[發明專利]太赫茲量子級聯激光器鎖相系統及方法

有效

• 申請號: 201710532857.1
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107171166B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 周濤;萬文堅;黎華;符張龍;曹俊誠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01S1/00
• 分類號: H01S1/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種太赫茲量子級聯激光器鎖相系統及鎖相方法，鎖相系統包括：太赫茲光源模塊，用于實現太赫茲信號的輸出；太赫茲信號下變頻模塊，與太赫茲光源模塊相連接，用于接收所述太赫茲信號并產生太赫茲信號的拍頻信號；鎖相模塊，與太赫茲信號下變頻模塊相連接，用于接收所述拍頻信號并產生驅動補償信號，所述驅動補償信號輸入至太赫茲光源模塊，用于實現太赫茲量子級聯激光器的鎖相。通過上述方案，本發明率先采用太赫茲量子阱探測器對太赫茲信號進行下變頻，實現快速準確的提取混頻信號；選用多模太赫茲量子級聯激光器代替傳統的射頻倍頻鏈太赫茲本振源，利用自身的拍頻信號實現下變頻顯著降低了鎖相技術系統構建的難度與復雜度。

技術領域

本發明屬于光學應用技術領域，特別是涉及一種太赫茲量子級聯激光器鎖相系統及方法。

背景技術

太赫茲(Terahertz,THz)波在電磁波譜中位于毫米波和遠紅外射線之間，在公共安全，通信傳輸，生物醫學，產品質量控制和大氣環境監測等領域展現出極大的應用潛力和價值。在眾多的THz研究方向中，THz光源被視為最為重要的技術基礎。一個性能穩定的THz光源，將會大幅提高相關THz應用技術及系統的實際效果，如THz成像分辨率，THz通信帶寬及光譜識別效率等均與THz光源品質息息相關。在眾多的THz光源中，THz QCL以其高輸出功率，高頻譜質量和體積小易集成的特點在THz領域里被廣泛研究。目前，THz QCL的頻譜覆蓋范圍已經實現了1.2～5.2THz頻段的覆蓋，最高工作溫度已經達到200K,連續波輸出功率超過100mW，脈沖輸出峰值功率超過1W，等等，同時通過引入調諧技術，THz QCL已經實現的300GHz的頻譜帶寬輸出，使其在高精度光譜領域的應用成為了現實。

然而，THz QCL的穩定性一直是THz領域內的重點研究課題，THz QCL屬于子帶間躍遷的半導體激光器，其躍遷能級差小，極易受到器件內熱效應的影響，導致激光器的發射頻率不穩定。

為了穩定激光器的發射頻率，研究者們進行了大量的研究，到目前為止，采用最多的方式為外混頻相位補償方法，該方法在毫米波頻段廣泛應用。然而在THz頻段沿用此方案進行激光器的頻率穩定(即鎖相)，有很高的技術要求，主要原因在于以下兩點：1)THz頻段本身就缺乏能夠作為標準的光源，即沒有合適本振源，所以目前的方案中絕大部分采用將高穩定性的射頻信號進行反復倍頻(幾十倍)來達到THz頻段，并以此來作為本振源；2)高靈敏度及寬帶寬混頻器，目前適用于THz頻段的混頻器種類不多，主要的有肖特基二極管(SD)，熱電子輻射計(HEB)和非線性晶體等，而且這些混頻器性能差異明顯，往往具有不同的工作條件和響應特性，適應范圍窄。

鑒于THz本振源與高質量混頻器的匱乏，目前THz QCL鎖相技術中只能采用射頻倍頻本振源結合超低溫混頻器的組合方式，但此類方案存在以下幾方面不足之處：1)采用射頻倍頻源作為THz本振源，通常需要進行幾十倍倍頻才能實現高于2THz的頻率輸出，倍頻鏈路復雜且成本非常高，此外，多倍頻鏈路的輸出功率極低(皮瓦級別)，導致混頻效率降低；2)混頻器需采用超低溫高靈敏度探測器，如工作在極低溫度下(低于1K)的熱電子探測器，才能實現對微弱信號的有效混頻，極低工作溫度直接限制了該技術的廣泛應用；3)相位補償機制中帶寬限制，通過第一級混頻，通常得到的信號在GHz級別，如果直接以此信號進行相位補償，則對補償電路的帶寬要求太高，需要進行定制化設計，降低了技術的通用性。盡管針對THz QCL鎖相技術的改善提出了諸如以常溫肖特基二極管為混頻器，或是降低倍頻鏈路級數等優化方案，但效果有限。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種太赫茲量子級聯激光器鎖相系統及方法，用于解決現有技術中由于THz本振源與高質量混頻器的匱乏導致的鏈路復雜成本高及混頻效率低、通用性差等技術問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種太赫茲量子級聯激光器鎖相系統，包括：

太赫茲光源模塊，包括太赫茲量子級聯激光器，用于實現太赫茲信號的輸出；