一种基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统的制作方法

1.本发明涉及微波光子、太赫兹及高光谱成像领域，特别涉及一种基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统。


背景技术：

2.太赫兹波是处于微波与红外光之间的电磁波，频率在0.1thz到10thz范围之间，波长在0.03到3mm范围之间。由于物质的thz光谱包含丰富的物理和化学信息,使得其在基础研究、工业生产及军事应用领域具有深远研究价值和重要的应用前景。
3.当前太赫兹应用主要包含两个方面：太赫兹时域光谱和太赫兹成像。太赫兹时域光谱技术的基本原理是：利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的thz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，相关记载详见文献【neu,jens,andcharlesa.schmuttenmaer."tutorial:anintroductiontoterahertztimedomainspectroscopy(thz-tds)."journalofappliedphysics124.23(2018):231101.】。然而当前太赫兹时域光谱技术只能实现针对物品单点的光谱分析，如果要实现对物体整面的光谱分析需要使用双轴位移台进行扫描分析，扫描成像需要的时间较长，无法实时成像，且随着空间分辨率的提高及扫描面积的加大，所需要的时间越长，使得这种方式的发展在很多应用中受到限制。
4.太赫兹成像技术也是利用太赫兹射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像，相关记载详见文献【federici,johnf.,etal."thzimagingandsensingforsecurityapplications—explosives,weaponsanddrugs."semiconductorscienceandtechnology20.7(2005):s266.】。然而太赫兹成像技术仅仅利用单频或者窄带的太赫兹信号进行成像，不能像太赫兹时域光谱技术一样实现对物体宽太赫兹谱信息的成像。高光谱成像技术在对物体进行成像的同时在光谱的维度进行了细致的分割，综合了太赫兹时域光谱和太赫兹成像两者的优点，不但能得到物体轮廓图像还能得到物体在每一个光谱频段的光谱信息，相关记载详见文献【shippert,peg."introductiontohyperspectralimageanalysis."onlinejournalofspacecommunication2.3(2003):8.】。然而，目前的高光谱成像技术仅仅能够在光学频段进行，无法在太赫兹频段进行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统，利用双相干光频梳技术实现物体的高光谱太赫兹成像，解决当前太赫兹时域光谱技术面成像扫描时间长、太赫兹成像技术无法对物体宽太赫兹谱信息成像，以及高光谱技术无法在太赫兹频段成像的问题。
6.本发明的具体技术方案如下：
7.一种基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统，包括单频激光器、光学分束器、第一光频梳光源、第二光频梳光源、光学耦合器、太赫兹光电探测器、太赫兹天线以及太赫
兹相机；
8.单频激光器出射的激光经光学分束器后分为三路信号光，第一路单频信号光通过第一光频梳光源后产生第一光频梳信号进入光学耦合器；第二路单频信号光直接进入光学耦合器；第三路单频信号光通过第二光频梳光源后产生第二光频梳信号进入光学耦合器；
9.第一光频梳信号、第二光频梳信号以及第二路单频信号光在光学耦合器内相互拍频后被太赫兹光电探测器接收，之后经太赫兹探测器同时输出两种太赫兹的频率梳至太赫兹天线；所述两个太赫兹频率梳初始频率为均相同，两个太赫兹频率梳的梳齿间隔分别为f1和f2，且两个太赫兹频率梳的梳齿根数相同；
10.两个太赫兹频率梳通过太赫兹天线辐射到待测物品表面；
11.太赫兹相机的放置在待测物品周边的不同位置，通过各个像素阵元输出的电信号获取待测物品的吸收谱或者反射谱信息。
12.进一步地，上述第一光频梳光源包括第一微波源、第一电光调制器阵列、第一光学放大器、第一高非线性光纤模块和第一光学滤波器；
13.第一电光调制器阵列射频输入端与第一微波源相连，第一电光调制器阵列输出端与第一光学放大器相连；第一光学放大器输出端与第一高非线性光纤模块输入端相连，第一高非线性光纤输出端与第一光学滤波器输入端相连，第一光学滤波器输出端与光学耦合器一个输入端口相连。
14.进一步地，上述第二光频梳光源包括第二微波源、第二电光调制器阵列、第一光学放大器、第二高非线性光纤模块和第二光学滤波器；
15.第二电光调制器阵列射频输入端与第二微波源相连，第二电光调制器阵列输出端与第二光学放大器相连；第二光学放大器输出端与第二高非线性光纤模块输入端相连，第二高非线性光纤输出端与第一光学滤波器输入端相连，第二光学滤波器输出端与光学耦合器一个输入端口相连。
16.进一步地，上述第一微波源的频率为f1，第二微波源的频率为f2，第一微波源与第二微波源重频之差df＝f1-f2，且f1和f2均为df的整数倍。
17.本发明的有益效果在于：
18.1、与传统的太赫兹时域光谱技术相比，本发明采用双光频梳光源生成双梳状太赫兹信号，物体对太赫兹信号进行吸收或者反射，再通过太赫兹相机对双太赫兹信号进行混频得到低频的电信号，最后通过电信号频谱反推物质每个像素点的太赫兹谱信息。实现了光谱-thz-电信号频谱信息的直接映射，具备结构简单、计算量小、探测速度快的优点。
19.2、与传统的太赫兹时域光谱技术相比，采用基于阵列成像的太赫兹相机成像代替单像素的太赫兹探测器，在分析各个像素的光谱信息的同时进行面成像。
20.3、相比基于单频率的太赫兹辐射源进行强度成像的太赫兹成像技术，该发明不仅可实现对物质的几何成像，而且可以同时实现物质对太赫兹频谱的吸收或者反射谱信息进行测量，获取物质类型信息，从而有效的实现了物体的高光谱太赫兹成像。
附图说明
21.图1基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统结构图。
22.图2a为第一高非线性光纤模块hnlf1输出光谱图。
23.图2b为第二高非线性光纤模块hnlf1输出光谱图。
24.图3a为一种太赫兹频率梳的示意图；
25.图3b为另一种太赫兹频率梳的示意图；
26.图4为太赫兹相机输出的电磁频谱图。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
28.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
29.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.本实施例提供了一种基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统，如图1 所示：包括单频激光器ld、光学分束器ps、第一光频梳光源ofc1、第二光频梳光源0fc2、光学耦合器pc、太赫兹光电探测器pd、太赫兹天线antenna和太赫兹相机camera；
32.单频激光器ld输出端与光学分束器ps的输入端相连，光学分束器ps包含三个输出端口；
33.光学分束器ps的一路输出端(图1中a1端口)与第一光频梳光源ofc1输入端相连，第一光频梳光源ofc1输出端与光学耦合器pc的一个输入端(图1中a2端口)连接；
34.光学分束器ps的一路输出端(图1中b1端口)与第二光频梳光源ofc2输入端相连，第二光频梳光源ofc2输出端与光学耦合器pc的一个输入端(图1 中b2端口)连接；
35.光学分束器ps的一路输出端(图1中c1端口)与直接与光学耦合器pc的一个输入端(图1中c2端口)相连；
36.光学耦合器pc的输出端与太赫兹光电探测器pd输入端连接，太赫兹光电探测器pd输出端与太赫兹天线antenna输入端连接，待测物品放置在太赫兹天线前端，太赫兹相机camera放置在待测物品周边，用于接收获取待测物品的吸收谱或者反射谱信息。
37.具体来说，第一光频梳光源ofc1包括第一微波源f1、第一电光调制器阵列 eoma1、第一光学放大器edfa1、第一高非线性光纤模块hnlf1和第一光学滤波器of1；第一电光调制器阵列eoma1射频输入端与第一微波源f1相连；单频激光通过第一电光调制器阵列eoma1后转换为具有多根梳齿的光频梳，其中心频率与单频激光相同，频谱的重复间隔与第一微波源f1频率相同；
38.第一电光调制器阵列eoma1输出端与第一光学放大器edfa1相连，通过第一光学放
大器实现对种子光频梳信号进行放大；
39.第一光学放大器edfa1输出端与第一高非线性光纤模块hnlf1输入端相连，放大后的种子光频梳通过第一高非线性光纤模块hnlf1的非线性作用实现光谱的展宽；第一高非线性光纤模块hnlf1输出端与第一光学滤波器of1输入端相连，实现对展宽后光谱的滤波，将无用光谱滤除，留下第m到第m l根光频梳梳齿用于后续生成梳状太赫兹谱，其中第m根梳齿的频率记为f0 f
t
；其中图2a 为第一高非线性光纤模块hnlf1输出光谱图，虚线为第一光学滤波器形状示意图。
40.具体来说，第二光频梳光源ofc2包括第二微波源f2、第二电光调制器阵列 eoma2、第二光学放大器edfa2、第二高非线性光纤模块hnlf2和第二光学滤波器of2；第二光频梳光源ofc2对单频激光的处理过程和上面所述的第一光频梳光源ofc1一致，不同之处是：第二微波源f2的频率与第一微波源f1的频率不同；由于第一微波源f1频率为f1，第二微波源f2频率为f2，两者频率之差为： df＝f1-f2，且f1和f2均为df的整数倍。第二光学滤波器滤出第二光频梳的第 n到n l根光频梳梳齿，滤波后两个光频梳的第一根梳齿频率f0 f
t
可以选择为相同的光谱频率；如图2b所示为第二高非线性光纤模块hnlf2输出光谱图，虚线为第二光学滤波器形状示意图。
41.该成像系统的工作原理如下：
42.单频激光器出射的激光经光学分束器后分为三路单频信号光，第一路单频信号光通过第一光频梳光源后产生第一光频梳信号进入光学耦合器；第二路单频信号光直接进入光学耦合器；第三路单频信号光通过第二光频梳光源后产生第二光频梳信号进入光学耦合器；
43.第一光频梳信号、第二光频梳信号以及第二路单频信号光在光学耦合器内相互拍频后被太赫兹光电探测器接收，之后经太赫兹探测器同时输出两种太赫兹的频率梳至太赫兹天线；这两个太赫兹频率梳初始频率为均相同，记为f
t
，两个太赫兹频率梳的梳齿间隔分别为f1和f2(即分别为第一微波源和第二微波源的频率)，且两个太赫兹频率梳的梳齿根数相同；如图3a和图3b所示，两个太赫兹频率梳初始频率为f
t
，梳齿间隔分别为f1和f2；
44.两个太赫兹频率梳通过太赫兹天线辐射到待测物品表面；
45.光电探测器输出端与太赫兹天线输入端相连，待测物品放置在太赫兹天线前端，两个太赫兹频率梳通过天线辐射到待测物品表面，实现对物品的均匀覆盖。
46.太赫兹相机对准待测物品，根据太赫兹相机的不同位置，两个太赫兹频率梳的透射谱或者反射谱均会打到太赫兹相机的每一个像素阵元上，透射或者反射的太赫兹频率梳包含待测物品的吸收或者反射谱信息；太赫兹相机的每一个探测器阵元响应物体不同位置的吸收谱或者反射谱信息，输出的电磁频谱如图4 所示。电磁频谱各个频率分量的幅度与物质的太赫兹吸收谱或者反射谱严格对应，根据太赫兹相机各个阵元电磁频谱分布可以反推待测物品的吸收谱或者反射谱。
47.综上，本发明提出的基于双光频梳光源的太赫兹高光谱成像系统，利用双相干光频梳技术实现物体的高光谱太赫兹成像，解决当前太赫兹时域光谱技术面成像扫描时间长、太赫兹成像技术无法对物体宽太赫兹谱信息成像高光谱技术无法在太赫兹频段成像的问题，在医疗和安检等领域具有重要的应用前景。