CN102589698B - 一种可变角度反射测量装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变角度反射测量装置，包括：分别独立控制的第一旋转台和第二旋转台，这两个旋转台的转轴重合；第一旋转台上的样品支架，用于固定样品，使样品的反射面垂直于第一旋转台；位于样品支架的与第一旋转台相反一侧的第一反射镜，反射镜的反射面和样品的反射面垂直，且反射镜的反射面和样品的反射面的交线与第一旋转台和第二旋转台的转轴重合；固定到第二旋转台上的第二反射镜，用于反射从样品发出的第一光束，并将该第一光束垂直于第二旋转台出射，形成第二光束，该第二光束的出射方向与第二反射镜位于第二旋转台的同侧；第三反射镜，用于将从第二反射镜出射的第二光束反射到第一反射镜上。

Description

一种可变角度反射测量装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量装置，特别是涉及一种在时域双光束关联测量中，实现光程恒定可变角度反射测量的装置。

背景技术

在很多涉及到双光束关联测量的场合，比如脉冲符合计数测量、时间分辨光谱测量、光学泵浦-探测分析和太赫兹时域光谱分析等领域，待测脉冲信号的时间特性分析通常由另一个不通过样品、经不同光路传播的取样脉冲来提供时间基准，两个脉冲之间必须保持一个确定和可控的时间关系。对于这类光学测量，对样品的透射信号进行测量和分析，是最为常规的实验测量方法。在透射测量中，对于使用最多的薄片状样品，在任何入射角下，信号和取样脉冲之间相对确定的时间关系很容易保持，样品位置在测量光路中的平移(或位置的不确定性)不会对测量产生实质性影响。但是，对于一些吸收很大、透射信号不能保证有效的测量动态范围的样品，或者透射信号和反射信号分别含有不关联的独立信息情况下，就必须进行反射测量。和通常的反射测量不同，对于上面提到的那些需要双光束保持精确时间相关的场合，如果没有特殊安排，当改变入射角时，从样品反射出的信号就会改变传播方向，而且在随后的传播过程中光程也会改变，这种情况的出现必然会使信号脉冲和取样脉冲之间的时间关系变得复杂，甚至完全不可控。此外，在改变入射角时，样品的反射面还可能产生空间平移(这是一个会普遍发生的情况)，即使通过光路安排保持经样品反射后的传播方向不变，信号脉冲的光程也会发生改变。在这种情况下，信号和取样脉冲之间的时间确定性被破坏，即使采用标定程序对实验数据进行后处理来恢复这个时间关系，也增加了数据的误差来源和实验操作的复杂性。所以，通过光路设计来避免这种情况发生，具有提高实验效率、保证数据采集精度的作用。

以太赫兹时域光谱分析为例。太赫兹时域光谱(THz-TDS)是目前使用最为广泛的太赫兹光谱分析方法，其中透射型太赫兹光谱仪已经成为一种标准实验室分析技术，并已有商业仪器。但是，可变角度的反射型太赫兹时域光谱分析能力，无论在实验室装置还是商业仪器中，却一直未能成为标准配置。其中的原因，就是这种测量需要在太赫兹信号脉冲和取样测量脉冲之间维持确定的时间关系，而现有的各种实验装置(包括商业仪器)很难在改变入射角时，保证传播方向和光程都不变。即使在纯科学研究中，世界上实验室中迄今所进行的反射太赫兹时域光谱分析，基本都是在在固定角度下进行的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可变角度反射测量装置，能够在改变入射角时，光程的变化可以精确标定和校正，实现光程恒定的可变角度反射测量。

本发明提供一种可变角度反射测量装置，包括：

分别独立控制的第一旋转台和第二旋转台，这两个旋转台的转轴重合；

第一旋转台上的样品支架，用于固定样品，使样品的反射面垂直于第一旋转台；

第一反射镜，位于样品支架的与第一旋转台相反的一侧，该第一反射镜的反射面和样品的反射面垂直，且其反射面和样品的反射面的交线与第一旋转台和第二旋转台的转轴重合；

固定到第二旋转台上的第二反射镜，用于反射从样品发出的第一光束，并将该第一光束垂直于第二旋转台出射，形成第二光束，且该第二光束的出射方向与第二反射镜位于第二旋转台的同侧；

第三反射镜，用于将从第二反射镜出射的第二光束反射到第一反射镜上。

根据本发明提供的装置，包括位于第二旋转台上的悬臂，第二反射镜位于该悬臂上。

根据本发明提供的装置，其中所述第二反射镜为离轴抛物面镜。

根据本发明提供的装置，其中所述第二反射镜为平面反射镜。

根据本发明提供的装置，其中所述离轴抛物面镜的焦点与聚焦到样品表面的会聚光束的焦点重合。

根据本发明提供的装置，还包括可翻转反射镜，其位于测量光路中，从第一反射镜出射的光被多个反射镜反射后入射到所述可翻转反射镜上。

根据本发明提供的装置，其中在反射测量模式中，可翻转反射镜的角度使入射到可翻转反射镜上的光反射进入测量光路，同时阻挡从样品透射的透射光进入测量光路。

根据本发明提供的装置，其中在透射测量模式中，可翻转反射镜的反射面平行于测量光路，使从样品透射的透射光进入测量光路。

本发明还提供一种上述装置的操作方法，包括：

旋转第一旋转台，使入射到样品上的光束与样品反射表面之间所呈的入射角为θ；

使第二旋转台向同一旋转方向旋转2θ角，使第二反射镜反射从样品反射的光。

根据本发明提供的操作方法，当反射测量模式时，翻转可翻转反射镜，使入射到可翻转反射镜上的光反射进入测量光路，同时阻挡从样品透射的透射光进入测量光路，当透射测量模式时，翻转可翻转反射镜，使翻转反射镜的反射面平行于测量光路，使从样品透射的透射光进入测量光路。

本发明的装置中，反射测量在改变样品入射角情况下，仍能维持光程恒定，并维持和另外一路取样信号的时间相关性，且在每一个入射角下，透射和反射测量可以仅仅通过翻转一面反射镜实现，并保证通过样品的透射和反射信号具有完全相同的测量光路。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据实施例1的光程恒定可变角度反射测量装置的俯视示意图；

图2是根据实施例1的装置在太赫兹(THz)时域光谱测量仪中应用的立体示意图；

图3a是用本发明装置测得的不同角度下一个金属镜参考样品的太赫兹电场反射时域波形数据；

图3b是图3a中波形信号对应的傅立叶变换光谱；

图4是根据本发明实施例2的装置对聚四氟乙烯和高阻硅薄片样品在1THz(10¹²Hz)频率处测得的反射率随入射角度的变化(圆点)，以及和理论计算结果(实线)的对比，内插图为原始测量的反射太赫兹波的电场峰值随入射角的变化。

具体实施方式

根据本发明的实施例提供了一种如图1所示的可变角度反射测量装置，包括：

样品旋转台1002和反射光旋转台1003，这两个旋转台的旋转轴重合，且分别独立控制，样品旋转台1002和反射光旋转台1003水平放置(在该实施例中，为了方便各个部件之间的相对位置的描述，因此使样品旋转台1002和反射光旋转台1003水平放置)；

样品旋转台1002上的样品支架(图中未示出)，用于固定样品1001，使样品的反射面垂直于样品旋转台1002；

固定于样品支架上方的反射镜1007，反射镜1007的反射面和样品1001的反射面保持90°，这两个平面的交线与样品旋转台1002和反射光旋转台1003的转轴重合；

固定到反射光旋转台1003上的水平悬臂1004，悬臂1004上放置有离轴抛物面反射镜1005，离轴抛物面镜1005的轴线与样品旋转台1002和反射光旋转台1003的转轴平行，且离轴抛物面镜1005的焦点与水平入射并聚焦到样品1001表面的会聚光束1009的焦点重合；

水平悬臂1004上方的反射镜1006，与样品架上方的反射镜1007的反射中心在一个水平面上，反射镜1006的反射面的法线方向与离轴抛物面镜1005的轴线呈45°，使从离轴抛物面镜1005垂直向上入射到反射镜1006的光被反射后，与从样品1001表面反射的光的方向平行且相反，并反射到反射镜1007上。

水平入射并聚焦到样品1001表面的会聚光束1009入射到样品1001上后，从样品的反射表面反射的发散光束1013经过离轴抛物面镜1005反射以后，成为向上传播的平行光束，然后该平行光束被其上方的反射镜1006反射，成为反射光束1014，该反射光束1014沿水平方向返回样品方向(这时该反射光束1014已被抬升，其传播方向和发散光束1013的轴线反向平行)，然后被样品上方的反射镜1007反射，成为反射光束1010，进入后续测量光路。

对于水平入射到样品表面的会聚光束1009，样品上的入射角(θ)由样品旋转台1002的转动实现，反射光旋转台1003则转动到相应的出射角(2θ)位置，样品反射的信号由随着反射光旋转台1003运动的离轴抛物面镜1005收集。无论入射角θ怎么变化，经过样品反射的信号在相继通过离轴抛物面镜1005、反射镜1006，最后到达反射镜1007的过程中，这一段光程总是保持不变，并且，由于反射镜1007的反射面和样品1001的反射面保持90°，这两个平面的交线与样品旋转台1002和反射光旋转台1003的转轴重合，因此通过反射镜1007以后的传播方向也不变，从而能够在样品入射角变化的情况下保持光程恒定，并保持出射光的方向不变。

在该实施例中，为了方便各个部件之间的相对位置的描述，因此使样品旋转台1002和反射光旋转台1003水平放置。但是在实际应用中，可使该可变角度反射测量装置整体地旋转，且其中的各个部件之间的相对位置保持不变。

本实施例提供的可变角度反射测量装置可用于如图2所示的标准太赫兹时域光谱仪中，使用ZnTe晶体2017产生太赫兹发散光束，光路中的四个离轴抛物面镜2019、2020、2021和2022是透射测量模式的标准配置，对太赫兹波光束在经过样品的前后进行准直、聚焦，四个离轴抛物面镜2019、2020、2021和2022中间的区域(即图2中所示的虚线围绕的区域)内为可变角度反射测量装置。

该可变角度反射测量装置包括：

样品旋转台2002和反射光旋转台2003，两个旋转台的转轴重合，且分别独立控制，样品旋转台2002和反射光旋转台2003水平放置(为了方便各个部件之间的相对位置的描述，因此使样品旋转台1002和反射光旋转台1003水平放置)；

样品旋转台2002上的样品支架(图中未示出)，用于固定样品2001，使样品的反射面垂直于样品旋转台2002；

固定于样品支架上方的反射镜2007，反射镜2007的反射面和样品2001的反射面保持90°，这两个平面的交线与样品旋转台2002和反射光旋转台2003的转轴重合；

固定到反射光旋转台2003上的离轴抛物面反射镜2005，离轴抛物面镜2005的轴线与样品旋转台2002和反射光旋转台2003的转轴平行，且离轴抛物面镜2005的焦点与水平入射并聚焦到样品2001表面的会聚光束2009的焦点重合；

离轴抛物面镜2005上方的反射镜2006，与样品架上方的反射镜2007的反射中心在一个水平面上，反射镜2006的反射面的法线方向与离轴抛物面镜2005的轴线呈45°，使从离轴抛物面镜2005垂直向上入射到反射镜2006的光被反射后，与从样品2001表面出射的光的方向平行且相反，并反射到反射镜2007上；

反射镜2023、反射镜2024和位于测量光路中的可翻转反射镜2008，从反射镜2007出射的反射光束2010被反射镜2023水平反射后再被反射镜2024垂直向下反射，入射到位于测量光路中的可翻转反射镜2008上，当可翻转反射镜2008抬起时(如图2中所示的状态)，使入射到可翻转反射镜2008上的光反射进入测量光路2012。

在透射测量模式下，使可翻转反射镜2008的反射面放平，使其平行于测量光路，入射光束2009直接穿过样品2001，透射的发散束2011位于反射光束2010的下方，且发散束2011的轴线与光束2010平行，发散束2011经离轴抛物面镜2022变成平行光束，由于可翻转反射镜2008的反射面放平，不会阻挡该平行光束，因此该平行光束进入测量光路2012。

在反射测量模式中，反射光束2010被反射镜2023、反射镜2024反射以后，以45度角垂直向下传播，再以45度角入射到可翻转反射镜2008后变成水平传播，进入测量光路2012，这时，反射镜2008挡住透射光2011，实现对经过样品2001反射的信号的测量。

因此，把反射镜2008抬起即可切换到反射测量模式，把反射镜2008放平即可切换到透射测量模式，能够方便、简单地进行测量模式的切换。

在进行透射测量时，在离轴抛物面镜2021和2022之间的可翻转反射镜2008保持翻起，让透射太赫兹信号通过，经高阻硅片2026后，和取样脉冲2016在ZnTe晶体2018中汇合，通过行波电光取样过程对太赫兹时域电场波形进行测量。

透射和反射模式之间的切换过程中，当切换到反射测量模式时，如果需要的话，可补偿反射光路引入的附加光程，例如通过计算机控制入射光路2015中的一个电动平移台，使其上的一对反射镜运动到一个新的位置，以补偿反射光路引入的附加光程改变，这一操作和样品的入射角无关，所以，透射和反射模式之间的切换过程中，这个平移台只是在两个固定的对应位置之间转换。这样，就实现了不同入射角下保持恒定光程的反射信号传播和测量

图3(a)是用本实施例提供的装置测得的不同角度下一个金属镜参考样品的太赫兹电场反射时域波形数据，图3(b)是图3(a)中太赫兹电场波形信号对应的傅立叶变换光谱。图4是用本实施例提供的装置对聚四氟乙烯和高阻硅薄片样品在1THz频率处测得的反射率随入射角度的变化，以及和理论计算结果的对比。

根据本发明的其他实施例，在上述采用聚焦光束入射到样品上进行测量的情况下，采用离轴抛物面反射镜1005、2005，而对于采用非聚焦的平行光进行测量的情况，上述离轴抛物面镜1005、2005可以由一块平面反射镜代替，其它设置不变。

在上述实施例中，为了方便各个部件之间的相对位置的描述，使样品旋转台和反射光旋转台水平放置。但是在实际应用中，可使该可变角度反射测量装置整体地旋转，其中的各个部件之间的相对位置保持不变。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种可变角度反射测量装置，包括：

分别独立控制的第一旋转台和第二旋转台，这两个旋转台的转轴重合；

第一旋转台上的样品支架，用于固定样品，使样品的反射面垂直于第一旋转台；

第一反射镜，位于样品支架的与第一旋转台相反的一侧，该第一反射镜的反射面和样品的反射面垂直，且其反射面和样品的反射面的交线与第一旋转台和第二旋转台的转轴重合；

固定到第二旋转台上的第二反射镜，用于反射从样品发出的第一光束，并将该第一光束垂直于第二旋转台出射，形成第二光束，且该第二光束的出射方向与第二反射镜位于第二旋转台的同侧；

第三反射镜，用于将从第二反射镜出射的第二光束反射到第一反射镜上，

其中所述第一反射镜的反射中心与所述第三反射镜的反射中心位于与所述第二旋转台所在的平面相平行的一个平面内。

2.根据权利要求1所述的装置，包括位于第二旋转台上的悬臂，第二反射镜位于该悬臂上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二反射镜为离轴抛物面镜。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二反射镜为平面反射镜。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述离轴抛物面镜的焦点与聚焦到样品表面的会聚光束的焦点重合。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括可翻转反射镜，其位于测量光路中，从第一反射镜出射的光被多个反射镜反射后入射到所述可翻转反射镜上。

7.根据权利要求6所述的装置，其中在反射测量模式中，可翻转反射镜的角度使入射到可翻转反射镜上的光反射进入测量光路，同时阻挡从样品透射的透射光进入测量光路。

8.根据权利要求6所述的装置，其中在透射测量模式中，可翻转反射镜的反射面平行于测量光路，使从样品透射的透射光进入测量光路。

9.如权利要求1至5中任一项所述的装置的操作方法，包括：

旋转第一旋转台，使入射到样品上的光束与样品反射表面之间所呈的入射角为θ；

使第二旋转台向同一旋转方向旋转2θ角，使第二反射镜反射从样品反射的光。

10.如权利要求7或8所述的装置的操作方法，当反射测量模式时，翻转可翻转反射镜，使入射到可翻转反射镜上的光反射进入测量光路，同时阻挡从样品透射的透射光进入测量光路，当透射测量模式时，翻转可翻转反射镜，使翻转反射镜的反射面平行于测量光路，使从样品透射的透射光进入测量光路。