科普 | 光学延迟线在太赫兹时域光谱技术中的应用

光学延迟线是一种能够改变光程的装置，在太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）、光学相干断层成像技术（OCT）、超快时间分辨率光谱技术等光学探测领域有广泛的应用。

在典型的基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统中，采用光电导采样方法对太赫兹时域信号进行采集。光电导取样是基于光导天线（photoconductive antenna，PCA）发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测，首先需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲（探测脉冲）对其门控，其中这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系；然后用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在PCA中形成光电流；最后，用一个与PCA相连的采集电路对这个电流进行进行采集与处理。其中，PCA中形成的光电流与THz瞬时电场是成正比的。而探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间延迟则是通过光学延迟线来实现的。

▲ 光电导天线探测原理

光学延迟线装置通过手动直线滑台、步进电机、音圈电机或直线电机等直线位移单元带动微位移平台上的反射器件进行单向移动，改变光程，从而实现光学延迟，由于微位移技术具有较高的可靠性且成本较低，这种方法被广泛地使用。另外，通过旋转电机也可带动反射器件进行高速旋转，改变光程进而实现光学延迟，这种方式可以实现更高的采样速率，但是相应的延迟精度也会降低。

▲ 快速光纤延迟线 & 原理图示

▲ 旋转延迟线  & 原理图示

延迟范围、延迟精度、插入损耗是光学延迟线的重要指标参数。

·延迟范围指的是光学延迟线的延迟时间窗口，反映延迟线所能提供的最大光程延迟，同时延迟范围的倒数直接反映的是频域信号的频谱分辨率，主要受结构布局、电机运动行程等的影响。

·延迟精度反映的是延迟线所能给出的最小延迟分辨率（包括不确定度），延迟精度对于采集到的太赫兹时域脉冲信号的准确性及信噪比至关重要，主要受电机平台性能及控制系统制约。

·插入损耗反映的是延迟线系统对激光功率的衰减程度，包括两个部分，一个是不同位置的绝对插损值，另一个是整个延迟范围内绝对插损值的变化，特别是插损变化直接影响的是太赫兹时域脉冲信号采集的准确性。

综上所述，光学延迟线在太赫兹时域光谱系统中具有至关重要的作用，是影响太赫兹信号准确性、信噪比以及频谱分辨率的关键环节。

太赫兹核心零部件与周边部件

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