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仪表网 会议报道】5月24日，中国光学学会组织专家对武汉光电国家研究中心/光谷实验室张新亮教授团队完成的“50MHz帧率的高分辨率太赫兹频谱分析仪”进行了科技成果评价。专家组由来自高校、研究院所的8位专家组成，叶朝辉院士和潘垣院士担任专家组组长和副组长。
在国家脉冲强磁场研究中心现场，专家组现场观看了太赫兹频谱分析仪用于高功率回旋管太赫兹源的频率测量。得益于50MHz的测量帧率，太赫兹频谱分析仪能以20ns一帧的速率对太赫兹源频率变化进行精准追踪，成功实现对持续时间为100μs、频率为370GHz的单脉冲太赫兹信号的频率测量，可清晰观察到太赫兹源在150GHz带宽内的边带振荡现象，也可以捕捉到在太赫兹源启动过程中信号频率由振荡到稳定的动态过程。相对于现有的混频法测试方案，研制的太赫兹频谱分析仪首次实现频率在大带宽范围内的动态变化追踪。
图1用于回旋管太赫兹源测试的太赫兹频谱分析仪
成果评价会上，张新亮详细汇报了太赫兹频谱分析仪的工作原理、技术难点、仪器架构和具体研制过程。该仪器基于团队提出的太赫兹光学频域频谱分析技术(THz-f-LISA)，将太赫兹信号加载到光信号上之后，利用色散导致的频时变换，将频谱的强度变化映射到时域上的强度变化，再经光电转换之后，用大带宽实时示波器进行时域观察。整体仪器包含光学系统、采集系统和分析系统三个部分，包含高稳定度50MHz重频的飞秒激光器、宽带太赫兹信号加载、高阶色散补偿、大带宽光电探测器、频率交织采样、大带宽ADC器件、频谱分析和可视化技术等关键技术难点。仪器研制过程中，研究团队充分发挥各成员在光信号处理、光电探测器、ADC器件、仪器化方面的研究优势，成功研制出快速频谱分析仪样机，测量帧率为50 MHz，频谱分辨率为496MHz，测量带宽可达1.525THz，仪器的时间带宽积达到了10。仪器研制过程中，还实现了大带宽实时采集系统的自主研制，研制的锗硅光电探测器实测带宽达109GHz、暗电流低至0.7nA、响应度达1.03A/W、噪声等效功率达1.62×10⁻¹⁴W/Hz¹/²，频率交织技术中利用三路18GHz带宽的ADC器件实现50GHz宽带、120GSa/s采样率的采集系统。
图2太赫兹频谱分析仪整体架构示意图
按照科技成果评价规定的标准及程序，专家组审阅了科技成果评价相关材料，审核了前期第三方测试机构提供的测试报告，经过专家质询、综合评价等环节，对该项目的创新性和先进性等方面进行了客观公正的评价。专家组一致认为该仪器创新性强、研制难度大，实现50MHz帧率的高分辨率太赫兹频谱分析仪的自主研制。专家组认为该仪器及其总体技术方案国际首创，其中频谱仪的测量帧率和时间带宽积以及光电探测器的综合性能指标达到国际领先水平。
据悉，该仪器是张新亮教授研究团队在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目的支持下，历经5年研制完成。研制过程中陈燎博士、张驰教授、曹丹华教授、杨奇教授、吴裕斌副教授、余宇教授分别负责不同的研究内容，对仪器研制目标的实现都作出重要的贡献。该仪器目前可应用于太赫兹雷达、太赫兹连续源、回旋管脉冲太赫兹源等多种场景下的瞬态频谱测量，但目前还只能测试较强的太赫兹信号。在进一步改进仪器信号接收动态范围的基础上，有望在下一代无线通信、太赫兹检测、太赫兹与物质相互作用等领域得到更多的具体应用，为太赫兹科学与技术的进步作出一定贡献。
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