光纖耦合太赫茲時域光譜采樣技術(shù)

盧志軍，劉 偉，于 淼，王 彪

(1.中國航空工業(yè)集團有限公司，北京 100028；2.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111；3.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111)

太赫茲(THz)波一般指電磁頻譜上頻率在0.1～10 THz之間、波長范圍在0.03～3 mm之間的電磁波，其介于微波和紅外波之間[1]。從頻率上看，該波段屬于遠紅外波段，從能量輻射上看，其大小在電子和光子之間，屬于宏觀電子學向微觀光子學的過渡區(qū)，如圖1所示。由于太赫茲波段的特殊性，其具有以下獨特的物理性質(zhì)[2]。

圖1 太赫茲波段

① 穿透性良好。許多非金屬、非極性材料，例如陶瓷、泡沫、塑料、橡膠等在太赫茲波段內(nèi)缺乏相應(yīng)的振動模式且散射率較低，因此太赫茲波對其具有良好的穿透性。

② 能級低。太赫茲波具有較低的光子能，僅為10-3eV，為X射線光子能的百萬分之一，不會引起有害電離而破壞被檢測物質(zhì)，因此具有安全、綠色的檢測特點。

③ 吸水性。太赫茲輻射對水分子有強烈的吸收特性，因此可用于分析被測物中的水分含量。

④ 高分辨率。太赫茲波的短波長特性使其在成像應(yīng)用中有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時具有更大的景深。

⑤ 相干性。太赫茲相干測量技術(shù)能夠直接測量場的振幅和相位，從而能夠方便地提取被測物的折射率、吸收率等光學參數(shù)。

太赫茲波由于具有以上優(yōu)良特性，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如雷達通信[3]、生物醫(yī)學[4]、公共安全[5]、無損檢測[6-7]等。

根據(jù)持續(xù)時間的長短，太赫茲波可以分為脈沖波和連續(xù)波，本文主要介紹太赫茲脈沖波。20世紀80年代發(fā)展起來的太赫茲時域光譜技術(shù)[8]就是產(chǎn)生太赫茲脈沖波。由于太赫茲脈沖具有脈寬窄、帶寬寬等特點，特別適合用于厚度測量、缺陷成像、物質(zhì)探測等領(lǐng)域。雖然太赫茲波段的存在早已被人們所知曉，但是太赫茲波段的特性卻一直不被人們所熟知，主要是因為無論是傳統(tǒng)的光學方法還是電學方法，都難以產(chǎn)生太赫茲波。直到近 20 年，超快電子技術(shù)、微電子技術(shù)和激光技術(shù)等的迅速發(fā)展，為太赫茲波的產(chǎn)生提供了技術(shù)方法。太赫茲波的產(chǎn)生一方面可以將亞毫米波上變頻到太赫茲波段，另一方面可以將紅外波或者可見光下變頻到太赫茲波段，此外還可以采用真空電子學或者固態(tài)電子學等方式來獲得太赫茲波。

目前比較成熟的太赫茲脈沖波產(chǎn)生方法主要有光電導天線、光整流和空氣等離子體等，這3種方法都是利用超短脈沖產(chǎn)生太赫茲波，而基于光電導天線的太赫茲脈沖產(chǎn)生方法可以實現(xiàn)光纖耦合，更利于小型化及工程化。

基于光電導天線的光纖耦合太赫茲時域光譜采樣技術(shù)主要有3種，分別為等效時間采樣法、異步采樣法和腔長調(diào)諧光學采樣法，本文將針對這3種采樣方法及對應(yīng)的光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)進行分析與介紹，為后續(xù)開展基于不同應(yīng)用需求的光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)自主搭建提供技術(shù)參考與支持。

1 光電導天線產(chǎn)生探測太赫茲脈沖原理

光電導天線法產(chǎn)生和探測太赫茲波都是利用光電導體[9]。光電導體可以看成一種在激光作用下電導發(fā)生變化的半導體開關(guān)。當一束飛秒(10-15)激光脈沖打到光電導體上時，若入射飛秒激光的光子能量大于該光電導體的能量帶隙，則在光電導體內(nèi)部會產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對在外加偏置電壓的作用下會產(chǎn)生加速運動，從而形成瞬變的光電流，這些瞬變的電流會向外輻射太赫茲脈沖波，通常太赫茲脈沖的脈寬在皮秒(10-12)量級，其原理示意圖如圖2所示。

圖2 光電導天線產(chǎn)生太赫茲脈沖

太赫茲輻射強度如下[10]：

(1)

式中，A為光生載流子的照射面積;ε0為真空介電常數(shù);c為光在真空中的傳播速度;z為被測點與信號源的距離;N為光生自由電子的密度;e為電子電荷;μ為電子遷移率;Eb為偏置電場的場強。

通過式(1)可知，光電導天線產(chǎn)生的太赫茲脈沖信號的強度主要與電子遷移率、偏置電場強度和自由電子密度有關(guān)。因此想要獲得更強的太赫茲脈沖信號，光電導體材料須具有更高的電子遷移率、更低的帶隙、更短的載流子壽命和更高的擊穿電壓。

對于太赫茲脈沖信號的接收探測，同樣利用光電導天線，可以看作是光電導天線產(chǎn)生太赫茲脈沖的逆過程。一束飛秒激光作為探測光照射到光電導天線上，使光電導體內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，與此同時太赫茲脈沖也照射到光電導天線上，則可將太赫茲脈沖看作電場施加于光電導體上，使光電導體內(nèi)部的光生載流子加速運動從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流正比于照射在光電導天線的太赫茲脈沖的強度。光電導天線產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖波示意圖如圖3所示。

圖3 產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖波示意圖

2 光纖耦合太赫茲時域光譜采樣方法

2.1 等效時間采樣法

以光電導天線作為產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖波的典型太赫茲時域光譜系統(tǒng)(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)原理如圖4所示。

圖4 光電導天線太赫茲時域光譜系統(tǒng)原理

太赫茲時域光譜系統(tǒng)根據(jù)對樣品不同的檢測方式可分為透射式和反射式。這兩種工作方式的基本原理相同，只是透射式是指太赫茲波透過樣品被探測，反射式是指太赫茲波從樣品反射后被探測。其基本原理為：從飛秒激光器發(fā)出一束飛秒激光，經(jīng)分束器后被分為一強一弱兩束光，其中一束較強的飛秒激光作為泵浦光，照射到光電導發(fā)射天線上產(chǎn)生太赫茲脈沖波。另一束較弱的飛秒激光照射到光電導探測天線上，為太赫茲脈沖波探測提供探測光。當經(jīng)過樣品后的載有樣品信息的太赫茲脈沖波照射到光電導探測天線時會產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過采集處理后在顯示終端進行顯示[11]。

由這種方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖信號的重復(fù)頻率與用于泵浦的飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率相同，對于這樣的瞬態(tài)信號，常采用實時采樣方法，即對被采樣信號利用奈奎斯特采樣定理在一段時間內(nèi)抽取足夠多的采樣點，這對光電探測器的響應(yīng)頻率要求過高，難以實現(xiàn)。因此針對這樣的周期性超快信號，可采用等效時間采樣，這種方法通過抽取不同周期上的信號點，實現(xiàn)對被采樣信號的重建，其原理如圖5所示。

圖5 等效時間采樣原理

為了實現(xiàn)等效時間采樣，普遍采用光機延遲線結(jié)構(gòu)[12]。這種結(jié)構(gòu)是在精密移動平臺上放置一對成45°角的平面全反鏡，使采樣光經(jīng)過該平面鏡組，利用精密平移臺的移動帶動平面鏡組移動，從而改變光程。其原理如圖6所示。當平面鏡組移動ΔL時，時間延遲Δt=2nΔL/c，其中，n為折射率，c為光速。

圖6 光機延遲線原理

以光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)為例，以光電導天線作為產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖波的典型太赫茲時域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示，該系統(tǒng)主要由光纖飛秒激光器、延遲線、光電導天線、信號調(diào)理和采集單元組成。

圖7 光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括美國Picometrix公司的T-Ray5000和德國Menlo Systems公司的TERA-K15-SYNC產(chǎn)品，如圖8所示。以等效時間采樣法實現(xiàn)太赫茲時域光譜采樣的特點是系統(tǒng)比較穩(wěn)定，信噪比較高，但由于采用機械步進實現(xiàn)對太赫茲脈沖的逐點采樣掃描，其掃描速率較低。通過采用快速掃描電機，例如音圈電機或振鏡，掃描速率可以達到幾十赫茲。例如TERA-K15-SYNC產(chǎn)品，其帶寬為5 THz，信噪比為90 dB，掃描速率>20 Hz。

圖8 典型產(chǎn)品

2.2 異步采樣法

異步采樣法最初在1987年被提出[13]，該方法不依賴機械延遲線，相當于把機械延遲裝置控制探測脈沖與泵浦脈沖之間的延遲替換成了通過控制兩臺飛秒激光器的重復(fù)頻率來控制兩個脈沖的延遲。其原理是使用兩臺鎖模激光器，其中一臺作為泵浦激光發(fā)射器，另一臺作為探測激光發(fā)射器，兩者的重復(fù)頻率具有固定差值，每個脈沖之間的相對時間延遲從零到泵浦脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)呈線性增長。泵浦激光發(fā)射器照射光電導發(fā)射天線，產(chǎn)生重復(fù)頻率與泵浦激光發(fā)射器重復(fù)頻率相同的太赫茲脈沖波；探測激光發(fā)射器照射光電導接收天線，以與探測激光發(fā)射器重復(fù)頻率相同頻率的探測光實現(xiàn)對太赫茲脈沖波的采樣。當在某個脈沖時刻，探測光脈沖與產(chǎn)生的太赫茲脈沖在時間上重合，由于其重復(fù)頻率不同，會在下一脈沖時刻使探測光脈沖與太赫茲波脈沖之間出現(xiàn)一個時間差，后面的每個脈沖時刻兩者都依次增加一個時間差，直到兩者再次重合為止。太赫茲脈沖異步采樣原理如圖9所示[14]。

圖9 太赫茲脈沖異步采樣原理

假設(shè)采樣信號的采樣點數(shù)為n，探測脈沖的重復(fù)頻率為fr，太赫茲脈沖重復(fù)頻率為fr+Δf，則有：

(2)

那么探測一個完整太赫茲脈沖的時間為

(3)

探測脈沖和泵浦脈沖之間的時間差為

(4)

采樣點個數(shù)為

(5)

對單個太赫茲脈沖采集對應(yīng)的時間窗口為

(6)

式中，Δf為探測脈沖和泵浦脈沖之間的頻率差。

通過以上公式可以看出，掃描單個太赫茲脈沖的時間只與兩臺激光器的重負頻率之差有關(guān)，系統(tǒng)的理論頻譜分辨率等于激光器的重復(fù)頻率。

在異步采樣方法中，掃描延遲時間等于泵浦激光發(fā)射器與探測激光發(fā)射器的相鄰飛秒激光脈沖之間的時間間隔，掃描頻率等于兩者的重復(fù)頻率之差。異步采樣方法的優(yōu)點在于沒有機械延遲裝置、掃描速度快、測量精度高，但該方法需要兩臺飛秒激光器，系統(tǒng)成本較高，而且需要控制兩臺激光器的重復(fù)頻率，控制難度高。異步采樣太赫茲時域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 異步采樣太赫茲時域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的異步采樣光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括日本Advantest公司的TAS7500系列產(chǎn)品和德國Menlo Systems公司的TERA ASOPS系統(tǒng)，如圖11所示。以異步采樣法實現(xiàn)太赫茲時域光譜采樣的特點是掃描速率快，可以達到 kHz 級別，但是雙激光器系統(tǒng)成本高，控制難度大。例如TERA ASOPS系統(tǒng)，其帶寬>3 THz，信噪比達60 dB，掃描速率>1 kHz，比采用快速掃描電機的等效時間采樣法的太赫茲時域光譜系統(tǒng)提高了50倍。

圖11 異步采樣太赫茲時域光譜系統(tǒng)典型產(chǎn)品

2.3 腔長調(diào)諧光學采樣法

腔長調(diào)諧光學采樣法(Optical Sampling by Cavity Tuning，OSCAT)不需要任何外部機械平臺延遲線，僅需要一臺飛秒激光器，通過對激光器重復(fù)頻率的控制調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對太赫茲脈沖信號的探測。其原理如圖12所示[15]。

圖12 腔長調(diào)諧光學采樣原理

一束飛秒激光被分束器分為兩束飛秒脈沖串，脈沖串1作為泵浦光用于產(chǎn)生太赫茲脈沖波，脈沖串2作為探測光用于探測太赫茲脈沖波，脈沖串2比脈沖串1延遲的時間為td，延遲光路長度為ld，則有

Δt=td-aτrep

(7)

式中，Δt為第i個脈沖和第i+a個脈沖之間的時延，a為延遲的脈沖個數(shù)；τrep為激光器重復(fù)周期，與重復(fù)頻率frep為倒數(shù)關(guān)系。

一般考慮a=0，此時時間延遲Δt與激光器的重復(fù)頻率相關(guān)。當光路長度保持不變(ld為常數(shù))時，脈沖延遲是隨著激光器的重復(fù)頻率而變化的。設(shè)激光器的重復(fù)頻率變化范圍為fmin～fmax(fmin為激光器重復(fù)頻率最小值，fmax為激光器重復(fù)頻率最大值)，則掃描范圍Δtvar=Δtmax-Δtmin可以表示為

(8)

因此，可以得到：

(9)

式中，c0為真空中的光速；n為激光脈沖傳輸介質(zhì)的折射率。

由以上公式可知，通過控制調(diào)節(jié)飛秒激光器的重復(fù)頻率，即可實現(xiàn)對太赫茲脈沖信號的探測。

腔長調(diào)諧光學采樣光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 腔長調(diào)諧光學采樣太赫茲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前典型的腔長調(diào)諧光學采樣光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)產(chǎn)品主要包括Menlo Systems公司的TERA OSCAT系統(tǒng)，如圖14所示。以腔長調(diào)諧光學采樣法實現(xiàn)太赫茲時域光譜采樣的特點是掃描速度快，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)小型化，但其頻率控制難度較大、信噪比較低。例如TERA OSCAT系統(tǒng)，其在高速模式下，帶寬>1 THz，信噪比>35 dB，掃描速率>200 waveforms/s。

圖14 TERA OSCAT系統(tǒng)

為比較腔長調(diào)諧光學采樣法和采用快速掃描電機的等效時間采樣法的掃描速度，利用一塊夾雜了金屬片的樣品進行實驗測試，掃描范圍為57 mm×60 mm，如圖15(a)所示。利用TERA-K15-SYNC系統(tǒng)進行掃描成像，數(shù)據(jù)采集時間約為5 h，而采用TERA OSCAT系統(tǒng)進行掃描成像，數(shù)據(jù)采集時間約為15 min，掃描速率提高了20倍。利用上述兩種系統(tǒng)掃描的成像結(jié)果如圖15(b)和圖15(c)所示。

圖15 樣件實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文首先對光電導天線產(chǎn)生和探測太赫茲脈沖的原理進行了介紹，然后介紹了3種基于光電導天線的光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)的采樣方法。其中基于等效時間采樣方法的太赫茲時域光譜系統(tǒng)控制簡單、穩(wěn)定性較好、成本較低，但由于存在機械掃描延遲線導致掃描速度較低；基于異步采樣法的太赫茲時域光譜系統(tǒng)沒有機械延遲裝置，掃描速度快，但該系統(tǒng)成本較高，控制難度大；基于腔長調(diào)諧光學采樣法的太赫茲時域光譜系統(tǒng)同樣不需要機械平臺延遲線，而且僅需要一臺激光器，掃描速度快、成本較低，但需要激光器穩(wěn)定性較好，控制精度高。同時，針對3種采樣方法，文中給出了典型的光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)，為太赫茲時域光譜系統(tǒng)應(yīng)用研究和自主搭建提供了參考。