光纖型變角度太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)研究

李 正，孫 青，馮美琦，尚 亮，鄧玉強(qiáng)，李超辰

1. 曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165 2. 中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029

引 言

太赫茲波在電磁波譜中位于紅外與毫米波之間，因其獨(dú)特的性質(zhì)在很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。太赫茲時域光譜(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技術(shù)是一種非常有效的相干光譜探測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于材料特性分析、爆炸物探測、醫(yī)學(xué)診斷以及氣體檢測等眾多領(lǐng)域[1-4]。

傳統(tǒng)基于鈦寶石飛秒激光器的THz-TDS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，但是隨著測量需求的多樣化，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)逐漸表現(xiàn)出其局限性。光纖激光技術(shù)近年來發(fā)展迅速，光纖飛秒激光器近年來已實(shí)現(xiàn)商用，尤其是摻鉺光纖飛秒激光器，具有成本低、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。將鈦寶石飛秒激光器替換為光纖飛秒激光器，THz-TDS系統(tǒng)的成本與體積可大大降低。然而工作在800 nm波段的低溫生長砷化鎵光電導(dǎo)天線在1 550 nm波段并不適用，德國科學(xué)家采用低溫生長的磷化銦作為光電導(dǎo)天線襯底材料，同時采用InGaAs/InAlAs多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了1 550 nm波段的太赫茲高效產(chǎn)生和探測[5-7]。采用全光纖的設(shè)計(jì)方案，THz-TDS系統(tǒng)可設(shè)計(jì)的非常緊湊和靈活[8-10]。由于飛秒激光在光纖中傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力，在工業(yè)和現(xiàn)場應(yīng)用上具有巨大的潛力。但另一方面，由于色散展寬、偏振不匹配等效應(yīng)的影響，會對THz-TDS系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時充分考慮。

本文設(shè)計(jì)研制了光纖型THz-TDS系統(tǒng)，通過光纖色散管理與偏振控制，實(shí)現(xiàn)了飛秒脈沖寬度和偏振態(tài)的精確操控，消除了太赫茲時域脈沖的展寬與分裂現(xiàn)象，獲得了高信噪比的單脈沖太赫茲時域波形；采用變角度光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲透射與反射光譜的變角度測量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1為光纖型THz-TDS總體設(shè)計(jì)方案，主要包括光學(xué)、電學(xué)和軟件三個子系統(tǒng)。光學(xué)子系統(tǒng)包括光纖飛秒激光器、色散補(bǔ)償模塊、偏振控制模塊、光纖延遲線以及太赫茲發(fā)射與探測天線，所有模塊均采用光纖連接。電學(xué)子系統(tǒng)中的方波信號產(chǎn)生與高壓調(diào)制模塊用于為太赫茲發(fā)射天線施加方波調(diào)制的高壓信號。太赫茲探測器天線輸出的電流信號經(jīng)放大后輸入鎖相放大模塊，從而提高信號的測量信噪比，然后由高速數(shù)據(jù)采集卡采集后輸入計(jì)算機(jī)。軟件子系統(tǒng)基于LabVIEW軟件編寫，提供人機(jī)交互界面，集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)顯示等功能于一體。同時可控制光學(xué)子系統(tǒng)中的光纖延遲線的運(yùn)動狀態(tài)，并讀取電學(xué)子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的測量數(shù)據(jù)。

圖1 光纖型太赫茲時域光譜儀總體方案框圖Fig.1 Logic diagram of fiber-type THz-TDS

圖2為光纖型THz-TDS原理結(jié)構(gòu)圖。采用德國Toptica公司的摻鉺光纖飛秒激光器作為泵浦探測光源，其工作中心波長為1 550 nm，輸出脈沖寬度約為50 fs。飛秒激光經(jīng)單模保偏光纖(polarization maintaining fiber, PMF)輸出后進(jìn)入色散補(bǔ)償光纖(dispersion compensation fiber, DCF)，然后經(jīng)過偏振分光棱鏡(polarization beam splitter, PBS)后為兩束，其中一束耦合至太赫茲發(fā)射天線(Tx)的尾纖，另一束經(jīng)過電動光纖延遲線(motorized delay line, MDL)后耦合至太赫茲探測天線(Rx)。MDL可提供最大17 cm的光路延遲，對應(yīng)的延遲時間為560 ps。Tx和Rx為基于InGaAs/InAlAs層疊結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)天線，尾纖為長度約1 m的PMF。

圖2 光纖型太赫茲時域光譜儀原理結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of fiber-type THz-TDS

2 光學(xué)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 色散管理

實(shí)驗(yàn)中所采用的PMF在1 550 nm波段的色散參數(shù)約為15 ps/nm/km，飛秒激光在其中傳輸時由于色散效應(yīng)脈沖寬度會顯著展寬。圖3為利用自相關(guān)儀測量得到的飛秒激光經(jīng)過不同長度PMF后的自相關(guān)曲線。初始脈沖寬度為50 fs的飛秒脈沖經(jīng)過1～5 m長度的PMF后，脈沖寬度分別展寬為84，91，99，103和140 fs，這也會導(dǎo)致太赫茲時域脈沖波形相應(yīng)的展寬。為了獲得更窄的太赫茲時域脈沖波形和更寬的太赫茲頻域光譜，需要到達(dá)Tx和Rx的飛秒脈沖寬度盡量窄，因此采用在系統(tǒng)中增加DCF的方法進(jìn)行色散管理，該方法具有插入損耗小、簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 飛秒脈沖通過不同長度的PMF后的自相關(guān)曲線

實(shí)驗(yàn)中使用的DCF在1 550 nm波段的色散參數(shù)約為-40 ps/nm/km，Tx與Rx之前的PMF總長度均約為2 m，經(jīng)過理論計(jì)算后選取長度適合的DCF與PMF連接。圖4為同時經(jīng)過DCF與2 m長PMF后的飛秒脈沖自相關(guān)曲線。從圖中可以看出，增加DCF后飛秒脈沖寬度得到了壓縮，主脈沖寬度與直接從激光器出射的脈沖寬度基本一致。但是由于高階色散難以補(bǔ)償?shù)脑?，自相關(guān)曲線中出現(xiàn)了旁瓣。

圖4 經(jīng)過DCF和PMF后測得的脈沖自相關(guān)曲線Fig.4 Autocorrelation curve after femtosecond pulse passing through DCF and PMF

2.2 偏振控制

由于DCF為非保偏光纖，經(jīng)過DCF后飛秒激光的偏振態(tài)將由線偏振退化為橢圓偏振，調(diào)節(jié)四分之一波片(QWP)使其變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)過PBS后分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光。當(dāng)激光偏振方向不與PMF快軸或慢軸平行時，激光同時沿PMF的快慢軸傳輸[11-12]。由于PMF快慢軸折射率存在的微小的差別，導(dǎo)致激光沿兩個軸的傳輸速度存在差異，同一飛秒脈沖到達(dá)太赫茲天線的時間存在先后，造成太赫茲時域波形脈沖分裂、強(qiáng)度降低等問題，對THz-TDS系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[13-14]。

圖5(a)為進(jìn)入Tx的泵浦激光偏振角度分別為30°和120°，進(jìn)入Rx的探測激光偏振角度分別為60°和150°時的太赫茲時域脈沖波形。此時泵浦激光和探測激光的偏振方向與PMF快慢軸夾角均為45°，激光能量在快慢軸方向占比均為50%。從圖中可以看出，太赫茲時域波形分裂為三峰結(jié)構(gòu)。圖5(b)為對應(yīng)的太赫茲頻域光譜，光譜曲線中出現(xiàn)了多處凹陷，造成測量動態(tài)范圍的大幅降低，嚴(yán)重影響了THz-TDS的性能。

為了消除激光偏振引起的太赫茲脈沖分裂需要對激光偏振態(tài)進(jìn)行精確控制。旋轉(zhuǎn)二分之一波片(HWP)可實(shí)現(xiàn)對線偏振光偏振方向的控制。圖6(a)為進(jìn)入Tx的激光偏振態(tài)為75°或165°，進(jìn)入Rx的激光偏振態(tài)為15°或105°時的太赫茲時域脈沖波形，此時泵浦激光和探測激光偏振方向與PMF的快軸或慢軸平行。從圖中可以看出，太赫茲時域波形都沒有出現(xiàn)脈沖分裂現(xiàn)象，且太赫茲時域波形信號的峰值強(qiáng)度更大，信噪比優(yōu)于12 000。峰值位置分別位于6.62，8.44，8.62和10.44 ps，延遲量與理論計(jì)算結(jié)果吻合，分別對應(yīng)泵浦激光和探測激光沿快軸或慢軸傳輸時的四種情況。圖6(b)中的光譜曲線也未出現(xiàn)凹陷，光譜包絡(luò)較平滑。

圖5 泵浦激光和探測激光偏振方向與PMF快慢軸夾角為45°時的太赫茲信號(a)：太赫茲時域波形；(b)：頻域光譜

2.3 變角度測量光路設(shè)計(jì)

由于飛秒激光在光纖中傳輸，給THz-TDS系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)帶來很大的靈活性。系統(tǒng)中太赫茲光路采用8f結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即包含四片太赫茲透鏡，Tx，Rx以及太赫茲透鏡均安裝在燕尾導(dǎo)軌上，燕尾導(dǎo)軌的一臂固定，另一臂可以樣品為中心旋轉(zhuǎn)，兩臂夾角調(diào)節(jié)范圍為70°～180°，如圖7所示。無需增加光學(xué)模塊或器件，僅僅旋轉(zhuǎn)活動臂，即可實(shí)現(xiàn)太赫茲透、反射光譜測量的功能切換，以及變角度太赫茲光譜的測量，這給THz-TDS系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了很大的方便。

圖6 泵浦激光和探測激光偏振方向與PMF的快軸或慢軸平行時的太赫茲信號(a)：太赫茲時域波形；(b)：頻域光譜

圖7 變角度測量光路實(shí)物圖Fig.7 Photo of variable angle measurement optical path

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)研制了光纖型THz-TDS系統(tǒng)，通過光纖色散管理實(shí)現(xiàn)了飛秒脈沖寬度的控制，使得到達(dá)太赫茲光電導(dǎo)天線的飛秒脈沖寬度保持在50 fs左右，從而消除了因飛秒脈沖展寬導(dǎo)致的太赫茲時域脈沖展寬。通過對飛秒激光偏振態(tài)的精確控制，使泵浦激光和探測激光偏振方向與保偏光纖的快軸或慢軸保持平行，從而消除了太赫茲時域脈沖的分裂現(xiàn)象。采用變角度光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲透、反射光譜測量的便捷切換，以及變角度太赫茲光譜的測量。