專利名稱：太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太赫茲應用技術領域，特別是涉及一種基于熱像儀的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置及測量方法。
背景技術：
太赫茲量子級聯(lián)激光器(terahertzquantum-cascade laser, THz QCL)是一種緊湊的基于半導體材料的電子器件，具有能量轉換效率高、體積小、易集成以及使用壽命長等特點。隨著能帶工程和材料生長技術的飛速發(fā)展，THz QCL自2002年首次被研制成功以來，在器件性能的提高和器件應用拓展方面均有很大發(fā)展。到目前為止，有文獻報道的THz QCLs的最高工作溫度為脈沖模式下186K、連續(xù)模式下117K ;在最優(yōu)的工作條件下其最高輸出功率分別可達248mW(脈沖模式)和130mW(連續(xù)模式)，最低工作頻率為I. 2THz，在磁場輔助下可低達O. 68THz。隨著器件性能的快速提高，器件在太赫茲通信、成像等領域的應用也倍受關注。目前THz QCL已經成功應用于太赫茲波段外差接收的局域振蕩源、THz無線通信、THz波實時成像等THz應用技術中。眾所周知，太赫茲激光器激光光束的品質是影響其實際應用的重要因素。盡管THz QCL的激光光束性能已獲得很好的改善，但目前還沒有與之頻率匹配的光電探測器陣列，只能采用熱探測器陣列來表征其激光光束圖形。盡管熱探測器陣列的峰值響應頻率不在THz 波段，且在測量過程中還會受到背景輻射的影響，但用其表征THz QCL的激光光束是目前比較好的一個選擇，如果能配上THz波段的帶通濾波裝置，則可獲得更好的表征結果，從而為太赫茲量子級聯(lián)激光器在成像應用方面的性能測試提供一種很好的技術手段。

發(fā)明內容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置及方法，該測量裝置及測量方法可實時地表征太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光光束的場形分布，為其在太赫茲成像方面應用性能的測量提供一種很好的技術手段。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，所述測量裝置至少包括激光器部分和激光探測部分，其中所述激光器部分包括用以提供電信號的驅動電源，用以提供低溫環(huán)境的冷頭，裝設于所述冷頭內用以導熱的熱沉，安裝于所述熱沉上并在所述驅動電源輸出的電信號驅動下輻射出太赫茲光的太赫茲量子級聯(lián)激光器，以及裝設在所述冷頭上并位于所述太赫茲光的射出路徑上的聚乙烯窗片；以及所述激光探測部分包括具有探測模塊的熱像儀，用以實時接收經所述聚乙烯窗片射出的太赫茲光，并將接收到的太赫茲光束的場形分布情況實時顯示，所述探測模塊為基于微型熱探測器單元的焦平面陣列，且所述探測模塊的焦平面陣列豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器激光出射端面預設的距離范圍內。在本發(fā)明的測量裝置中，所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列的二維像數(shù)為320 X 240，像元材料為氧化釩，探測頻率范圍覆蓋3 50THz，探測器的熱靈敏度為50mK，探測模塊的成像幀率為8. 5Hz。在本發(fā)明的測量裝置中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的激射頻率范圍覆蓋I. 2
5.OTHz。在本發(fā)明的測量裝置中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)是通過在半絕緣 GaAs襯底上交替生長GaAs層和AlGaAs層的方式形成的。在本發(fā)明的測量裝置中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)為四阱共振聲子結構，所述四阱共振聲子結構包括179個周期結構，每個周期結構包含交替生長的GaAs層和 Al0.15Ga0.85As層各4層。于一優(yōu)選的實施例中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的激射頻率范圍為 4. 76 4· 78THz。在本發(fā)明的測量裝置中，所述聚乙烯窗片采用高強度聚乙烯材料；所述聚乙烯窗片通過將灌制的高強度聚乙烯圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而制成。所述驅動電源為可編程電壓源或電流源。所述冷頭為一閉循環(huán)機械制冷系統(tǒng)的低溫輸出部分。本發(fā)明還提供一種應用測量裝置的方法，其特征在于所述方法至少包括以下步驟步驟一，根據(jù)對太赫茲量子級聯(lián)激光器出射激光光束發(fā)散特性的分析結果，將熱像儀探測模塊的焦平面陣列豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器激光出射端面預設的距離范圍內；步驟二，采用驅動電源給所述太赫茲量子級聯(lián)激光器施加周期變化的電壓或電流， 使所述太赫茲量子級聯(lián)激光器輻射出具有同樣周期變化的太赫茲光，所述周期變化的太赫茲光經過聚乙烯窗片后到達所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列上；以及步驟三，所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列對周期變化的太赫茲光進行響應，產生相應的電信號，使周期變化的太赫茲光在焦平面上的強度分布實時地顯示在所述熱像儀的顯示屏幕中，通過分析該顯示屏幕中顯示的圖像所對應的數(shù)據(jù)得到所述太赫茲量子級聯(lián)激光器在距其出射端面預設距離處激光場形的二維分布結果，以完成了對所述太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量。如上所述，本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置及方法，具有以下有益效果(I)本發(fā)明利用商業(yè)化的陣列探測技術來表征太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光的場形分布，可有效提高探測結果的準確性和可靠性。(2)本發(fā)明裝置可實時地表征太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光的場形分布，測量手段快速而直觀，使激光器在太赫茲成像領域的應用優(yōu)勢得以提高。(3)本發(fā)明采用了在太赫茲頻段有很好透射特性的光學附件，可以使測量結果盡可能地反映激光器輸出激光的真實情況。


圖I顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置示意圖。圖2顯示為本發(fā)明中為厚度為5. Omm的聚乙烯窗片在2. 0-7. OTHz頻段的透射光譜示意圖。圖3為本發(fā)明中熱像儀測量得到的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光的二維分布圖像，其中黑色線所示區(qū)域為激光光束截面的整體輪廓。
元件標號說明
I激光器部分
11驅動電源
12冷頭
13熱沉
14太赫茲量子級聯(lián)激光器
15聚乙烯窗片
2激光探測部分
211探測模塊
212焦平面陣列
213顯示屏幕具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書
所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖3。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。實施例一請參閱圖1，顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置示意圖，如圖所示，本發(fā)明提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，至少包括激光器部分I和激光探測部分2。其中，所述激光器部分I包括驅動電源11，冷頭12，熱沉13，太赫茲量子級聯(lián)激光器14，以及聚乙烯窗片15。所述激光探測部分2包括熱像儀21。所述驅動電源11用以提供電信號，在本實施例中，所述驅動電源11為可編程直流穩(wěn)壓電源，可輸出電壓或電流，電壓/電流信號輸出范圍為0 6A (對應電壓為O 30V)， O 3. 3A(對應電壓為O 60V);輸出電壓上升沿彡100ms，輸出電壓下降沿彡IOOms ;定電壓操作下，負載調節(jié)率彡0.01% +2mV ;定電流操作下，負載調節(jié)率彡0.01% +250 μ A。所述冷頭12用以提供低溫環(huán)境，在本實施例中，所述冷頭12為一閉循環(huán)機械制冷系統(tǒng)的低溫輸出部分，具體地，所述冷頭12提供的低溫環(huán)境最低溫度可以達到9K。所述熱沉13裝設于所述冷頭12內用以導熱，在本實施例中，所述熱沉13為銅質材料，在低溫技術領域常作為微型器件的導熱體。所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14安裝于所述熱沉13上并在所述驅動電源11輸出的電信號驅動下輻射出太赫茲光。在具體的實施例中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14 的激射頻率范圍覆蓋I. 2 5. OTHz。更詳而言之，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14的有源區(qū)為“四阱共振聲子”結構，通過分子束外延方法在半絕緣的GaAs襯底上交替生長GaAs層和Alai5Gaa85As層的方式形成。有源區(qū)總共有179個周期結構，每個周期結構內包含交替生長的GaAs層和Ala 15Ga0.85As層各4層，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14的尺寸為 1.97_Χ100μπι(長X寬)，器件可激射頻率的范圍為4. 76 4. 78ΤΗζ。在本實施例中，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14的激射頻率優(yōu)選為4. 78ΤΗζ，其工作時的溫度為17Κ。所述聚乙烯窗片15裝設在所述冷頭12上并位于所述太赫茲光的射出路徑上。在本實施例中，所述聚乙烯窗片15為高強度聚乙烯(HDPE)材料，聚乙烯窗片15是通過對灌制的HDPE圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而制成，窗片直徑為60mm,厚度為5. Omm,其對
4.78THz電磁波的透過率為50%，如圖2所示，顯示為本發(fā)明中為厚度為5. Omm的聚乙烯窗片15在2. O 7. OTHz頻段的透射光譜示意圖。所述激光探測部分2包括具有探測模塊211的熱像儀21，用以實時接收經所述聚乙烯窗片15射出的太赫茲光，并將接收到的太赫茲光束的場形分布情況實時顯示，所述探測模塊211為基于微型熱探測器單元的焦平面陣列212，且所述探測模塊211的焦平面陣列212豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14激光出射端面預設的距離范圍內，具體地，將熱像儀21探測模塊211的焦平面陣列212豎直放置于距太赫茲量子級聯(lián)激光器14 激光出射端面40mm的位置，且所述熱像儀21探測模塊211 二維陣列的中心區(qū)域與太赫茲量子級聯(lián)激光器14的激光出射端面對準。在本實施例中，所述熱像儀21為工作于常溫下的熱探測器陣列，其探測模塊211為基于微型熱探測器單元的焦平面陣列212，焦平面陣列 212的二維像數(shù)為320 X 240，像元材料為氧化釩(VOx)，探測頻率范圍覆蓋3_50THz，探測器的最優(yōu)熱靈敏度為50mK，探測模塊211的成像幀率為8. 5Hz。本發(fā)明所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光場形的測量裝置可用于測量太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光光束截面的二維分布，其采用了制作技術成熟、性能穩(wěn)定，且在太赫茲波段仍可以響應的熱探測器陣列作為激光的探測裝置，采用了對太赫茲光吸收弱的聚乙烯材料作為窗片。本發(fā)明所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光場形的測量裝置可實現(xiàn)對變化的太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光的實時測量，并可得到不同時刻下激光光束截面的二維分布情況。實施例二請配合參閱圖1，本實施例提供上述實施例一所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置的一種激光場形的測量方法，所述方法至少包括以下步驟步驟一，根據(jù)對太赫茲量子級聯(lián)激光器14出射激光光束發(fā)散特性的分析結果，將熱像儀21探測模塊211的焦平面陣列212豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14激光出射端面預設的距離范圍內。在本實施例中，所述預設的距離范圍為熱像儀21探測模塊 211的焦平面陣列212豎直放置于距太赫茲量子級聯(lián)激光器14激光出射端面40mm的位置。步驟二，采用驅動電源11給所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14施加周期變化的電壓或電流，使所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14輻射出具有同樣周期變化的太赫茲光，所述周期變化的太赫茲光經過聚乙烯窗片15后到達所述熱像儀21探測模塊211的焦平面陣列212 上。在本實施例中，采用驅動電源11給太赫茲量子級聯(lián)激光器14施加Is開啟、Is關閉的周期變化的電流，電流幅度為O. 85A，此時對應的施加在太赫茲量子級聯(lián)激光器14兩端的電壓為13. 21V，使激光器輻射出具有同樣周期變化的頻率為4. 78THz的太赫茲光，所述變化的太赫茲光經過聚乙烯窗片15后到達熱像儀21探測模塊211的焦平面陣列212上，其中，所述聚乙烯窗片15厚度為5mm，其對4. 78THz光的透過率為50% (呈如圖2所示)。步驟三，所述熱像儀21探測模塊211的焦平面陣列212對周期變化的太赫茲光進行響應，產生相應的電信號，使周期變化的太赫茲光在焦平面上的強度分布實時地顯示在所述熱像儀21的顯示屏幕213中，通過分析該顯示屏幕213中顯示的圖像所對應的數(shù)據(jù)得到所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14在距其出射端面預設距離處激光場形的二維分布結果， 進而完成了對所述太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光場形的測量。在本實施例中，通過分析顯示屏幕213中顯示的圖像所對應的數(shù)據(jù)可得到太赫茲量子級聯(lián)激光器14在距其出射端面40_處激光場形的二維分布結果，從而完成了對太赫茲量子級聯(lián)激光器14輸出激光場形的測量，如圖3所示，顯示為本發(fā)明中熱像儀21測量得到的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光的二維分布圖像，其中黑色線所圍區(qū)域為激光光束截面的整體輪廓。本發(fā)明的測量裝置及方法采用了制作技術成熟、性能穩(wěn)定可靠且具有實時顯示功能的熱像儀作為太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光光束的探測裝置，可以實時地測量得到距離激光器出射端面一定距離范圍內的激光光束截面的二維分布情況。另外，本發(fā)明采用了在太赫茲頻段有很好透射特性的光學附件，可以使測量結果盡可能地反映激光器輸出激光的真實情況。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置至少包括激光器部分和激光探測部分，其中所述激光器部分包括用以提供電信號的驅動電源，用以提供低溫環(huán)境的冷頭，裝設于所述冷頭內用以導熱的熱沉，安裝于所述熱沉上并在所述驅動電源輸出的電信號驅動下輻射出太赫茲光的太赫茲量子級聯(lián)激光器，以及裝設在所述冷頭上并位于所述太赫茲光的射出路徑上的聚乙烯窗片；以及所述激光探測部分包括具有探測模塊的熱像儀，用以實時接收經所述聚乙烯窗片射出的太赫茲光，并將接收到的太赫茲光束的場形分布情況實時顯示，所述探測模塊為基于微型熱探測器單元的焦平面陣列，且所述探測模塊的焦平面陣列豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器激光出射端面預設的距離范圍內。
2.根據(jù)權利要求I所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列的二維像數(shù)為320X240，像元材料為氧化釩，探測頻率范圍覆蓋3 50THz，探測器的熱靈敏度為50mK，探測模塊的成像幀率為8. 5Hz。
3.根據(jù)權利要求I所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的激射頻率范圍覆蓋I. 2 5. OTHz。
4.根據(jù)權利要求3所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)是通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和 AlGaAs層的方式形成的。
5.根據(jù)權利要求4所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)為四阱共振聲子結構，所述四阱共振聲子結構包括179個周期結構，每個周期結構包含交替生長的GaAs層和Alai5Gaa85As層各4層。
6.根據(jù)權利要求5所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子級聯(lián)激光器的激射頻率范圍為4. 76 4. 78THz。
7.根據(jù)權利要求I所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述聚乙烯窗片采用高強度聚乙烯材料；所述聚乙烯窗片通過將灌制的高強度聚乙烯圓柱形材料進行切割、研磨和拋光而制成。
8.根據(jù)權利要求I所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述驅動電源為可編程電壓源或電流源。
9.根據(jù)權利要求I所述的太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置，其特征在于所述冷頭為一閉循環(huán)機械制冷系統(tǒng)的低溫輸出部分。
10.一種應用權利要求I 9中任意一項所述的測量裝置的方法，其特征在于所述方法至少包括以下步驟步驟一，根據(jù)對太赫茲量子級聯(lián)激光器出射激光光束發(fā)散特性的分析結果，將熱像儀探測模塊的焦平面陣列豎直放置于距所述太赫茲量子級聯(lián)激光器激光出射端面預設的距離范圍內；步驟二，采用驅動電源給所述太赫茲量子級聯(lián)激光器施加周期變化的電壓或電流，使所述太赫茲量子級聯(lián)激光器輻射出具有同樣周期變化的太赫茲光，所述周期變化的太赫茲光經過聚乙烯窗片后到達所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列上；以及步驟三，所述熱像儀探測模塊的焦平面陣列對周期變化的太赫茲光進行響應，產生相應的電信號，使周期變化的太赫茲光在焦平面上的強度分布實時地顯示在所述熱像儀的顯示屏幕中，通過分析該顯示屏幕中顯示的圖像所對應的數(shù)據(jù)得到所述太赫茲量子級聯(lián)激光器在距其出射端面預設距離處激光場形的二維分布結果，進而完成了對所述太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光場形的測量裝置及方法，該裝置包括激光器部分和激光探測部分；激光器部分包括驅動電源、冷頭、安裝于冷頭內的熱沉、安裝于熱沉上的太赫茲量子級聯(lián)激光器、安裝于冷頭上的聚乙烯窗片；激光探測部分包括熱像儀。本發(fā)明的優(yōu)點在于采用了制作技術成熟、性能穩(wěn)定可靠且具有實時顯示功能的熱像儀作為太赫茲量子級聯(lián)激光器輸出激光光束的探測裝置，該裝置可實時地測量得到距離激光器出射端面一定距離范圍內的激光光束截面的二維分布情況，從而為太赫茲量子級聯(lián)激光器在成像應用方面的性能測試提供一種很好的技術手段。
文檔編號H01S5/00GK102589713SQ20121000569
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者曹俊誠, 譚智勇, 郭旭光, 陳鎮(zhèn) 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所