一种高分辨率太赫兹频域扫描系统和方法与流程

1.本发明涉及太赫兹频域光谱技术领域，尤其涉及一种高分辨率太赫兹频域扫描系统和方法。

背景技术：

2.太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一，可分为频域光谱与时域光谱两种。其中太赫兹频域光谱技术的核心是利用频率可调谐的窄带太赫兹源完成频谱的扫描，用太赫兹波能量或功率计测量不同频率太赫兹波的能量或功率，直接获得样品在频域上的信息，进而计算获得相关的光学参数。
3.基于光外差拍频的太赫兹源，频率可调节范围大，易于生成高频太赫兹信号。单行载流子光电探测器(utc-pd)使用电子作为唯一有效载流子，响应速度快、饱和电流高，被广泛用作光混频器产生太赫兹波。目前，基于utc-pd太赫兹源的太赫兹频域光谱技术比较常见的为双光源系统方案；
4.双光源系统方案具有系统结构精简、频率扫描操作简便等优势，但因拍频的两束光分别由两个激光器产生，其瞬时频率与相位均随机抖动，故基于utc-pd拍频产生的太赫兹波也较为不稳定，其频率会产生一定范围的抖动，难以满足高级别的频谱分辨率的太赫兹频域扫描需求。

技术实现要素：

5.鉴于此，本发明的实施例提供了一种高分辨率太赫兹频域扫描系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
6.本发明的一个方面提供了一种高分辨率太赫兹频域扫描系统，所述系统包括顺序连接的光学频率梳发生器、可编程光滤波器、光混频器和太赫兹探测器；
7.所述光学频率梳发生器用于发出等频率间距的多个光信号，所述可编程光滤波器基于自身当前的阶数差和光学频率梳发生器的频率间距进行滤波，滤波得到两个光信号，所述光混频器对两个光信号进行拍频，输出频率为两个光信号之间的频率差的太赫兹波，所述太赫兹探测器接收完成扫描的太赫兹波，得到对应太赫兹波频率的功率值；
8.所述系统还包括控制器，所述控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接；
9.所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编程光滤波器的阶数差；所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距；所述控制器与太赫兹探测器相连接用于接收对应太赫兹波频率的功率值。
10.采用上述方案，一方面，本发明采用光学频率梳发生器作为单光源，当光混频器拍频时能够防止瞬时频率与相位的随机抖动，保证输出的太赫兹波的稳定性，能够满足高级别的频谱分辨率的太赫兹频域扫描需求；另一方面，本发明采用所述控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接，所述控制器能够根据需要输出的太
赫兹波的频率，实时对光学频率梳发生器的频率间距和可编程光滤波器的阶数差进行调整，在大范围且快速的扫描任务中，在能够保证频率间距和阶数差的快速同步变化，保证扫描精确度，提高扫描效率。
11.在本发明的一些实施方式中，所述系统还包括光放大器，所述光放大器设置于可编程光滤波器和光混频器之间，所述光放大器的输入端与可编程光滤波器的输出端相连接，所述光放大器的输出端与光混频器的输入端相连接。
12.在本发明的一些实施方式中，所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编程光滤波器的阶数差，所述控制器控制可编程光滤波器的阶数差的步骤包括：
13.所述控制器预设有太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间划分为多个子区间；
14.获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；
15.根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数。
16.在本发明的一些实施方式中，基于如下公式，根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数：
17.可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值。
18.在本发明的一些实施方式中，所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距，所述控制器控制光学频率梳发生器的频率间距的步骤包括：
19.获取当前所要发出的太赫兹波频率，确定太赫兹波频率所处的子区间；
20.根据太赫兹波频率所处的子区间确定可编程光滤波器阶数差；
21.基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距。
22.在本发明的一些实施方式中，基于如下公式，基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距：
23.光学频率梳发生器发出的频率间距＝当前所要发出的太赫兹波频率/光滤波器阶数差。
24.在本发明的一些实施方式中，所述控制器记录每次输出的太赫兹波的频率，并记录对应太赫兹波频率的太赫兹探测器的功率值，
25.当完成太赫兹波频率的全部扫描区间的扫描时，根据太赫兹波的频率和对应的功率值得到扫描图谱。
26.在本发明的一些实施方式中，所述光学频率梳发生器包括顺序连接的激光器、电光强度调制器、偏振控制器、光放大器和至少一个电光相位调制器；
27.所述电光强度调制器和每个电光相位调制器均连接有射频功率放大器，连接于电光相位调制器的射频功率放大器还连接有移相器；
28.所述光学频率梳发生器还包括射频微波源，所述射频微波源与连接于电光强度调制器的射频功率放大器相连接，所述射频微波源与移相器相连接。
29.在本发明的一些实施方式中，所述射频微波源通过一分多的功分器，同时与强度调制器的射频功率放大器和移相器相连接。
30.在本发明的一些实施方式中，所述电光相位调制器设置为4个，4个电光相位调制器顺序连接，由最后一个电光相位调制器输出等频率间距的多个光信号。
31.在本发明的一些实施方式中，所述光学频率梳发生器的激光器用于产生连续激光，级联电光强度调制器和电光相位调制器用于产生等频率间距的多个光信号，偏振控制器用于调整光的偏振态，光放大器用于放大光功率，所述射频微波源发出电信号驱动电光相位调制器和电光强度调制器，射频功率放大器用于放大电光相位调制器的输入功率，移相器用于对电光相位调制器进行相位匹配，使电光相位调制器相位调制的尖峰与电光强度调制器产生的脉冲峰值对齐。
32.所述光学频率梳发生器发出等频率间距的多个光信号，所述频率间距的数值即为射频微波源的输出频率。
33.本发明的另一个方面提供了一种应用上述高分辨率太赫兹频域扫描系统的高分辨率太赫兹频域扫描方法，所述方法的步骤包括：
34.在所述控制器预设太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间根据参数大小，由小到大划分为多个子区间；
35.获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；
36.根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应每个子区间的可编程光滤波器阶数差参数；
37.由最低的子区间向最高的子区间扫描，获取当前所要发出的太赫兹波频率，基于当前所要发出的太赫兹波频率和该子区间对应的阶数差参数，根据阶数差参数和当前所要发出的太赫兹波频率确定光学频率梳发生器发出的频率间距，记录当前太赫兹波频率时太赫兹探测器的功率值，逐个子区间进行扫描，建立横坐标为太赫兹波频率，纵坐标为功率值的扫描图谱。
38.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。
39.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
40.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。
41.图1为本发明高分辨率太赫兹频域扫描系统一种实施方式的结构示意图；
42.图2为本发明高分辨率太赫兹频域扫描系统另一种实施方式的结构示意图；
43.图3为本发明中光学频率梳发生器一种实施方式的结构示意图；
44.图4为扫描图谱的示意图；
45.图5为光学频率梳发生器发送到可编程光滤波器的光信号的图谱示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
47.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
48.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
49.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
50.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
51.为解决以上问题，如图1所示，本发明提出一种高分辨率太赫兹频域扫描系统，所述系统包括顺序连接的光学频率梳发生器、可编程光滤波器、光混频器和太赫兹探测器；
52.在本发明的一些实施方式中，所述光混频器采用单行载流子光电二极管(utc-pd)。
53.所述光学频率梳发生器用于发出等频率间距的多个光信号，所述可编程光滤波器基于自身当前的阶数差和光学频率梳发生器的频率间距进行滤波，滤波得到两个光信号，所述光混频器对两个光信号进行拍频，输出频率为两个光信号之间的频率差的太赫兹波，所述太赫兹探测器接收完成扫描的太赫兹波，得到对应太赫兹波频率的功率值；
54.在本发明的一些实施方式中，光学频率梳发生器内部设置有射频微波源，根据射频微波源发出的信号频率调整光学频率梳发生器发出的多个光信号之间的频率间距。
55.所述系统还包括控制器，所述控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接；
56.所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编程光滤波器的阶数差；所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距；所述控制器与太赫兹探测器相连接用于接收对应太赫兹波频率的功率值。
57.在本发明的一些实施方式中，所述控制器内置有labview程序，基于labview程序完成对光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器的控制，所述控制器可以是计算机等具有计算和存储能力的处理设备。
58.采用上述方案，一方面，本发明采用光学频率梳发生器作为单光源，当光混频器拍频时能够防止瞬时频率与相位的随机抖动，保证输出的太赫兹波的稳定性，能够满足高级别的频谱分辨率的太赫兹频域扫描需求；另一方面，本发明采用所述控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接，所述控制器能够根据需要输出的太赫兹波的频率，实时对光学频率梳发生器的频率间距和可编程光滤波器的阶数差进行调整，在大范围且快速的扫描任务中，在能够保证频率间距和阶数差的快速同步变化，保证扫描精确度，提高扫描效率。
59.如图2所示，在本发明的一些实施方式中，所述系统还包括光放大器，所述光放大器设置于可编程光滤波器和光混频器之间，所述光放大器的输入端与可编程光滤波器的输出端相连接，所述光放大器的输出端与光混频器的输入端相连接。
60.在本发明的一些实施方式中，所述光放大器采用掺铒光纤放大器(edfa)。
61.在本发明的一些实施方式中，所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编
程光滤波器的阶数差，所述控制器控制可编程光滤波器的阶数差的步骤包括：
62.所述控制器预设有太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间划分为多个子区间；
63.获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；
64.根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数。
65.在本发明的一些实施方式中，基于如下公式，根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数：
66.可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值。
67.在本发明的一些实施方式中，所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距，所述控制器控制光学频率梳发生器的频率间距的步骤包括：
68.获取当前所要发出的太赫兹波频率，确定太赫兹波频率所处的子区间；
69.根据太赫兹波频率所处的子区间确定可编程光滤波器阶数差；
70.基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距。
71.基于如下公式，基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距：
72.光学频率梳发生器发出的频率间距＝当前所要发出的太赫兹波频率/光滤波器阶数差。
73.在本发明的一些实施方式中，所述控制器记录每次输出的太赫兹波的频率，并记录对应太赫兹波频率的太赫兹探测器的功率值，
74.当完成太赫兹波频率的全部扫描区间的扫描时，根据太赫兹波的频率和对应的功率值得到扫描图谱。
75.所述太赫兹波频率的扫描区间可以为0.1-1.5thz或0.1-1thz等，优选为0.1-1.5thz，范围更大，结果更加精准。
76.在本发明的一些实施方式中，当扫描区间为0.1-1.5thz时，扫描区间划分的子区间个数可以为12个；
77.12个子区间分别为100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz。
78.若获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值为30ghz，则当扫描子区间100-120ghz时，根据公式：可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值，可知可编程光滤波器阶数差参数＝120g/30g＝4，则子区间100-120ghz对应的可编程光滤波器阶数差参数为4；当扫描子区间120-180ghz时，根据公式：可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值，可知可编程光滤波器阶数差参数＝180g/30g＝6，则子区间100-120ghz对应的可编程光滤波器阶数差参数为6；根据上述方法可分别计算出子区间100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz对应的可编程光滤波器阶数差参数分别为4、6、8、10、12、16、20、24、30、36、40、50。
79.在本发明的一些实施方式中，当逐个子区间进行扫描时，由最低的子区间向最高
的子区间扫描，即扫描顺序为100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz，当需要发出100ghz的太赫兹波时，获取100-120ghz对应的可编程光滤波器阶数差参数4，则根据公式：光学频率梳发生器发出的频率间距＝当前所要发出的太赫兹波频率/光滤波器阶数差，可知光学频率梳发生器发出的频率间距＝100ghz/4＝25ghz，则当扫描子区间100-120ghz时，频率间距的值由25ghz增大至30ghz；同理，当扫描子区间120-180ghz时，可编程光滤波器阶数差参数4，频率间距的值由20ghz增大至30ghz；当扫描子区间120-180ghz时，可编程光滤波器阶数差参数6，频率间距的值由20ghz增大至30ghz。
80.得到如下表格，表中微波源频率即为频率间距的值：
[0081][0082][0083]
在本发明的一些实施方式中，本方案能够完成1mhz频率分辨率的0.1-1.5thz的频率扫描，当可编程光滤波器阶数差参数4时，射频微波源以1mhz/4＝0.25mhz的频率分辨率从25ghz扫描到30ghz；当可编程光滤波器阶数差参数6时，射频微波源以1mhz/6＝0.17mhz的频率分辨率从20ghz扫描到30ghz。
[0084]
现有技术同样包括一种单光源系统方案，其优势在于产生的太赫兹波非常稳定且线宽可达hz量级，其频率分辨率相较于双光源系统方案也具有一定优势，可达1mhz，但其实现优良的频率分辨率关键在于光学频率梳与光滤波器之间的精细联动，由于其系统较为复杂，故控制二者之间的精细联动也难度较高。目前所报告的基于光学频率梳、光滤波器和utc-pd的太赫兹源的太赫兹频域扫描技术，虽然能在较宽的频率范围内进行频率扫描，但是频率分辨率普遍不高，其中一个原因就是系统各模块之间是通过人为的调控，缺乏有效的精细联动，从而没有充分发挥各个模块的性能。
[0085]
因此，现有技术实际上缺乏一种有效的光学频率梳与光滤波器联动方法，本方案通过控制器提供的控制方法，根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区
间的可编程光滤波器阶数差参数，基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距，进而实现光学频率梳与光滤波器的精细联动，提高扫描精度，且能够同步控制保证时效性，且本发明使用labview编写应用程序对系统各个模块进行控制，通过编程控制优化系统各模块间的精细联动，充分发挥各个模块的性能，提高单光源太赫兹频域扫描系统的稳定性、频率分辨率以及提供更为简单快捷的操作方式。
[0086]
如图3所示，在本发明的一些实施方式中，所述光学频率梳发生器包括顺序连接的激光器、电光强度调制器(im)、偏振控制器(pc)、光放大器和至少一个电光相位调制器(pm)；
[0087]
所述电光强度调制器和每个电光相位调制器均连接有射频功率放大器(pa)，连接于电光相位调制器的射频功率放大器还连接有移相器(ps)；
[0088]
所述光学频率梳发生器还包括射频微波源(rf)，所述射频微波源与连接于电光强度调制器的射频功率放大器相连接，所述射频微波源与移相器相连接。
[0089]
在本发明的一些实施方式中，所述射频微波源通过一分多的功分器，同时与强度调制器的射频功率放大器和移相器相连接。
[0090]
在本发明的一些实施方式中，所述激光器为连续激光器(cw laser)，所述光放大器为掺饵光纤放大器(edfa)
[0091]
在本发明的一些实施方式中，所述电光相位调制器设置为4个，4个电光相位调制器顺序连接，由最后一个电光相位调制器输出等频率间距的多个光信号，此处4个电光相位调制器的实施方式仅为实施方式的一种，本方案也可以采用1、2、3、5或更多的电光相位调制器。
[0092]
在本发明的一些实施方式中，所述光学频率梳发生器的激光器用于产生连续激光，级联电光强度调制器和电光相位调制器用于产生等频率间距的多个光信号，偏振控制器用于调整光的偏振态，光放大器用于放大光功率，所述射频微波源发出电信号驱动电光相位调制器和电光强度调制器，射频功率放大器用于放大电光相位调制器的输入功率，移相器用于对电光相位调制器进行相位匹配，使电光相位调制器相位调制的尖峰与电光强度调制器产生的脉冲峰值对齐。
[0093]
所述光学频率梳发生器发出等频率间距的多个光信号，所述频率间距的数值即为射频微波源的输出频率。
[0094]
本发明的另一个方面提供了一种应用上述高分辨率太赫兹频域扫描系统的高分辨率太赫兹频域扫描方法，所述方法的步骤包括：
[0095]
在所述控制器预设太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间根据参数大小，由小到大划分为多个子区间；
[0096]
获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；
[0097]
根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应每个子区间的可编程光滤波器阶数差参数；
[0098]
由最低的子区间向最高的子区间扫描，获取当前所要发出的太赫兹波频率，基于当前所要发出的太赫兹波频率和该子区间对应的阶数差参数，根据阶数差参数和当前所要发出的太赫兹波频率确定光学频率梳发生器发出的频率间距，记录当前太赫兹波频率时太
赫兹探测器的功率值，逐个子区间进行扫描，建立横坐标为太赫兹波频率，纵坐标为功率值的扫描图谱。
[0099]
在本发明的一些实施方式中，当扫描区间为0.1-1.5thz时，扫描区间划分的子区间个数可以为12个；
[0100]
12个子区间分别为100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz；
[0101]
逐个子区间进行扫描时，由最低的子区间向最高的子区间扫描，即扫描顺序为100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz；
[0102]
根据公式：可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值，计算出子区间100-120ghz、120-180ghz、180-240ghz、240-300ghz、300-360ghz、360-480ghz、480-600ghz、600-720ghz、720-900ghz、900-1080ghz、1080-1200ghz、1200-1500ghz对应的可编程光滤波器阶数差参数分别为4、6、8、10、12、16、20、24、30、36、40、50；
[0103]
光学频率梳发生器发送到可编程光滤波器的光信号的图谱如图5所示。
[0104]
再根据公式：光学频率梳发生器发出的频率间距＝当前所要发出的太赫兹波频率/光滤波器阶数差，可知光学频率梳发生器发出的频率间距＝100ghz/4＝25ghz，则当扫描子区间100-120ghz时，可编程光滤波器阶数差参数4，频率间距的值由25ghz增大至30ghz；同理，当扫描子区间120-180ghz时，可编程光滤波器阶数差参数6，频率间距的值由20ghz增大至30ghz；按照上述步骤完成所有子区间的扫描，并记录每个太赫兹波频率时，太赫兹探测器的功率值，逐个子区间进行扫描，建立横坐标为太赫兹波频率，纵坐标为功率值的扫描图谱，可以为如图4所示的图谱。
[0105]
本方案基于光学频率梳发生器、可编程光滤波器、掺铒光纤放大器(edfa)、单行载流子光电二极管(utc-pd)、太赫兹波探测器的太赫兹频域扫描系统。在此太赫兹频域扫描系统中，通过labview编程联合控制光学频率梳发生器与可编程光滤波器可产生频率差可调谐的两束相干光，两束频率不同的相干光经过单行载流子光电二极管(utc-pd)拍频，产生频率可调谐的太赫兹波，扫描样品后由太赫兹波探测器接收，将接收到的信号进行计算获得相关频谱。
[0106]
光学频率梳发生器：应用于utc-pd拍频产生连续可调的太赫兹波需要两束高相干度、频率差可调谐的激光作为utc-pd输入，故需要产生具有高相干度、稳定性良好、高平坦度、高重复率、频率梳间隔可调谐和带宽高达1.5thz的光学频率梳，拟采用级联电光调制器的方式产生的具有上述特性的光学频率梳，即eo-ofc(电光调制器产生的光学频率梳)，其梳齿间隔(f
comb
)即频率间隔，完全由射频微波源频率决定，故可轻松实现1mhz级别的频率调谐分辨率。
[0107]
光学频率梳发生器：激光器产生连续激光，通过级联电光强度调制器(im)和三个电光相位调制器(pm)从而产生上述特性的光学频率梳，其中偏振控制器(pc)用以调整激光的偏振态，掺铒光纤放大器(edfa)对激光进行一定的功率放大以补偿每个电光调制器的插入损耗。电光调制器由同一个频率可调谐的射频微波源驱动，射频微波源经一分四的功分器分为四路分别驱动四个电光调制器。为了使调制产生更多的光频梳梳齿数目，对每一个
电光调制器的射频输入均使用了射频功率放大器(pa)进行功率放大，为了使相位调制的尖峰与强度调制器(im)产生的脉冲峰值对齐，使用移相器对每个电光相位调制器进行相位匹配，从而获得更为平坦的光学频率梳。电光强度调制器由频率为30ghz的射频信号驱动，生成的光频梳有50多条梳齿，其频率跨度大于1.5thz。
[0108]
可编程光滤波器：在单光源太赫兹频域扫描系统中，可编程光滤波器的作用是从光频率梳发生器产生的光学频率梳中滤出阶数不同(阶数差为n)的两束光，即为频率不同的两束相干光，再将这两束光经掺铒光纤放大器(edfa)进行功率放大后送入utc-pd进行拍频产生太赫兹波，其频率为两束光的频率差。
[0109]
utc-pd：在系统中作为混频器，将可编程光滤波器滤出的两束光进行拍频生成太赫兹波，并通过集成在一起的天线和透镜将太赫兹波辐射到待扫描的样品。辐射出来的太赫兹波其频率为f
out
＝n
×fcomb
，其中n为可编程光滤波器选取两束频率不同的光的阶数差，f
comb
为光学频率梳的梳齿间隔，即为射频微波源的频率。基于labview对射频微波源和可编程光滤波器进行编程控制，控制其精细联动，即射频微波源频率f
comb
以合适的调谐分辩率进行调谐，可编程光滤波器选取合适的两束光的阶数差n，便可使utc-pd的输出的太赫兹波f
out
实现1mhz频率分辨率，进而实现1mhz级别的太赫兹频域扫描。
[0110]
太赫兹探测器：太赫兹探测器在系统中作为太赫兹波的功率探测器，其作用为测量太赫兹波对样品扫描后的功率，利用labview对其测量的功率与太赫兹波的频率(f
out
)一一对应便可绘制出太赫兹波段的频率—功率曲线，即为该样品的太赫兹频域吸收谱。
[0111]
本发明基于光学频率梳发生器、可编程光滤波器、掺铒光纤放大器(edfa)、单行载流子光电二极管(utc-pd)、太赫兹波探测器等，并使用labview对系统各个模块进行编程控制，实现各模块间的精细联动，充分发挥各模块的性能。相比于已有的基于光混频器的太赫兹频域扫描系统，本发明的优点在于，使用具有超宽带的光学频率梳获取用于光混频器的高相干度且频率差可以1mhz调谐的两束光，基于labview优化各个模块间的精细联动，在0.1-1.5thz范围内实现1mhz的分辨率的太赫兹频率扫描，具有超宽带、高稳定性、高频率分布率等特点。
[0112]
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
[0113]
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，做出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0114]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他
实施方式的特征。
[0115]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述系统包括顺序连接的光学频率梳发生器、可编程光滤波器、光混频器和太赫兹探测器；所述光学频率梳发生器用于发出等频率间距的多个光信号，所述可编程光滤波器基于自身当前的阶数差和光学频率梳发生器的频率间距进行滤波，滤波得到两个光信号，所述光混频器对两个光信号进行拍频，输出频率为两个光信号之间的频率差的太赫兹波，所述太赫兹探测器接收完成扫描的太赫兹波，得到对应太赫兹波频率的功率值；所述系统还包括控制器，所述控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接；所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编程光滤波器的阶数差；所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距；所述控制器与太赫兹探测器相连接用于接收对应太赫兹波频率的功率值。2.根据权利要求1所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述系统还包括光放大器，所述光放大器设置于可编程光滤波器和光混频器之间，所述光放大器的输入端与可编程光滤波器的输出端相连接，所述光放大器的输出端与光混频器的输入端相连接。3.根据权利要求1或2所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述控制器与可编程光滤波器相连接用于控制可编程光滤波器的阶数差，所述控制器控制可编程光滤波器的阶数差的步骤包括：所述控制器预设有太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间划分为多个子区间；获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数。4.根据权利要求3所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述控制器与光学频率梳发生器相连接用于控制光学频率梳发生器的频率间距，所述控制器控制光学频率梳发生器的频率间距的步骤包括：获取当前所要发出的太赫兹波频率，确定太赫兹波频率所处的子区间；根据太赫兹波频率所处的子区间确定可编程光滤波器阶数差；基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距。5.根据权利要求1所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述控制器记录每次输出的太赫兹波的频率，并记录对应太赫兹波频率的太赫兹探测器的功率值，当完成太赫兹波频率的全部扫描区间的扫描时，根据太赫兹波的频率和对应的功率值得到扫描图谱。6.根据权利要求3所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，基于如下公式，根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应子区间的可编程光滤波器阶数差参数：可编程光滤波器阶数差参数＝子区间的上限值/频率间距的最大值。7.根据权利要求4所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，基于如下公式，基于可编程光滤波器阶数差和当前所要发出的太赫兹波频率，确定光学频率梳发生器发出的频率间距：
光学频率梳发生器发出的频率间距＝当前所要发出的太赫兹波频率/光滤波器阶数差。8.根据权利要求1所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述光学频率梳发生器包括顺序连接的激光器、强度调制器、偏振控制器、光放大器和至少一个电光相位调制器；所述强度调制器和每个电光相位调制器均连接有射频功率放大器，连接于电光相位调制器的射频功率放大器还连接有移相器；所述光学频率梳发生器还包括射频微波源，所述射频微波源与连接于强度调制器的射频功率放大器相连接，所述射频微波源与移相器相连接。9.根据权利要求1所述的高分辨率太赫兹频域扫描系统，其特征在于，所述光学频率梳发生器的激光器用于产生连续激光，级联电光强度调制器和电光相位调制器用于产生等频率间距的多个光信号，偏振控制器用于调整光的偏振态，光放大器用于放大光功率，所述射频微波源发出电信号驱动电光相位调制器和电光强度调制器，射频功率放大器用于放大电光相位调制器的输入功率，移相器用于对电光相位调制器进行相位匹配，使电光相位调制器相位调制的尖峰与电光强度调制器产生的脉冲峰值对齐。10.一种应用如权利要求1-9任一项所述系统的高分辨率太赫兹频域扫描方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：在所述控制器预设太赫兹波频率的扫描区间，将扫描区间根据参数大小，由小到大划分为多个子区间；获取光学频率梳发生器所能发出频率间距的最大值；根据每个子区间的上限值和频率间距的最大值确定对应每个子区间的可编程光滤波器阶数差参数；由最低的子区间向最高的子区间扫描，获取当前所要发出的太赫兹波频率，基于当前所要发出的太赫兹波频率和该子区间对应的阶数差参数，根据阶数差参数和当前所要发出的太赫兹波频率确定光学频率梳发生器发出的频率间距，记录当前太赫兹波频率时太赫兹探测器的功率值，逐个子区间进行扫描，建立横坐标为太赫兹波频率，纵坐标为功率值的扫描图谱。

技术总结

本发明提供一种高分辨率太赫兹频域扫描系统和方法，所述系统包括顺序连接的光学频率梳发生器、可编程光滤波器、光混频器和太赫兹探测器；所述光学频率梳发生器发出等频率间距的多个光信号，可编程光滤波器基于自身当前的阶数差和光学频率梳发生器的频率间距进行滤波，滤波得到两个光信号，光混频器对两个光信号进行拍频，输出太赫兹波，太赫兹探测器接收完成扫描的太赫兹波，得到对应太赫兹波频率的功率值；系统还包括控制器，控制器分别与光学频率梳发生器、可编程光滤波器和太赫兹探测器相连接；所述控制器与可编程光滤波器、光学频率梳发生器和太赫兹探测器相连接，控制阶数差、频率间距，并接收功率值。并接收功率值。并接收功率值。