光纤型变角度太赫兹时域光谱测量系统研究

李 正，孙 青，冯美琦，尚 亮，邓玉强，李超辰

1. 曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜 273165 2. 中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所，北京 100029

引 言

太赫兹波在电磁波谱中位于红外与毫米波之间，因其独特的性质在很多领域具有重要的应用潜力。太赫兹时域光谱(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干光谱探测技术，被广泛应用于材料特性分析、爆炸物探测、医学诊断以及气体检测等众多领域[1-4]。

传统基于钛宝石飞秒激光器的THz-TDS系统已经发展的非常成熟，但是随着测量需求的多样化，传统的测量系统逐渐表现出其局限性。光纤激光技术近年来发展迅速，光纤飞秒激光器近年来已实现商用，尤其是掺铒光纤飞秒激光器，具有成本低、体积小、稳定性好等优点。将钛宝石飞秒激光器替换为光纤飞秒激光器，THz-TDS系统的成本与体积可大大降低。然而工作在800 nm波段的低温生长砷化镓光电导天线在1 550 nm波段并不适用，德国科学家采用低温生长的磷化铟作为光电导天线衬底材料，同时采用InGaAs/InAlAs多层异质结构，实现了1 550 nm波段的太赫兹高效产生和探测[5-7]。采用全光纤的设计方案，THz-TDS系统可设计的非常紧凑和灵活[8-10]。由于飞秒激光在光纤中传输，大大提高了系统的抗环境干扰能力，在工业和现场应用上具有巨大的潜力。但另一方面，由于色散展宽、偏振不匹配等效应的影响，会对THz-TDS系统性能造成严重影响，需要在系统设计时充分考虑。

本文设计研制了光纤型THz-TDS系统，通过光纤色散管理与偏振控制，实现了飞秒脉冲宽度和偏振态的精确操控，消除了太赫兹时域脉冲的展宽与分裂现象，获得了高信噪比的单脉冲太赫兹时域波形；采用变角度光路结构设计，实现了太赫兹透射与反射光谱的变角度测量。

1 总体方案设计

图1为光纤型THz-TDS总体设计方案，主要包括光学、电学和软件三个子系统。光学子系统包括光纤飞秒激光器、色散补偿模块、偏振控制模块、光纤延迟线以及太赫兹发射与探测天线，所有模块均采用光纤连接。电学子系统中的方波信号产生与高压调制模块用于为太赫兹发射天线施加方波调制的高压信号。太赫兹探测器天线输出的电流信号经放大后输入锁相放大模块，从而提高信号的测量信噪比，然后由高速数据采集卡采集后输入计算机。软件子系统基于LabVIEW软件编写，提供人机交互界面，集参数设置、数据通信、数据处理与数据显示等功能于一体。同时可控制光学子系统中的光纤延迟线的运动状态，并读取电学子系统中数据采集卡的测量数据。

图1 光纤型太赫兹时域光谱仪总体方案框图Fig.1 Logic diagram of fiber-type THz-TDS

图2为光纤型THz-TDS原理结构图。采用德国Toptica公司的掺铒光纤飞秒激光器作为泵浦探测光源，其工作中心波长为1 550 nm，输出脉冲宽度约为50 fs。飞秒激光经单模保偏光纤(polarization maintaining fiber, PMF)输出后进入色散补偿光纤(dispersion compensation fiber, DCF)，然后经过偏振分光棱镜(polarization beam splitter, PBS)后为两束，其中一束耦合至太赫兹发射天线(Tx)的尾纤，另一束经过电动光纤延迟线(motorized delay line, MDL)后耦合至太赫兹探测天线(Rx)。MDL可提供最大17 cm的光路延迟，对应的延迟时间为560 ps。Tx和Rx为基于InGaAs/InAlAs层叠结构的光电导天线，尾纤为长度约1 m的PMF。

图2 光纤型太赫兹时域光谱仪原理结构图Fig.2 Schematic diagram of fiber-type THz-TDS

2 光学子系统设计与实现

2.1 色散管理

实验中所采用的PMF在1 550 nm波段的色散参数约为15 ps/nm/km，飞秒激光在其中传输时由于色散效应脉冲宽度会显著展宽。图3为利用自相关仪测量得到的飞秒激光经过不同长度PMF后的自相关曲线。初始脉冲宽度为50 fs的飞秒脉冲经过1～5 m长度的PMF后，脉冲宽度分别展宽为84，91，99，103和140 fs，这也会导致太赫兹时域脉冲波形相应的展宽。为了获得更窄的太赫兹时域脉冲波形和更宽的太赫兹频域光谱，需要到达Tx和Rx的飞秒脉冲宽度尽量窄，因此采用在系统中增加DCF的方法进行色散管理，该方法具有插入损耗小、简单易行等优点。

图3 飞秒脉冲通过不同长度的PMF后的自相关曲线

实验中使用的DCF在1 550 nm波段的色散参数约为-40 ps/nm/km，Tx与Rx之前的PMF总长度均约为2 m，经过理论计算后选取长度适合的DCF与PMF连接。图4为同时经过DCF与2 m长PMF后的飞秒脉冲自相关曲线。从图中可以看出，增加DCF后飞秒脉冲宽度得到了压缩，主脉冲宽度与直接从激光器出射的脉冲宽度基本一致。但是由于高阶色散难以补偿的原因，自相关曲线中出现了旁瓣。

图4 经过DCF和PMF后测得的脉冲自相关曲线Fig.4 Autocorrelation curve after femtosecond pulse passing through DCF and PMF

2.2 偏振控制

由于DCF为非保偏光纤，经过DCF后飞秒激光的偏振态将由线偏振退化为椭圆偏振，调节四分之一波片(QWP)使其变为圆偏振光，经过PBS后分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光。当激光偏振方向不与PMF快轴或慢轴平行时，激光同时沿PMF的快慢轴传输[11-12]。由于PMF快慢轴折射率存在的微小的差别，导致激光沿两个轴的传输速度存在差异，同一飞秒脉冲到达太赫兹天线的时间存在先后，造成太赫兹时域波形脉冲分裂、强度降低等问题，对THz-TDS系统的性能产生严重影响[13-14]。

图5(a)为进入Tx的泵浦激光偏振角度分别为30°和120°，进入Rx的探测激光偏振角度分别为60°和150°时的太赫兹时域脉冲波形。此时泵浦激光和探测激光的偏振方向与PMF快慢轴夹角均为45°，激光能量在快慢轴方向占比均为50%。从图中可以看出，太赫兹时域波形分裂为三峰结构。图5(b)为对应的太赫兹频域光谱，光谱曲线中出现了多处凹陷，造成测量动态范围的大幅降低，严重影响了THz-TDS的性能。

为了消除激光偏振引起的太赫兹脉冲分裂需要对激光偏振态进行精确控制。旋转二分之一波片(HWP)可实现对线偏振光偏振方向的控制。图6(a)为进入Tx的激光偏振态为75°或165°，进入Rx的激光偏振态为15°或105°时的太赫兹时域脉冲波形，此时泵浦激光和探测激光偏振方向与PMF的快轴或慢轴平行。从图中可以看出，太赫兹时域波形都没有出现脉冲分裂现象，且太赫兹时域波形信号的峰值强度更大，信噪比优于12 000。峰值位置分别位于6.62，8.44，8.62和10.44 ps，延迟量与理论计算结果吻合，分别对应泵浦激光和探测激光沿快轴或慢轴传输时的四种情况。图6(b)中的光谱曲线也未出现凹陷，光谱包络较平滑。

图5 泵浦激光和探测激光偏振方向与PMF快慢轴夹角为45°时的太赫兹信号(a)：太赫兹时域波形；(b)：频域光谱

2.3 变角度测量光路设计

由于飞秒激光在光纤中传输，给THz-TDS系统的光路设计带来很大的灵活性。系统中太赫兹光路采用8f结构设计，即包含四片太赫兹透镜，Tx，Rx以及太赫兹透镜均安装在燕尾导轨上，燕尾导轨的一臂固定，另一臂可以样品为中心旋转，两臂夹角调节范围为70°～180°，如图7所示。无需增加光学模块或器件，仅仅旋转活动臂，即可实现太赫兹透、反射光谱测量的功能切换，以及变角度太赫兹光谱的测量，这给THz-TDS系统的应用带来了很大的方便。

图6 泵浦激光和探测激光偏振方向与PMF的快轴或慢轴平行时的太赫兹信号(a)：太赫兹时域波形；(b)：频域光谱

图7 变角度测量光路实物图Fig.7 Photo of variable angle measurement optical path

3 结 论

设计研制了光纤型THz-TDS系统，通过光纤色散管理实现了飞秒脉冲宽度的控制，使得到达太赫兹光电导天线的飞秒脉冲宽度保持在50 fs左右，从而消除了因飞秒脉冲展宽导致的太赫兹时域脉冲展宽。通过对飞秒激光偏振态的精确控制，使泵浦激光和探测激光偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴保持平行，从而消除了太赫兹时域脉冲的分裂现象。采用变角度光路结构设计，实现了太赫兹透、反射光谱测量的便捷切换，以及变角度太赫兹光谱的测量。