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科普 | 异步采样太赫兹时域光谱系统

THz-TDS 系统应用最早、使用最广的是基于机械延迟线的 THz-TDS 技术，但传统系统由于机械惯性的原因不能实现快速扫描，于是在1987年提出了基于异步光学采样 ( Asynchronous optical sampling，简称 ASOPS ) 技术，它是超快光谱学与飞秒激光相结合的一项新兴技术。

采用两台锁模激光器，一台作为泵浦光源-重复频率为f，一台作为探测光源-重复频率为f+Δf。假设 t₀时间泵浦光和探测光脉冲在时间上重合，由于重复频率不同，在下一脉冲到达时二者有时间差Δt；以后每个脉冲依次增加一个时间差Δt，直到二者再次重合为止，形成一种等效时间采样，从而实现探测光对 THz 脉冲的时间取样测量，扫描频率差Δf 满足：

系统采用两台锁模激光器，一台作为泵浦光，另一台为探测光，两束激光脉冲的重复频率有一个固定的差值，每个脉冲之间的相对时间延迟从０到泵浦脉冲重复频率的倒数呈线性增长，即假设在某个脉冲时 THz脉冲和探测光的脉冲在时间上重合，由于二者的重复频率不同，则在下一脉冲时两个脉冲之间有个时间差，以后的每个脉冲都依次增加一个时间差，直到二者再次重合为止，从而实现探测光对一个太赫兹脉冲的取样测量。

上图中依次为泵浦光、探测光和采样得到的电场强度在同一尺度时间上的相互关系，比较形象地描述了探测光对泵浦光的扫描探测。由图可以得出，完成一次脉冲扫描的时间内，探测光脉冲与泵浦光脉冲总数相差为1；因此，可以假设采样出来的信号的采样点数为n，THz脉冲重复频率为fr＋Δf，探测脉冲的重复频率fr则它们之间的关系为：

ASOPS（异步光学采样）可能是高速太赫兹时域光谱系统和基于TDS的层析成像系统的唯一技术选择，其做到了速度、延迟范围、光谱分辨能力的兼得，但成本因素将作为制约在较长时间继续影响其推广发展，期待在不远的未来发展新的低成本技术方案。

ASOPS作为更为先进的THz-TDS技术方案，彻底解决了空间光与光波导耦合以及机械惯性带来的效率问题，让THz-TDS光谱分辨率更高、成谱更快、结构更紧凑，但仍然没有解决太赫兹波自由空间传输最后0.5m的问题，目前正在研制的太赫兹波导光纤器件有望在未来助力形成完全集成、紧凑、灵活、可靠的太赫兹时域光谱系统。