全光纤耦合异步光学采样THz-TDS系统

段国腾， 李林， 崔海林， 张存林

(1.北京理工大学 光电学院， 北京 100081；2.首都师范大学 物理系， 北京 100048)



全光纤耦合异步光学采样THz-TDS系统

段国腾1， 李林1， 崔海林2， 张存林2

(1.北京理工大学 光电学院， 北京 100081；2.首都师范大学 物理系， 北京 100048)

针对传统THz-TDS系统利用机械步进延迟线进行采样扫描的方式获取太赫兹时域谱使得检测信号速度慢等缺点，设计了全光纤耦合快速异步光学扫描THz-TDS系统，该系统利用以锁相环(PLL)和直接频率合成器(DDS)为核心的电子系统精确控制两台飞秒激光器重复频率，使之有较小的固定频差，使两台飞秒激光器的脉冲之间产生周期性呈线性增长的相位延迟，实现了一个脉冲对另一个脉冲的毫秒级快速扫描. 结果表明，该系统对太赫兹脉冲的扫描时间缩短为2 ms，实际采样频率可达到1 GHz. 有效解决了以往太赫兹光谱检测速度慢、便携性差等问题，从而进一步拓展了太赫兹光谱测量的应用范围.

异步光学采样；太赫兹时域光谱；光纤

太赫兹波一般是指频率在0.1～10 THz的电磁波，它处于电磁波谱中微波和红外之间的特殊位置，具有透视性、安全性等独特的性质，绝大多数生物大分子的振动能级都处于这一谱段[1-4]，因此具有重要的学术价值和应用前景. 太赫兹时域光谱技术能够同时得到太赫兹波的振幅和相位信息，对材料的谱分析相对于其他技术有着独特的优势，因此在生物学、材料学、医学、军事以及物理化学等许多领域展现出巨大的应用潜力[5-7].

作为一种新兴的光谱分析检测手段，未来将在基础科学研究中发挥越来越重要的作用. 然而，目前普遍应用的传统THz-TDS系统通过机械延迟平台的机械步进实现探测部分对太赫兹脉冲等间隔的逐点采样扫描，机械电机每步进一次只完成对一个太赫兹脉冲中的一个点的采样，这样要得到全部太赫兹脉冲，就需要电机步进上万次，耗时几分钟到十几分钟. 所以，基于机械步进延迟装置的THz-TDS系统有其局限性-无法快速探测太赫兹脉冲. 而研究物质瞬态变化等物理过程时就必须依靠对超快脉冲的瞬态特性的检测而实现的，所以提高脉冲的检测速度成唯一的解决途径. 而利用光学异步采样技术完成对太赫兹脉冲的快速检测可以很好解决上述问题. 不仅如此，此技术还可以实现高时间分辨率及高频率分辨率. 因此，本文提出了一种全光纤耦合异步光学扫描THz-TDS系统.

1 异步光学采样技术

如图1所示，传统的基于机械延迟平台的太赫兹时域光谱系统，泵浦光与探测光是由一台飞秒激光器通过分光的方式获得，其中探测路中增加了机械延迟平台，用来调节泵浦THz脉冲与探测光到达探测器的在时间上的相互位置关系，当延迟平台依次向前步进时探测光就完成了对整个THz脉冲的扫描，从而绘制出整个THz脉冲的时域谱. 延迟平台上万次的步进扫描来获取一个THz脉冲的工作方式使其对太赫兹脉冲的获取速度受到了很大的限制，显然无法满足某些快速实时测量场合的要求，因此如何缩短扫描时间成为问题的关键.

异步光学采样技术的使用可以很好的突破这一局限[8]. 异步光学采样技术最初在1987年提出，这是一项能够不依赖机械延迟线来实现超快时域光谱的技术. 如图2所示，与传统系统相比，此系统相当于把由机械延迟装置控制探测脉冲与泵浦脉冲之间的延迟时间替换成了通过电子方式控制两脉冲的延迟时间，在光学采样技术中两脉冲的延迟通过控制两台飞秒激光器的重复频率获得. 由于采用电子方式扫描，因此扫谱时间快、测量精度高，能够实现飞秒量级的时间间隔，扫描频率可以达到kHz.

具体原理如下所述，系统采用两台锁模激光器，一台作为泵浦光，另一台为探测光，两束激光脉冲的重复频率有一个固定的差值，每个脉冲之间的相对时间延迟从0到泵浦脉冲重复频率的倒数呈线性增长，即假设在某个脉冲时THz脉冲和探测光的脉冲在时间上重合，由于二者的重复频率不同，则在下一脉冲时两个脉冲之间有个时间差，以后的每个脉冲都依次增加一个时间差，直到二者再次重合为止，从而实现探测光对一个太赫兹脉冲的取样测量，如图3所示.

图3中依次为泵浦光、探测光和采样得到的电场强度在同一尺度时间上的相互关系. 比较形象地描述了探测光对泵浦光的扫描探测. 由图3可以得出，完成一次脉冲扫描的时间内，探测光脉冲与泵浦光脉冲总数相差为1. 因此，可以假设采样出来的信号的采样点数为n，THz脉冲重复频率为fr+Δf，探测脉冲的重复频率fr则它们之间的关系为[8]

(1)

从而，探测完一个完整太赫兹脉冲的时间为

(2)

探测脉冲和泵浦脉冲的单位时间差

(3)

采样点个数

(4)

采集单个太赫兹脉冲对应的时间窗口为

(5)

从以上公式可以得出如下两点：采集单个脉冲所用时间只与两台激光器的重复频率之差有关；系统的理论频谱分辨率等于激光器的重复频率. 根据以上公式可以对后续构建的异步光学采样系统提供设计理论指导.

2 异步光学采样系统的总体设计

如图4所示，系统总体分为3个部分，分别为异步锁相激光器系统、太赫兹脉冲泵浦与探测系统以及信号采集系统. 本文搭建的是全光纤耦合系统，为了便于描述，图4中对整个系统的描述是基于激光光纤在自由空间的传输为例来进行描述的.

异步锁相激光器系统包含两台光纤飞秒激光器，一个控制板，两个光电二极管(PD1和PD2)和温控系统(图中未标示). 如前所述，两台飞秒激光器产生两光束，一束激发光电导天线产生太赫兹脉冲，另一束用光电导天线来对太赫兹脉冲进行探测，需要特别注意，两束光的布局尽量对称排布，保证各光程大体相等，以使两光束的光脉冲能到各探测器的时间大体一致，以便于对系统进行微调就可以达到工作要求. 控制板主要完成如下几个功能：与上位机进行通信；与温控系统通信；以及对两激光机进行锁频控制，以使两激光器的输出脉冲频率保持在恒定的频差. 两光电二极管探测两束光脉冲的重复频率并送入控制板. 通过此两光电二极管探测器感知脉冲频率的偏差从而完成对两激光器输出频率的反馈控制，从而使两输出脉冲频率稳定在一个恒定值Δf. 最后，整个模块在一个恒温系统中，以保证两激光器不至于出现较大温差而使其稳定工作的条件超出自调整的范围.

太赫兹泵浦与探测系统包括太赫兹泵浦、太赫兹传输以及太赫兹探测3个部分. 本文所描述的是全光纤系统，因此从飞秒光纤激光器输出到太赫兹泵浦以及太赫兹探测全是通过光纤耦合的，而目前能实现全光纤耦合的太赫兹产生及探测的方式就只有光电导天线(如图5所示)是比较容易实现且有成熟的产品，综合上述考虑，再结合实际本系统决定选用的是光纤耦合太赫兹光电导天线来完成太赫兹的产生和探测的，从两光纤飞秒激光器输出的激光脉冲通过FC/PC光纤接口连接发射及探测器，SMA接口则是用来施加偏置电压或测量太赫兹脉冲的接口.

最后一部分为数据采集及处理部分，有PD3(双光子吸收探测器)产生触发信号触发采集板采集一次太赫兹脉冲数据，如图3所示，由于两飞秒激光脉冲有较小的固定频率差，从而使两脉冲从相位差为0开始依次两个脉冲之间相位就会前移一段，随着时间推移，两者之间的相位前移一个周期后，前一脉冲与当前脉冲相位重合，这就会是PD3产生触发，每一次触发就会结束前一采集，触并发采集下一个完整的太赫兹脉冲信号.

3 实验及结果

由于市场上的绝大多数光纤飞秒激光器不仅价格昂贵，而且还不太允许改装和定制. 而实验使用的两台光纤飞秒激光器属于产品样机，其模块化的设计使其比较适于拆卸和改装，为其改装提供了许多便利.

本文所用两台光纤飞秒激光器的主要参数如下：波长780 nm，脉冲宽度100 fs，脉冲重复频率100 MHz左右，输出功率50 mW. 其中的脉冲重复是利用压电陶瓷的伸缩来调节内部光纤谐振长度，从而完成对其的微调. 压电陶瓷的伸缩量是由控制板控制压电陶瓷驱动器来实现的.

综合各种现有方案[9-10]，作为核心的控制板的设计方案确定如图5所示，把对两激光器的控制分为主从模式，其中主激光器有外置时钟通过锁相环(PLL1)锁定其频率，而辅激光通过DDS(直接数字频率合成器)与PLL2始终保持与主激光器相差一定的频率，频率的差值是通过DDS实现的. 由于外部时钟的存在使系统可以长时间稳定在特定的频率下，避免了激光器重复频率发生不可预知的较大偏移，这样的配置模式会使整个系统的稳定性能大大提升.

如图6所示为整个电路控制系统实施方案图，方案中控制芯片为FPGA两个锁相环PLL同时对两路Laser锁相，并且由恒温晶振给出时钟. 直接数字频率合成(DDS)，可产生频偏，频率调谐分辨率为100 MHz，FPGA芯片对PLL和DDS进行设置和控制，并且完成与外接电脑通信.

最后设定Δf=500 Hz，通过14位高速数据采集板完成了首个THz时域谱的获取. 由式(2)得出采集一次完整太赫兹脉冲的时间为2 ms，由式(3)得到采样时间间隔为50 fs，由式(5)得出的频谱的分辨率为0.1 GHz. 通过示波器对触发信号线进行测量(需要对Δf进行微调)得到其周期为2 ms的脉冲信号，此为双光子吸收探测器产生触发信号. 此信号表明控制板可以有效完成对两激光的重复频差的控制，通过频谱分析仪对主激光器脉冲信号进行频谱分析可以看到100 MHz左右的频率及相应谐波分量，且此频率可以在很长时间保持稳定，证明了外置时钟对主激光器的锁定有效，到达方案设计目的.

图7(a)是采集到的典型的太赫兹脉冲时域谱，图7(b)是傅里叶变换后的频谱图，从图7(a)(b)可以得出采样间隔为50 fs，显示的频谱分辨率约为0.1 GHz，频谱宽度约为0.7 THz. 由于两激光器脉冲存在抖动使得对信号的采样率降低，也就意味着实际的采样间隔应该大于50 fs，使得实际采样率比理论偏低，后续的工作将主要解决激光脉冲抖动的问题，相信系统的频谱宽度将会得到大幅提升.

4 结 论

本文提出并搭建了国内首个全光纤耦合异步光学采样THz-TDS的演示系统，并最终得到了该系统的太赫兹时域谱. 该系统可以实现每秒上百次的图谱采集速度，将在研究物质瞬态变化等物理过程等方面发挥重要作用. 由于没有机械运动部件，系统的可靠性、小型化可以得到大幅提升，以适用更为广泛的应用场合. 相信这种全光纤耦合异步光学扫描THz-TDS系统有完全取代传统的THz-TDS系统的潜力.

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(责任编辑：李兵)

Fiber-Coupled Asynchronous Optical Sampling THz-TDS System

DUAN Guo-teng1， LI Lin1， CUI Hai-lin2， ZHANG Cun-lin2

(1.School of Optoelectronics， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Department of Physics， Capital Normal University， Beijing 100048， China)

Conventional THz-TDS systems employ a stepped delay line for their optical delay line scan and utilize lock-in amplifier for acquisition of THz signal. In this approach, the speed of THz signal sampling is too slow to be introduced into some applications which require a high-speed performance. A terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) based on fiber-coupled high-speed asynchronous optical sampling was proposed. An electronic system was used which included phase-locked loop (PLL) and the direct frequency synthesizer (DDS)to fix the frequency difference between the two femtosecond laser repetitions to achieve periodic liner increasing of phase delay and millisecond fast scan of the terahertz pulse. The results show that the system can shorten the scanning time of terahertz pulse to 2 ms, and the actual sampling frequency can reach 1 GHz. It effectively solves the problems of slow detection speed and poor portability in the past, and further expands the application range of terahertz spectrum measurement.

asynchronous optical sampling； THz-TDS； fiber

2014-11-01

段国腾(1984—)，男，博士生，E-mail:duanguoteng@163.com.

李林(1957—)，男，教授，博士生导师，E-mail：li_lin@263.net.

O 433.1

A

1001-0645(2016)02-0170-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.02.012