強(qiáng)度聚乙烯材料。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均通過(guò)將灌制的高強(qiáng)度聚乙烯圓柱形材料進(jìn)行切割、研磨和拋光而成。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡的反射面均為鍍金離軸拋物面。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述脈沖電源為可編程脈沖式電源,包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式,所述脈沖電源的可輸出電流范圍為0-5A,脈寬調(diào)節(jié)范圍為 50nS-5l·! s,輸出脈沖重復(fù)頻率范圍為Ι-lOkHz,脈沖的最大占空比為1%。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述信號(hào)處理電路包括電壓放大器一個(gè),供電電池一節(jié),分壓電阻一個(gè),電路連接線若干,其中,供電電池、分壓電阻與太赫茲量子阱探測(cè)器串聯(lián)為閉合回路,并采用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案,所述示波器為數(shù)字示波器,包括4個(gè)可測(cè)量通道; 所述示波器的測(cè)量帶寬為500MHz,采樣速率為4Gsa/s,存儲(chǔ)深度為8Mpts。一種基于上述功率測(cè)量裝置的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量方法,包括以下步驟步驟一,采用脈沖電源給太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器施加一個(gè)周期性的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓,使其輻射出周期性的脈沖太赫茲光,所述周期性的脈沖太赫茲光經(jīng)過(guò)第一聚乙烯窗片后到達(dá)第一離軸拋物鏡上;步驟二,所述第一離軸拋物鏡接收經(jīng)所述第一聚乙烯窗片射出的周期性脈沖太赫茲光,并使該周期性脈沖太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡;所述第二離軸拋物鏡接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的周期性脈沖太赫茲光,并使該周期性脈沖太赫茲光反射至所述探測(cè)部分,經(jīng)所述第二離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的周期性脈沖太赫茲光透過(guò)所述探測(cè)部分的第二聚乙烯窗片后到達(dá)所述第二熱沉上的太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上;步驟三,所述探測(cè)部分的太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)入射的周期性脈沖太赫茲光響應(yīng)后產(chǎn)生相應(yīng)的周期性脈沖電流信號(hào),采用所述信號(hào)處理電路將所述電流信號(hào)提取為電壓信號(hào),并將所述電壓信號(hào)放大后輸入所述示波器中,所述示波器對(duì)所述電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示,得到所述電壓信號(hào)的幅度,該電壓信號(hào)幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)太赫茲光響應(yīng)的強(qiáng)弱;步驟四,根據(jù)所述示波器中顯示的電壓信號(hào)幅度和太赫茲量子阱探測(cè)器在太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率處的響應(yīng)率,計(jì)算得到到達(dá)太赫茲量子阱探測(cè)器敏感面的太赫茲光功率,再根據(jù)整個(gè)測(cè)量裝置的收集效率計(jì)算出太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器從所述第一聚乙烯窗片處輻射出的太赫茲光功率,進(jìn)而完成對(duì)脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量。本發(fā)明的有益效果在于(1)本發(fā)明采用了工作頻率范圍與太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率范圍相匹配的太赫茲量子阱探測(cè)器作為接收端,對(duì)脈沖太赫茲光的探測(cè)效果非常良好;(2)太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)太赫茲光具有快速的響應(yīng)能力,可以很好地將脈沖太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖電信號(hào),再通過(guò)信號(hào)處理電路和示波器可以很好地得到脈沖電信號(hào)的幅度,進(jìn)而可以很直觀地得到激光器激射脈沖的峰值功率,避免了傳統(tǒng)方法中采用的積分估算過(guò)程;(3)本發(fā)明所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置在太赫茲頻段有很好的反射(或透射)特性,可以使測(cè)量裝置達(dá)到盡可能大的太赫茲光收集效率。


圖1為本發(fā)明所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器功率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為厚度分別為1. 8mm和5. Omm的聚乙烯窗片在2. 0-6. OTHz光頻段的透射譜
測(cè)量結(jié)果;圖3為大氣在3. 0-5. OTHz光頻段的透射譜測(cè)量與推算結(jié)果;圖4為太赫茲量子阱探測(cè)器的光響應(yīng)譜與太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激光發(fā)射譜的對(duì)比圖;圖5為采用示波器讀取的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器外加脈沖偏壓信號(hào)波形和太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)脈沖太赫茲光響應(yīng)信號(hào)波形的對(duì)比圖,其中插圖為方框范圍內(nèi)的局部放大圖。主要組件符號(hào)說(shuō)明A、光源部分;C、探測(cè)部分;2、第一冷頭;4、第一聚乙烯窗片;6、第二離軸拋物鏡;8、第二聚乙烯窗片;10、信號(hào)處理電路;
B、光路部分;
I、脈沖電源 3、第一熱沉;
5、第一離軸拋物鏡; 7、第二冷頭; 9、第二熱沉
II、示波器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明公開了一種測(cè)量脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出激光功率的裝置及其功率測(cè)量方法,其包括光源部分(脈沖電源、第一冷頭、安裝于第一冷頭內(nèi)的第一熱沉、安裝于第一熱沉上的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器、安裝于第一冷頭上的第一聚乙烯窗片)、 光路部分(兩個(gè)離軸拋物鏡和大氣)和探測(cè)部分(第二冷頭、安裝于第二冷頭上的第二聚乙烯窗片、安裝于第二冷頭內(nèi)的第二熱沉、安裝于第二熱沉上的太赫茲量子阱探測(cè)器、信號(hào)處理電路和示波器)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用了具有快速響應(yīng)能力、工作頻率范圍與太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率范圍相匹配的太赫茲量子阱探測(cè)器作為接收端,可以很好地將脈沖太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖電信號(hào),再通過(guò)信號(hào)處理電路和示波器很好地得到脈沖電信號(hào)的幅度,進(jìn)而可以很直觀地得到太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射脈沖的峰值功率,避免了傳統(tǒng)方法中采用的積分估算過(guò)程。實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,如圖1所
該裝置包括光源部分A、光路部分B和探測(cè)部分C。光源部分A
光源部分A包括脈沖電源1、第一冷頭2、安裝于所述第一冷頭2內(nèi)的第一熱沉3、 安裝于第一熱沉3上的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器,以及第一聚乙烯窗片4 ;所述第一聚乙烯窗片4安裝于所述第一冷頭2上使所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射出的太赫茲光通過(guò)第一聚乙烯窗片4射出。其中,所述脈沖電源1為可編程脈沖式電源,包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式, 所述脈沖電源1的可輸出電流范圍為0-5A,脈寬調(diào)節(jié)范圍為50ns-5 μ s,輸出脈沖重復(fù)頻率范圍為Ι-lOkHz,脈沖的最大占空比為1 %。所述的第一熱沉3為銅質(zhì)材料,在低溫技術(shù)領(lǐng)域常作為微型器件的導(dǎo)熱體。所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)為“四阱共振聲子”結(jié)構(gòu), 通過(guò)分子束外延方法在半絕緣的GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和Ala 15Ga0.85As層的方式形成,有源區(qū)總共有178個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的GaAs層和Ala 15Ga0.85As 層各四層,器件尺寸為ImmX 40 μ m (長(zhǎng)X寬),可激射頻率范圍為4. 02-4. 13THz,本實(shí)施例中激光器的激射頻率優(yōu)選為4. 13THz,器件工作時(shí)的溫度為10K。提供低溫環(huán)境的第一冷頭 2為閉循環(huán)機(jī)械制冷系統(tǒng)的一部分,其最低溫度可以達(dá)到9K ;第一聚乙烯窗片4為高強(qiáng)度聚乙烯(HDPE)材料,窗片通過(guò)對(duì)灌制的HDPE圓柱形材料進(jìn)行切割、研磨和拋光而成,窗片直徑為60mm,厚度為5. Omm,其對(duì)4. 13THz電磁波的透過(guò)率為56 %,如圖2所示。光路部分B光路部分B包括第一離軸拋物鏡5和第二離軸拋物鏡6以及太赫茲光所經(jīng)過(guò)的大氣;所述第一離軸拋物鏡5接收經(jīng)所述第一聚乙烯窗片4射出的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡6 ;所述第二離軸拋物鏡6接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡5反射過(guò)來(lái)的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至所述探測(cè)部分C。其中,第一離軸拋物鏡5和第二離軸拋物鏡6的焦距均為101. 6mm,反射面均為鍍金離軸拋物面,其對(duì)4. 13THz電磁波的反射率均為98% ;上述太赫茲光所經(jīng)過(guò)的大氣距離為1000mm,根據(jù)相同相對(duì)濕度(RH47% )下對(duì)1480mm厚度大氣透過(guò)率⑴的測(cè)量結(jié)果,以及透過(guò)率與介質(zhì)厚度(L)的關(guān)系(T - e-aL, α為吸收系數(shù)),計(jì)算得到IOOOmm厚度的大氣對(duì)4. 13THz電磁波的透過(guò)率為63%,如圖3所示。探測(cè)部分C探測(cè)部分C包括第二冷頭7、安裝于第二冷頭7上的第二聚乙烯窗片8、安裝于第二冷頭7內(nèi)的第二熱沉9、安裝于第二熱沉9上的太赫茲量子阱探測(cè)器、信號(hào)處理電路10和示波器11 ;經(jīng)所述第二離軸拋物鏡6反射的太赫茲光透過(guò)所述第二聚乙烯窗片8后會(huì)聚于所述第二熱沉9上的太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上,太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)太赫茲光進(jìn)行快速響應(yīng)后產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào),所述信號(hào)處理電路10將所述電流信號(hào)提取為電壓信號(hào),并將所述電壓信號(hào)放大后輸入所述示波器11,所述示波器11對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示后可得到該電壓信號(hào)的幅度,該電壓信號(hào)幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)太赫茲光響應(yīng)的強(qiáng)弱。其中,所述的第二熱沉9為銅質(zhì)材料,在低溫技術(shù)領(lǐng)域常作為微型器件的導(dǎo)熱體。 所述太赫茲量子阱探測(cè)器為光電導(dǎo)型低維半導(dǎo)體探測(cè)器,其有源區(qū)采用分子束外延方法在半絕緣的GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和Alatll5Giia98SAs層而形成,有源區(qū)總共有23個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的GaAs層和Alacil5Giia98SAs層各一層,器件尺寸為 800 μ mX 800 μ m(長(zhǎng)X寬),器件的峰值探測(cè)頻率為3. 2THz,主要探測(cè)頻率范圍(響應(yīng)幅度>峰值響應(yīng)幅度的40% )為3. 0-5. 3THz,其在4. 13THz處的響應(yīng)幅度為峰值響應(yīng)幅度的67% (見(jiàn)圖4),器件的工作溫度為4.2K,外加偏壓為-48mV。提供低溫環(huán)境的第二冷頭 7為閉循環(huán)機(jī)械制冷系統(tǒng)的一部分,其最低溫度可以達(dá)到3K ;第二聚乙烯窗片8為高強(qiáng)度聚乙烯(HDPE)材料,窗片通過(guò)對(duì)灌制的HDPE圓柱形材料進(jìn)行切割、研磨和拋光而成,窗片直徑為35mm,厚度為1. 8mm,其對(duì)4. 13THz電磁波的透過(guò)率為75% (見(jiàn)圖幻。所述信號(hào)處理電路10包括電壓放大器一個(gè),供電電池一節(jié),分壓電阻一個(gè),電路連接線若干。供電電池、 分壓電阻與太赫茲量子阱探測(cè)器串聯(lián)為閉合回路,并采用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。其中電壓放大器的耦合方式為直流耦合,放大倍數(shù)為2倍,所用供電電池為5號(hào)干電池,分壓電阻的阻值為5ΜΩ。所述示波器11為數(shù)字示波器,其主要參數(shù)為4個(gè)可測(cè)量通道,500MHz測(cè)量帶寬,4(}sa/s采樣速率以及標(biāo)準(zhǔn)的8Mpts存儲(chǔ)深度。本裝置用于脈沖激射型太赫茲頻段激光器輸出功率的測(cè)量,具體為太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量,測(cè)量裝置中采用了對(duì)太赫茲光具有快速響應(yīng)能力的太赫茲量子阱探測(cè)器作為探測(cè)裝置,采用了對(duì)太赫茲光吸收較弱的聚乙烯材料作為窗片,采用了對(duì)太赫茲光反射率較高的鍍金離軸拋物鏡作為太赫茲光的收集和反射裝置。實(shí)施例二本實(shí)施例描述的是實(shí)施例一所述的測(cè)量裝置的測(cè)量方法,包括如下步驟步驟一,采用脈沖電源給安裝于光源部分的第一熱沉上的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器施加幅度為12. 4V、周期為500 μ s (對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為2kHz)、脈沖寬度為5 μ s的電壓脈沖信號(hào)后(見(jiàn)圖5,為使對(duì)比效果明顯,圖中激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被歸一化),所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輻射出周期為500 μ s(對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為2kHz)、脈沖寬度為5μ s的脈沖太赫茲光 (激光頻率為4. 13ΤΗζ),脈沖太赫茲光經(jīng)過(guò)第一聚乙烯窗片后到達(dá)第一離軸拋物鏡上;步驟二,所述第一離軸拋物鏡接收經(jīng)所述第一聚乙烯窗片射出的脈沖太赫茲光, 并將該脈沖太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡;所述第二離軸拋物鏡接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的脈沖太赫茲光,并將該脈沖太赫茲光反射至所述探測(cè)部分;經(jīng)所述第二離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的脈沖太赫茲光透過(guò)所述第二聚乙烯窗片后到達(dá)探測(cè)部分的第二熱沉上的太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上;步驟三,所述探測(cè)部分的太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)所述第二離軸拋物鏡反射過(guò)來(lái)的脈沖太赫茲光進(jìn)行快速響應(yīng)后產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電流信號(hào),采用所述信號(hào)處理電路將所述脈沖電流信號(hào)提取為脈沖電壓信號(hào)(周期為500 μ S、脈沖寬度為5 μ S),并將該脈沖電壓信號(hào)放大后輸入所述示波器中進(jìn)行讀取和顯示,顯示結(jié)果如圖5所示(為使對(duì)比效果明顯,圖中探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)被歸一化),所述示波器對(duì)該脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示后可得到該脈沖電壓信號(hào)的幅度,該脈沖電壓信號(hào)幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)脈沖太赫茲光響應(yīng)的強(qiáng)弱;步驟四,根據(jù)所述示波器中顯示的脈沖電壓信號(hào)幅度和太赫茲量子阱探測(cè)器在太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率處的響應(yīng)率,計(jì)算得到到達(dá)太赫茲量子阱探測(cè)器敏感面上的脈沖太赫茲光的功率,再根據(jù)整個(gè)測(cè)量裝置的收集效率計(jì)算出太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器從所述第一聚乙烯窗片處輻射出的脈沖太赫茲光的功率,進(jìn)而完成對(duì)脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量。其中,太赫茲量子阱探測(cè)器的響應(yīng)率采用標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源來(lái)標(biāo)定,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源照射太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面時(shí),探測(cè)器將產(chǎn)生光生電流,致使其電阻發(fā)生變化, 由于加在探測(cè)器和分壓電阻兩端的電壓固定,此時(shí)分壓電阻兩端的電壓發(fā)生改變,根據(jù)分壓電阻兩端的電壓變化值及其與太赫茲量子阱探測(cè)器的串聯(lián)關(guān)系,可精確計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源照射下探測(cè)器產(chǎn)生的光生電流,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的輸出功率和探測(cè)器的光電流譜,可計(jì)算得到探測(cè)器在其可探測(cè)頻率范圍內(nèi)不同頻率下的響應(yīng)率,進(jìn)而完成對(duì)太赫茲量子阱探測(cè)器響應(yīng)率的標(biāo)定;整個(gè)測(cè)量裝置的收集效率為所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率下的太赫茲光在整個(gè)測(cè)量裝置中傳輸?shù)耐ㄟ^(guò)率,即第一聚乙烯窗片對(duì)該太赫茲光的透過(guò)率、第二聚乙烯窗片對(duì)該太赫茲光的透過(guò)率、第一離軸拋物鏡對(duì)第一聚乙烯窗片處出射太赫茲光的收集效率、第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡對(duì)該太赫茲光的反射效率、以及整個(gè)光路中的大氣對(duì)該太赫茲光的透過(guò)率的乘積。實(shí)施例三本實(shí)施例對(duì)實(shí)施例一所述的測(cè)量裝置的收集效率進(jìn)行了檢測(cè),需要檢測(cè)的內(nèi)容有五個(gè)部分(1)第一冷頭的第一聚乙烯窗片對(duì)4. 13THz光的透過(guò)率;(2)第二冷頭的第二聚乙烯窗片對(duì)4. 13THz光的透過(guò)率;(3)第一離軸拋物鏡對(duì)第一聚乙烯窗片處出射太赫茲光的收集效率;(4)第一離軸拋物鏡和第二離軸拋物鏡對(duì)4. 13THz光的反射效率;(5)整個(gè)光路中的大氣對(duì)4. 13THz光的透過(guò)率。以對(duì)4. 13THz光的收集效率為例獲得的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如下(1)安裝于第一冷頭上的第一聚乙烯窗片的透過(guò)率為56% ;(2)安裝于第二冷頭上的第二聚乙烯窗片的透過(guò)率為75% ;(3)第一離軸拋物鏡對(duì)4. 13THz光的收集效率為10% ;(4)兩個(gè)離軸拋物鏡組合起來(lái)對(duì)4. 13THz光的反射率為96% ;(5)整個(gè)光路部分(1000mm距離)對(duì)4· 13THz光的透過(guò)率為63% ;因此,整個(gè)測(cè)量裝置對(duì)4. 13THz光的收集效率為2. 。此外,本實(shí)施例還提供了脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器出射功率的計(jì)算方法,該方法的主要內(nèi)容為首先,根據(jù)示波器中顯示的與太赫茲量子阱探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)的幅度和探測(cè)器在激光器激射頻率處的響應(yīng)率,計(jì)算得到到達(dá)太赫茲量子阱探測(cè)器敏感面上的脈沖太赫茲光的光功率值;然后,根據(jù)整個(gè)測(cè)量裝置對(duì)太赫茲光的收集效率計(jì)算得到脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器從第一冷頭的第一聚乙烯窗片處出射的脈沖太赫茲光的光功率,從而得到了脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出功率。本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的,并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。 這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的,對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是,在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下,本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例,以及用其他元件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于包括光源部分(A)、光路部分(B)和探測(cè)部分(C);所述光源部分(A)包括第一冷頭O)、安裝于所述第一冷頭O)內(nèi)的第一熱沉(3)、安裝于所述第一熱沉C3)上的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器、與所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器連接的脈沖電源(1)、安裝于所述第一冷頭上的第一聚乙烯窗片;其中,所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射出的太赫茲光通過(guò)第一聚乙烯窗片(4)射出;所述光路部分(B)包括第一離軸拋物鏡( 和第二離軸拋物鏡(6);所述第一離軸拋物鏡(5)收集經(jīng)所述第一聚乙烯窗片(4)射出的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡(6);所述第二離軸拋物鏡(6)接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡( 反射過(guò)來(lái)的太赫茲光,并使該太赫茲光反射至所述探測(cè)部分(C);所述探測(cè)部分(C)包括第二冷頭(7)、安裝于所述第二冷頭(7)上的第二聚乙烯窗片 (8)、安裝于所述第二冷頭(7)內(nèi)的第二熱沉(9)、安裝于所述第二熱沉(9)上的太赫茲量子阱探測(cè)器、與所述太赫茲量子阱探測(cè)器連接的信號(hào)處理電路(10)以及與所述信號(hào)處理電路(10)連接的示波器(11);其中,所述第二聚乙烯窗片(8)使所述第二離軸拋物鏡(6) 反射過(guò)來(lái)的太赫茲光進(jìn)入所述第二冷頭(7)內(nèi),并到達(dá)所述太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上;所述太赫茲量子阱探測(cè)器用以接收所述第二離軸拋物鏡(6)反射過(guò)來(lái)的太赫茲光,并產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào);所述信號(hào)處理電路(10)將所述電流信號(hào)提取為電壓信號(hào),并進(jìn)行放大;所述示波器(11)用以對(duì)所述信號(hào)處理電路(10)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示,得到所述電壓信號(hào)的幅度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的激射頻率范圍為4. 02-4. 13THz,所述太赫茲量子阱探測(cè)器的峰值探測(cè)頻率為3. 2THz,主要探測(cè)頻率范圍為3. 0-5. 3THz,其中主要探測(cè)頻率范圍是指響應(yīng)幅度>峰值響應(yīng)幅度40%的頻率范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述太赫茲量子阱探測(cè)器為光電導(dǎo)型低維半導(dǎo)體探測(cè)器,其有源區(qū)為通過(guò)在半絕緣 GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和AWaAs層的方式形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述太赫茲量子阱探測(cè)器的有源區(qū)包括23個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的 GaAs 層禾Π Al0.015Ga0.985As 層各一層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)是通過(guò)在半絕緣GaAs襯底上交替生長(zhǎng)GaAs層和AKktAs層的方式形成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)為四阱共振聲子結(jié)構(gòu),包括178個(gè)周期結(jié)構(gòu),每個(gè)周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長(zhǎng)的GaAs層和Alai5Giia85As層各四層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述第一聚乙烯窗片(4)和第二聚乙烯窗片(8)均采用高強(qiáng)度聚乙烯材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述第一聚乙烯窗片(4)和第二聚乙烯窗片(8)均通過(guò)將灌制的高強(qiáng)度聚乙烯圓柱形材料進(jìn)行切割、研磨和拋光而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述第一離軸拋物鏡(5)和第二離軸拋物鏡(6)的反射面均為鍍金離軸拋物面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述脈沖電源(1)為可編程脈沖式電源,包括正偏壓和反偏壓兩種供電模式,所述脈沖電源(1)的可輸出電流范圍為0-5A,脈寬調(diào)節(jié)范圍為50ns-5ys,輸出脈沖重復(fù)頻率范圍為Ι-lOkHz,脈沖的最大占空比為1%0
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述信號(hào)處理電路(10)包括電壓放大器一個(gè),供電電池一節(jié),分壓電阻一個(gè),電路連接線若干,其中,供電電池、分壓電阻與太赫茲量子阱探測(cè)器串聯(lián)為閉合回路,并采用電壓放大器提取分壓電阻兩端的電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置,其特征在于所述示波器(11)為數(shù)字示波器,包括4個(gè)可測(cè)量通道;所述示波器(11)的測(cè)量帶寬為500MHz,采樣速率為4Gsa/s,存儲(chǔ)深度為8Mpts。
13.—種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量方法,其特征在于,包括以下步驟步驟一,采用脈沖電源(1)給太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器施加一個(gè)周期性的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓,使其輻射出周期性的脈沖太赫茲光,所述周期性脈沖太赫茲光經(jīng)過(guò)第一聚乙烯窗片(4) 后到達(dá)第一離軸拋物鏡( 上;步驟二,所述第一離軸拋物鏡( 接收經(jīng)所述第一聚乙烯窗片(4)射出的周期性脈沖太赫茲光,并使該周期性脈沖太赫茲光反射至第二離軸拋物鏡(6);所述第二離軸拋物鏡 (6)接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡(5)反射過(guò)來(lái)的周期性脈沖太赫茲光,并使該周期性脈沖太赫茲光反射至所述探測(cè)部分(C),經(jīng)所述第二離軸拋物鏡(6)反射過(guò)來(lái)的周期性脈沖太赫茲光透過(guò)所述探測(cè)部分(C)的第二聚乙烯窗片(8)后到達(dá)所述第二熱沉(9)上的太赫茲量子阱探測(cè)器的敏感面上;步驟三,所述探測(cè)部分(C)的太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)入射的周期性脈沖太赫茲光響應(yīng)后產(chǎn)生相應(yīng)的周期性脈沖電流信號(hào),采用所述信號(hào)處理電路(10)將所述電流信號(hào)提取為電壓信號(hào),并將所述電壓信號(hào)放大后輸入所述示波器(11)中,所述示波器(11)對(duì)所述電壓信號(hào)進(jìn)行讀取和顯示,得到所述電壓信號(hào)的幅度,該電壓信號(hào)幅度的大小反映了太赫茲量子阱探測(cè)器對(duì)太赫茲光響應(yīng)的強(qiáng)弱;步驟四,根據(jù)所述示波器(11)中顯示的電壓信號(hào)幅度和太赫茲量子阱探測(cè)器在太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激射頻率處的響應(yīng)率,計(jì)算得到到達(dá)太赫茲量子阱探測(cè)器敏感面的太赫茲光功率,再根據(jù)整個(gè)測(cè)量裝置的收集效率計(jì)算出太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器從所述第一聚乙烯窗片(4)處輻射出的太赫茲光功率,進(jìn)而完成對(duì)脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的功率測(cè)量裝置及方法,該裝置包括光源部分、光路部分和探測(cè)部分;太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)出的太赫茲光通過(guò)該測(cè)量裝置抵達(dá)太赫茲量子阱探測(cè)器,接收并產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào);信號(hào)處理電路將該電流信號(hào)提取為電壓信號(hào)并放大,輸入示波器中讀取和顯示,根據(jù)太赫茲量子阱探測(cè)器在激光器激射頻率處的響應(yīng)率,通過(guò)計(jì)算完成對(duì)脈沖激射型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的測(cè)量。本發(fā)明避免了采用熱探測(cè)器測(cè)量脈沖工作模式下太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率時(shí)的積分估算,可直接根據(jù)探測(cè)器響應(yīng)脈沖信號(hào)的幅度得到激光器輸出的脈沖功率值。
文檔編號(hào)G01M11/00GK102323040SQ20111014226
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者曹俊誠(chéng), 譚智勇, 陳鎮(zhèn), 韓英軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
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