光纤式太赫兹时域光谱仪进展报告

光纤式太赫兹时域光谱仪研发进展报告

概述：

为了在不打开包装的情况下，对信函式小包裹中违禁品进行鉴定，本项目拟开发一款光纤式太赫兹时域光谱仪。在太赫兹时域光谱系统中，色散补偿的好坏对频谱的分辨率有较大的影响。本期的主要工作就是完成了对系统的色散补偿，通过引入一定长度的色散补偿光纤，使飞秒脉冲在到达光电导天线时依然有较短的脉宽。测试结果表明，在光电导天线前，泵浦光和探测光的脉宽分别为97 fs 和187 fs，可以满足需要。

原理：

光纤式太赫兹时域光谱仪的简单原理如图所示：光纤飞秒激光器输出的飞秒脉冲首先经过一段色散补偿光纤，该光纤可以有效的引入一定量的负啁啾，当该段光纤长短合适时，此段光纤引入的负啁啾可以正好和激光脉冲在保偏单模光纤中传播时引入的正色散相抵消。随后飞秒脉冲经过一个隔离器（隔离器只允许激光正向传输，可以防止反向传输的激光对激光器造成损伤）后，被50:50光纤分束器分成两束：太赫兹泵浦光和太赫兹探测光。其中太赫兹泵浦光首先被99:1光纤分束器分成两束，其中功率较小的一路用于功率检测，较强的一路通过光纤延迟线后传入光电导天线，产生频谱在太赫兹波段的光波，该光波经一组透镜聚焦到待测样品上，并和待测样品相互作用后被另一组透镜聚焦到接收光电导天线中；其中太赫兹探测光同样被99:1光纤分束器分成两束，其中功率较小的一路用于功率检测，较强的一路和从样品透射后载有样品信息的太赫兹电磁脉冲共线经过探测器，然后经过锁相放大器放大后输入计算机进行处理。在信号探测过程中通过控制光纤延迟线来调整太赫兹脉冲与探测光之间的相对光程差，通过逐点扫描得到太赫兹脉冲的整个时域波形，并通过傅里叶变换得到待测样品在太赫兹波段的吸收光谱。

阶段性成果：

在太赫兹时域光谱系统中，色散补偿的好坏对频谱的分辨率有较大的影响。本期的主要工作就是对系统的色散进行补偿。色散补偿的方式主要有两种：1、在自由空间中，引入光栅对或棱镜对；2、在光路中焊接一段色散补偿光纤。第一种方案的优点是系统的色散量连续可调，但是会降低系统的稳定性。第二种方案的优点是系统稳定性高，缺点是色散补偿光纤的长度需要预先计算，焊接后色散补偿的程度不能调节。本项目考虑到未来实际应用的场景，为了增加系统的稳定性，决定采取第二种方案。项目的执行情况如下图所示：太赫兹时域光谱仪的主要器件均通过光纤焊接相连，并完成了对系统的色散补偿。从图中可以看到激光器输出的脉冲的宽度为83 fs，色散补偿后，太赫兹泵浦光的脉宽为97 fs，太赫兹探测光的脉宽为187 fs，两束光的能量分别为4 mW，3.5 mW，基本可以满足需要。