一种实现超长倍频扫描的TDS系统

技术领域：

本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及一种实现超长倍频扫描的TDS系统。

背景技术：

太赫兹时域光谱系统(以下简称TDS)是一种新型的光谱测量类产品，其主要组成包括飞秒激光器、光纤延迟部件以及太赫兹光电导发射天线和探测器。TDS有很多独特的优势，包括相对红外光谱系统更高的信噪比水平、太赫兹波段独特的穿透性和指纹谱特征等，这些优势已使其在各种光谱测量领域受到广泛关注并取得了优良的测量效果。其中，在面向气体以及其他一些具有精细吸收谱特征的样品时，TDS往往受制于所采用的光纤延迟部件的延迟范围(一般在500ps左右)，无法达到更宽的延迟范围，即不能实现更高的光谱能力，而具有更长延迟范围的光纤延迟部件在尺寸上将大大增加，同时增加部件的不稳定性。目前已有报道通过多个延迟线级联实现更长的延迟范围，但这也将大大增加系统的硬件成本和调试难度。

另外，当前所采用的光纤延迟部件只能实现从0到最大延迟的单向扫描，从最大延迟位置返回零延迟的周期内不进行太赫兹信号的扫描，这也是当前TDS光谱扫描普遍效率不高的原因之一。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种实现超长倍频扫描的TDS系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，包括激光器、光纤延迟部件、第一保偏光开关、第二保偏光开关、光纤延迟单元、延迟控制模块和太赫兹发射接收单元，激光器输出端与太赫兹发射天线连接，同时激光器输出端依次通过光纤延迟部件、第一保偏光开关、光纤延迟单元、第二保偏光开关与太赫兹探测天线连接，所述光纤延迟部件相对光纤的延迟等效距离设为L0，光纤延迟单元包括N条并列的不同长度的光纤，N为大于等于2的正整数，第一条光纤的长度为L1，第二条光纤的长度L2＝L1+L0，第三条光纤的长度L3＝L1+2L0，……，第N条光纤的长度LN＝L1+(N-1)L0，所述第一保偏光开关和第二保偏光开关的传输端口与光纤延迟单元中光纤数量对应，光纤延迟单元中的每一条光纤两端分别连接在第一保偏光开关和第二保偏光开关对应的传输端口上，第一保偏光开关和第二保偏光开关分别与延迟控制模块连接，延迟控制模块用于控制光纤延迟单元中第一条光纤、第二条光纤、……、第N条光纤依次接入光纤延迟部件和太赫兹探测天线之间。

进一步地，本发明涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，还包括反向处理模块和拼接模块，反向处理模块与集成控制和信号采集处理单元中的太赫兹采集模块连接，用于将第2M条光纤接入时采集的太赫兹脉冲信号反向处理，拼接模块分别与太赫兹采集模块和反向处理模块连接，将相邻两光纤接入时得到的正向太赫兹脉冲信号起始端进行连接。

进一步说明，除第一光纤外的其他光纤均包括保偏光纤和保偏色散补偿光纤，且保偏光纤和保偏色散补偿光纤长度比为1:5。

进一步说明，为降低光纤接入的损耗，第一保偏光开关、光纤延迟单元和第二保偏光开关依次熔接并封装在一个密闭装置中。

进一步地，本发明涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，还包括供电单元，供电单元分别与激光器、光纤延迟部件和集成控制和信号采集处理单元连接，为系统各个单元有源器件提供稳定电源。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：首次提出了通过光开关结合固定色散不同长度的光纤路径，实现不同延迟步进的空分复用和总延迟长度的延长，是一种便于实施的低成本大延迟TDS解决方案；在大大扩展延迟范围的同时，首次利用了传统延迟线的返程进行扫描，在不增加扫描速率的情况下实现了实际扫描效率的翻倍，以2倍光纤延迟部件2扫描范围为例，方案在不增加时间的前提下实现了2倍的综合时间延迟，这是一种高效的长程延迟解决方案。

附图说明：

图1为现有TDS系统结构示意图。

图2为实施例1中实现超长倍频扫描的TDS系统结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

为了实现对高频太赫兹信号的采集，现有的TDS系统通常是基于信号的周期性，通过同步锁定并精确调节相对相位延迟的方式进行太赫兹信号采集，实现对完整太赫兹脉冲信号的获取。具体地，如图1所示，现有TDS系统包括激光器1、光纤延迟部件2、集成控制和信号采集处理单元6和太赫兹发射接收单元8，太赫兹发射接收单元8包括太赫兹发射天线和太赫兹探测天线。激光器1用于输出两路同频同相的飞秒脉冲光，其中一路飞秒脉冲光输出到太赫兹发射天线上，另一路飞秒脉冲光经过光纤延迟部件2延迟后达到太赫兹探测天线，飞秒脉冲光将在光电导材料内部激发光生载流子，载流子在外部偏置电压的作用下，将进行迅速的迁移并向空间辐射高重复频率的脉冲太赫兹波，集成控制和信号采集处理单元6作为系统的中控单元，实现同步触发信号的产生、调制信号的发出以及太赫兹信号的采集和处理等功能。

如上所述，延迟的调节是通过光纤延迟部件2来实现的，延迟的大小通常以时间单位ps来表示，以常见的光纤延迟线延迟范围500ps为例，可以获得1/500＝2GHz的光谱分辨率。光纤延迟部件2为现有的光纤延迟线(如，专利CN111239908A一种紧凑型高速振荡光纤延迟线)，用于探测光路的时间延迟，将延迟时间换算为延迟距离为：L＝500e-12*3e8＝15cm，光纤延迟部件2相对光纤的延迟等效距离设为L0＝L/n，其中n为光纤折射率，石英光纤的折射率约为1.5，L0＝L/1.5。

本实施例涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，通过在光纤延迟部件2和太赫兹探测天线之间增设光纤延迟单元5，通过光纤延迟单元5的空分复用实现延迟范围的扩展。

如图2所示，本实施例涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，包括激光器1、光纤延迟部件2、第一保偏光开关3、第二保偏光开关4、光纤延迟单元5、延迟控制模块和太赫兹发射接收单元8，激光器1输出端与太赫兹发射天线连接，同时激光器1输出端依次通过光纤延迟部件2、第一保偏光开关3、光纤延迟单元5、第二保偏光开关4与太赫兹探测天线连接，激光器1用于输出两路同频同相的飞秒脉冲光，其中一路飞秒脉冲光输出到太赫兹发射天线上，另一路飞秒脉冲光经过光纤延迟部件2和光纤延迟单元5延迟后达到太赫兹探测天线，光纤延迟部件2为现有的光纤延迟线(如，专利CN111239908A一种紧凑型高速振荡光纤延迟线)，用于探测光路的时间延迟，所述光纤延迟部件2相对光纤的延迟等效距离设为L0，光纤延迟单元5包括N条并列的不同长度的光纤，N为≥2的正整数，第一条光纤的长度为L1，第二条光纤的长度L2＝L1+L0，第三条光纤的长度L3＝L1+2L0，……，第N条光纤的长度LN＝L1+(N-1)L0，其中N的数量根据实际需要设定，所述第一保偏光开关3和第二保偏光开关4的传输端口与光纤延迟单元5中光纤数量对应，光纤延迟单元5中的每一条光纤两端分别连接在第一保偏光开关3和第二保偏光开关4对应的传输端口上，光纤延迟单元5中的每一条光纤对应一个通道，第一保偏光开关3和第二保偏光开关4分别与延迟控制模块连接，延迟控制模块用于控制光纤延迟单元5中第一条光纤、第二条光纤、……、第N条光纤依次接入TDS系统进而实现不同长度的延迟。

进一步地，本实施例涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，还包括反向处理模块和拼接模块，反向处理模块与集成控制和信号采集处理单元中的太赫兹采集模块连接，用于将第2M条光纤(其中M为大于等于1的正整数，如，第二条光纤、第四条光纤、第六条光纤……)接入时的太赫兹脉冲信号反向处理，拼接模块分别与太赫兹采集模块和反向处理模块连接，用于将相邻两光纤接入时得到的正向太赫兹脉冲信号起始端进行连接(假设第2M-1条光纤接入时得到的太赫兹脉冲信号是正向的)。

具体地，所述延迟控制模块、反向处理模块和拼接模块属于集成控制和信号采集处理单元6中增设的功能模块。

本实施例涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统具体工作过程为：

(1)当第一保偏光开关3和第二保偏光纤4锁定在通道1(即将第一条光纤接入TDS系统)，光纤延迟部件2进行从0延迟到最大延迟进行扫描，等效扫描长度为L0，此时光纤延迟部件2停留在最大延迟位置；

(2)当第一保偏光开关3和第二保偏光纤4同步切换至通道2(即将第二条光纤接入TDS系统)，光纤延迟部件2开始反向从最大延迟扫描至0延迟，总的等效扫描长度为2L0，此时光纤延迟部件2停留在0延迟位置，需要注意的是，此时获得的太赫兹脉冲信号是与第(1)步反向的；

(3)当第一保偏光开关3和第二保偏光纤4同步切换至通道3(即将第三条光纤接入TDS系统)，光纤延迟部件2开始从0延迟扫描至最大延迟，总的等效扫描长度为3L0，此时光纤延迟部件2停留在最大延迟位置，需要注意的是，此时获得的太赫兹脉冲信号是与第(1)步同向的；

(4)当依次类推，第一保偏光开关3和第二保偏光纤4同步切换至通道N(即将第N条光纤接入TDS系统)，延迟线进行连续扫描，从而获得N倍于光纤延迟部件2的扫描范围N*L0；

(5)根据实际延迟范围需求扫描完成后，分别对处于反向状态的数据进行反向处理，再将多个通道中采集的数据进行拼接，即可得到超长延迟范围太赫兹时域脉冲波形。

需要进一步说明的是，由于光纤长度的改变，将会对光纤中传输的飞秒脉冲产生色散，影响脉冲宽度，进而影响太赫兹脉冲宽度和频谱宽度。为了保证光纤长度的改变不对光路总得色散产生影响，除通道1外，其他通道均采用保偏光纤(PMF)和保偏色散补偿光纤(PM-DCF)组合的方式确定实际光纤长度，通常市场上可见的PM-DCF可实现对PMF的1:5的色散中和，以通道2为例，即采用的PM-DCF和PMF的长度分别为

进一步说明，需要调节系统外部光路将太赫兹脉冲主峰调节至一个分段中，以避免数据拼接过程中主峰信号的失真。

进一步说明，为降低光纤接入的损耗，第一保偏光开关3、光纤延迟单元5、第二保偏光开关4之间的光纤经过精确计算长度并通过熔接的方式实现连接，并将三个部件或单元封装在一个密闭装置中。

进一步说明，由于光开关切换存在约7ms的转换时间，在控制通道切换后扫描起始时应预留约10ms的时间等待窗口。

进一步地，本实施例涉及的实现超长倍频扫描的TDS系统，还包括供电单元7，供电单元7分别与激光器1、光纤延迟部件2和集成控制和信号采集处理单元6连接，为系统各个单元有源器件提供稳定电源。