光纤耦合太赫兹时域光谱采样技术

卢志军，刘 伟，于 淼，王 彪

(1.中国航空工业集团有限公司，北京 100028；2.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111；3.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111)

太赫兹(THz)波一般指电磁频谱上频率在0.1～10 THz之间、波长范围在0.03～3 mm之间的电磁波，其介于微波和红外波之间[1]。从频率上看，该波段属于远红外波段，从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间，属于宏观电子学向微观光子学的过渡区，如图1所示。由于太赫兹波段的特殊性，其具有以下独特的物理性质[2]。

图1 太赫兹波段

① 穿透性良好。许多非金属、非极性材料，例如陶瓷、泡沫、塑料、橡胶等在太赫兹波段内缺乏相应的振动模式且散射率较低，因此太赫兹波对其具有良好的穿透性。

② 能级低。太赫兹波具有较低的光子能，仅为10-3eV，为X射线光子能的百万分之一，不会引起有害电离而破坏被检测物质，因此具有安全、绿色的检测特点。

③ 吸水性。太赫兹辐射对水分子有强烈的吸收特性，因此可用于分析被测物中的水分含量。

④ 高分辨率。太赫兹波的短波长特性使其在成像应用中有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时具有更大的景深。

⑤ 相干性。太赫兹相干测量技术能够直接测量场的振幅和相位，从而能够方便地提取被测物的折射率、吸收率等光学参数。

太赫兹波由于具有以上优良特性，其应用领域非常广泛，如雷达通信[3]、生物医学[4]、公共安全[5]、无损检测[6-7]等。

根据持续时间的长短，太赫兹波可以分为脉冲波和连续波，本文主要介绍太赫兹脉冲波。20世纪80年代发展起来的太赫兹时域光谱技术[8]就是产生太赫兹脉冲波。由于太赫兹脉冲具有脉宽窄、带宽宽等特点，特别适合用于厚度测量、缺陷成像、物质探测等领域。虽然太赫兹波段的存在早已被人们所知晓，但是太赫兹波段的特性却一直不被人们所熟知，主要是因为无论是传统的光学方法还是电学方法，都难以产生太赫兹波。直到近 20 年，超快电子技术、微电子技术和激光技术等的迅速发展，为太赫兹波的产生提供了技术方法。太赫兹波的产生一方面可以将亚毫米波上变频到太赫兹波段，另一方面可以将红外波或者可见光下变频到太赫兹波段，此外还可以采用真空电子学或者固态电子学等方式来获得太赫兹波。

目前比较成熟的太赫兹脉冲波产生方法主要有光电导天线、光整流和空气等离子体等，这3种方法都是利用超短脉冲产生太赫兹波，而基于光电导天线的太赫兹脉冲产生方法可以实现光纤耦合，更利于小型化及工程化。

基于光电导天线的光纤耦合太赫兹时域光谱采样技术主要有3种，分别为等效时间采样法、异步采样法和腔长调谐光学采样法，本文将针对这3种采样方法及对应的光纤耦合太赫兹时域光谱系统进行分析与介绍，为后续开展基于不同应用需求的光纤耦合太赫兹时域光谱系统自主搭建提供技术参考与支持。

1 光电导天线产生探测太赫兹脉冲原理

光电导天线法产生和探测太赫兹波都是利用光电导体[9]。光电导体可以看成一种在激光作用下电导发生变化的半导体开关。当一束飞秒(10-15)激光脉冲打到光电导体上时，若入射飞秒激光的光子能量大于该光电导体的能量带隙，则在光电导体内部会产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在外加偏置电压的作用下会产生加速运动，从而形成瞬变的光电流，这些瞬变的电流会向外辐射太赫兹脉冲波，通常太赫兹脉冲的脉宽在皮秒(10-12)量级，其原理示意图如图2所示。

图2 光电导天线产生太赫兹脉冲

太赫兹辐射强度如下[10]：

(1)

式中，A为光生载流子的照射面积;ε0为真空介电常数;c为光在真空中的传播速度;z为被测点与信号源的距离;N为光生自由电子的密度;e为电子电荷;μ为电子迁移率;Eb为偏置电场的场强。

通过式(1)可知，光电导天线产生的太赫兹脉冲信号的强度主要与电子迁移率、偏置电场强度和自由电子密度有关。因此想要获得更强的太赫兹脉冲信号，光电导体材料须具有更高的电子迁移率、更低的带隙、更短的载流子寿命和更高的击穿电压。

对于太赫兹脉冲信号的接收探测，同样利用光电导天线，可以看作是光电导天线产生太赫兹脉冲的逆过程。一束飞秒激光作为探测光照射到光电导天线上，使光电导体内部产生光生载流子，与此同时太赫兹脉冲也照射到光电导天线上，则可将太赫兹脉冲看作电场施加于光电导体上，使光电导体内部的光生载流子加速运动从而产生感应电流。该感应电流正比于照射在光电导天线的太赫兹脉冲的强度。光电导天线产生和探测太赫兹脉冲波示意图如图3所示。

图3 产生和探测太赫兹脉冲波示意图

2 光纤耦合太赫兹时域光谱采样方法

2.1 等效时间采样法

以光电导天线作为产生和探测太赫兹脉冲波的典型太赫兹时域光谱系统(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)原理如图4所示。

图4 光电导天线太赫兹时域光谱系统原理

太赫兹时域光谱系统根据对样品不同的检测方式可分为透射式和反射式。这两种工作方式的基本原理相同，只是透射式是指太赫兹波透过样品被探测，反射式是指太赫兹波从样品反射后被探测。其基本原理为：从飞秒激光器发出一束飞秒激光，经分束器后被分为一强一弱两束光，其中一束较强的飞秒激光作为泵浦光，照射到光电导发射天线上产生太赫兹脉冲波。另一束较弱的飞秒激光照射到光电导探测天线上，为太赫兹脉冲波探测提供探测光。当经过样品后的载有样品信息的太赫兹脉冲波照射到光电导探测天线时会产生感应电流，经过采集处理后在显示终端进行显示[11]。

由这种方法产生的太赫兹脉冲信号的重复频率与用于泵浦的飞秒激光脉冲的重复频率相同，对于这样的瞬态信号，常采用实时采样方法，即对被采样信号利用奈奎斯特采样定理在一段时间内抽取足够多的采样点，这对光电探测器的响应频率要求过高，难以实现。因此针对这样的周期性超快信号，可采用等效时间采样，这种方法通过抽取不同周期上的信号点，实现对被采样信号的重建，其原理如图5所示。

图5 等效时间采样原理

为了实现等效时间采样，普遍采用光机延迟线结构[12]。这种结构是在精密移动平台上放置一对成45°角的平面全反镜，使采样光经过该平面镜组，利用精密平移台的移动带动平面镜组移动，从而改变光程。其原理如图6所示。当平面镜组移动ΔL时，时间延迟Δt=2nΔL/c，其中，n为折射率，c为光速。

图6 光机延迟线原理

以光纤耦合太赫兹时域光谱系统为例，以光电导天线作为产生和探测太赫兹脉冲波的典型太赫兹时域光谱系统结构图，如图7所示，该系统主要由光纤飞秒激光器、延迟线、光电导天线、信号调理和采集单元组成。

图7 光纤耦合太赫兹时域光谱系统结构图

目前典型的光纤耦合太赫兹时域光谱系统产品主要包括美国Picometrix公司的T-Ray5000和德国Menlo Systems公司的TERA-K15-SYNC产品，如图8所示。以等效时间采样法实现太赫兹时域光谱采样的特点是系统比较稳定，信噪比较高，但由于采用机械步进实现对太赫兹脉冲的逐点采样扫描，其扫描速率较低。通过采用快速扫描电机，例如音圈电机或振镜，扫描速率可以达到几十赫兹。例如TERA-K15-SYNC产品，其带宽为5 THz，信噪比为90 dB，扫描速率>20 Hz。

图8 典型产品

2.2 异步采样法

异步采样法最初在1987年被提出[13]，该方法不依赖机械延迟线，相当于把机械延迟装置控制探测脉冲与泵浦脉冲之间的延迟替换成了通过控制两台飞秒激光器的重复频率来控制两个脉冲的延迟。其原理是使用两台锁模激光器，其中一台作为泵浦激光发射器，另一台作为探测激光发射器，两者的重复频率具有固定差值，每个脉冲之间的相对时间延迟从零到泵浦脉冲重复频率的倒数呈线性增长。泵浦激光发射器照射光电导发射天线，产生重复频率与泵浦激光发射器重复频率相同的太赫兹脉冲波；探测激光发射器照射光电导接收天线，以与探测激光发射器重复频率相同频率的探测光实现对太赫兹脉冲波的采样。当在某个脉冲时刻，探测光脉冲与产生的太赫兹脉冲在时间上重合，由于其重复频率不同，会在下一脉冲时刻使探测光脉冲与太赫兹波脉冲之间出现一个时间差，后面的每个脉冲时刻两者都依次增加一个时间差，直到两者再次重合为止。太赫兹脉冲异步采样原理如图9所示[14]。

图9 太赫兹脉冲异步采样原理

假设采样信号的采样点数为n，探测脉冲的重复频率为fr，太赫兹脉冲重复频率为fr+Δf，则有：

(2)

那么探测一个完整太赫兹脉冲的时间为

(3)

探测脉冲和泵浦脉冲之间的时间差为

(4)

采样点个数为

(5)

对单个太赫兹脉冲采集对应的时间窗口为

(6)

式中，Δf为探测脉冲和泵浦脉冲之间的频率差。

通过以上公式可以看出，扫描单个太赫兹脉冲的时间只与两台激光器的重负频率之差有关，系统的理论频谱分辨率等于激光器的重复频率。

在异步采样方法中，扫描延迟时间等于泵浦激光发射器与探测激光发射器的相邻飞秒激光脉冲之间的时间间隔，扫描频率等于两者的重复频率之差。异步采样方法的优点在于没有机械延迟装置、扫描速度快、测量精度高，但该方法需要两台飞秒激光器，系统成本较高，而且需要控制两台激光器的重复频率，控制难度高。异步采样太赫兹时域光谱系统结构图如图10所示。

图10 异步采样太赫兹时域光谱系统结构图

目前典型的异步采样光纤耦合太赫兹时域光谱系统产品主要包括日本Advantest公司的TAS7500系列产品和德国Menlo Systems公司的TERA ASOPS系统，如图11所示。以异步采样法实现太赫兹时域光谱采样的特点是扫描速率快，可以达到 kHz 级别，但是双激光器系统成本高，控制难度大。例如TERA ASOPS系统，其带宽>3 THz，信噪比达60 dB，扫描速率>1 kHz，比采用快速扫描电机的等效时间采样法的太赫兹时域光谱系统提高了50倍。

图11 异步采样太赫兹时域光谱系统典型产品

2.3 腔长调谐光学采样法

腔长调谐光学采样法(Optical Sampling by Cavity Tuning，OSCAT)不需要任何外部机械平台延迟线，仅需要一台飞秒激光器，通过对激光器重复频率的控制调节来实现对太赫兹脉冲信号的探测。其原理如图12所示[15]。

图12 腔长调谐光学采样原理

一束飞秒激光被分束器分为两束飞秒脉冲串，脉冲串1作为泵浦光用于产生太赫兹脉冲波，脉冲串2作为探测光用于探测太赫兹脉冲波，脉冲串2比脉冲串1延迟的时间为td，延迟光路长度为ld，则有

Δt=td-aτrep

(7)

式中，Δt为第i个脉冲和第i+a个脉冲之间的时延，a为延迟的脉冲个数；τrep为激光器重复周期，与重复频率frep为倒数关系。

一般考虑a=0，此时时间延迟Δt与激光器的重复频率相关。当光路长度保持不变(ld为常数)时，脉冲延迟是随着激光器的重复频率而变化的。设激光器的重复频率变化范围为fmin～fmax(fmin为激光器重复频率最小值，fmax为激光器重复频率最大值)，则扫描范围Δtvar=Δtmax-Δtmin可以表示为

(8)

因此，可以得到：

(9)

式中，c0为真空中的光速；n为激光脉冲传输介质的折射率。

由以上公式可知，通过控制调节飞秒激光器的重复频率，即可实现对太赫兹脉冲信号的探测。

腔长调谐光学采样光纤耦合太赫兹时域光谱系统结构图如图13所示。

图13 腔长调谐光学采样太赫兹系统结构图

目前典型的腔长调谐光学采样光纤耦合太赫兹时域光谱系统产品主要包括Menlo Systems公司的TERA OSCAT系统，如图14所示。以腔长调谐光学采样法实现太赫兹时域光谱采样的特点是扫描速度快，结构简单，易于实现小型化，但其频率控制难度较大、信噪比较低。例如TERA OSCAT系统，其在高速模式下，带宽>1 THz，信噪比>35 dB，扫描速率>200 waveforms/s。

图14 TERA OSCAT系统

为比较腔长调谐光学采样法和采用快速扫描电机的等效时间采样法的扫描速度，利用一块夹杂了金属片的样品进行实验测试，扫描范围为57 mm×60 mm，如图15(a)所示。利用TERA-K15-SYNC系统进行扫描成像，数据采集时间约为5 h，而采用TERA OSCAT系统进行扫描成像，数据采集时间约为15 min，扫描速率提高了20倍。利用上述两种系统扫描的成像结果如图15(b)和图15(c)所示。

图15 样件实验结果

3 结束语

本文首先对光电导天线产生和探测太赫兹脉冲的原理进行了介绍，然后介绍了3种基于光电导天线的光纤耦合太赫兹时域光谱系统的采样方法。其中基于等效时间采样方法的太赫兹时域光谱系统控制简单、稳定性较好、成本较低，但由于存在机械扫描延迟线导致扫描速度较低；基于异步采样法的太赫兹时域光谱系统没有机械延迟装置，扫描速度快，但该系统成本较高，控制难度大；基于腔长调谐光学采样法的太赫兹时域光谱系统同样不需要机械平台延迟线，而且仅需要一台激光器，扫描速度快、成本较低，但需要激光器稳定性较好，控制精度高。同时，针对3种采样方法，文中给出了典型的光纤耦合太赫兹时域光谱系统，为太赫兹时域光谱系统应用研究和自主搭建提供了参考。