[发明专利]太赫兹量子级联激光器锁相系统及方法

说明书

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器锁相系统及锁相方法，锁相系统包括：太赫兹光源模块，用于实现太赫兹信号的输出；太赫兹信号下变频模块，与太赫兹光源模块相连接，用于接收所述太赫兹信号并产生太赫兹信号的拍频信号；锁相模块，与太赫兹信号下变频模块相连接，用于接收所述拍频信号并产生驱动补偿信号，所述驱动补偿信号输入至太赫兹光源模块，用于实现太赫兹量子级联激光器的锁相。通过上述方案，本发明率先采用太赫兹量子阱探测器对太赫兹信号进行下变频，实现快速准确的提取混频信号；选用多模太赫兹量子级联激光器代替传统的射频倍频链太赫兹本振源，利用自身的拍频信号实现下变频显著降低了锁相技术系统构建的难度与复杂度。

技术领域

本发明属于光学应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子级联激光器锁相系统及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，在公共安全，通信传输，生物医学，产品质量控制和大气环境监测等领域展现出极大的应用潜力和价值。在众多的THz研究方向中，THz光源被视为最为重要的技术基础。一个性能稳定的THz光源，将会大幅提高相关THz应用技术及系统的实际效果，如THz成像分辨率，THz通信带宽及光谱识别效率等均与THz光源品质息息相关。在众多的THz光源中，THz QCL以其高输出功率，高频谱质量和体积小易集成的特点在THz领域里被广泛研究。目前，THz QCL的频谱覆盖范围已经实现了1.2～5.2THz频段的覆盖，最高工作温度已经达到200K,连续波输出功率超过100mW，脉冲输出峰值功率超过1W，等等，同时通过引入调谐技术，THz QCL已经实现的300GHz的频谱带宽输出，使其在高精度光谱领域的应用成为了现实。

然而，THz QCL的稳定性一直是THz领域内的重点研究课题，THz QCL属于子带间跃迁的半导体激光器，其跃迁能级差小，极易受到器件内热效应的影响，导致激光器的发射频率不稳定。

为了稳定激光器的发射频率，研究者们进行了大量的研究，到目前为止，采用最多的方式为外混频相位补偿方法，该方法在毫米波频段广泛应用。然而在THz频段沿用此方案进行激光器的频率稳定(即锁相)，有很高的技术要求，主要原因在于以下两点：1)THz频段本身就缺乏能够作为标准的光源，即没有合适本振源，所以目前的方案中绝大部分采用将高稳定性的射频信号进行反复倍频(几十倍)来达到THz频段，并以此来作为本振源；2)高灵敏度及宽带宽混频器，目前适用于THz频段的混频器种类不多，主要的有肖特基二极管(SD)，热电子辐射计(HEB)和非线性晶体等，而且这些混频器性能差异明显，往往具有不同的工作条件和响应特性，适应范围窄。

鉴于THz本振源与高质量混频器的匮乏，目前THz QCL锁相技术中只能采用射频倍频本振源结合超低温混频器的组合方式，但此类方案存在以下几方面不足之处：1)采用射频倍频源作为THz本振源，通常需要进行几十倍倍频才能实现高于2THz的频率输出，倍频链路复杂且成本非常高，此外，多倍频链路的输出功率极低(皮瓦级别)，导致混频效率降低；2)混频器需采用超低温高灵敏度探测器，如工作在极低温度下(低于1K)的热电子探测器，才能实现对微弱信号的有效混频，极低工作温度直接限制了该技术的广泛应用；3)相位补偿机制中带宽限制，通过第一级混频，通常得到的信号在GHz级别，如果直接以此信号进行相位补偿，则对补偿电路的带宽要求太高，需要进行定制化设计，降低了技术的通用性。尽管针对THz QCL锁相技术的改善提出了诸如以常温肖特基二极管为混频器，或是降低倍频链路级数等优化方案，但效果有限。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联激光器锁相系统及方法，用于解决现有技术中由于THz本振源与高质量混频器的匮乏导致的链路复杂成本高及混频效率低、通用性差等技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器锁相系统，包括：

太赫兹光源模块，包括太赫兹量子级联激光器，用于实现太赫兹信号的输出；