CN103743681A - 一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于太赫兹时域光谱诊断技术领域，尤其是一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头。本发明所要解决的技术问题是：目前太赫兹时域光谱系统大多采用离轴抛面镜对太赫兹脉冲进行空间传播，在结构上复杂，光程长，稳定性差，使太赫兹波的能量利用率低下。针对上述存在的问题，提供一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头，通过太赫兹转换器将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光，进而通过太赫兹收发探头接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，进行样品反射式探测和透射式探测，得到样品光谱信息。解决了现有技术中存在的太赫兹光谱仪结构复杂，体积大的问题。进一步的，解决现有技术中太赫兹收发探头体积大，太赫兹能量利用效率低的缺点。本发明包括激光器、太赫兹转换器、太赫兹收发探头等。本发明应用于太赫兹光谱成像与诊断应用领域。

Description

一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头

技术领域

本发明涉及属于太赫兹时域光谱诊断技术领域，尤其是一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头。

背景技术

THZ波或称为太赫兹射线是上个世纪80年代中后期，才被正式明明的。太赫兹波是指频率在0.1THZ到10THZ范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平成像、化学和生物的检查、以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。

目前太赫兹时域光谱系统大多采用离轴抛面镜对太赫兹脉冲进行空间传播，在结构上复杂，光程长，稳定性差，使太赫兹波的能量利用率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种太赫兹光谱仪及太赫兹收发探头，通过太赫兹转换器将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光，进而通过太赫兹收发探头接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，进行样品反射式探测和透射式探测，得到样品光谱信息。解决了现有技术中存在的太赫兹光谱仪结构复杂、体积大、探测效率低的缺点。进一步的，通过太赫兹透镜与光导天线位置设置，解决现有技术中太赫兹收发探头体积大，太赫兹能量利用效率低的缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种太赫兹光谱仪包括：

激光器，用于发射激光；太赫兹转换器，用于将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光；探测光比泵浦光有T时间延迟；所述T是皮秒级到纳秒级；

太赫兹收发探头10，用于接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，产生辐射太赫兹波进行样品反射式探测和透射式探测，通过携带样品信息的太赫兹波进行探测得到样品表面光谱。

进一步的，所述太赫兹收发探头包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜； 

第一光导天线，泵浦光辐射在第一光导天线两电极间的光电导材料上辐射出太赫兹脉冲；由第一光导天线辐射出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹透镜、第三太赫兹透镜后，入射至样品表面反射后经过第二太赫兹透镜后辐射到第二光导天线的光电导材料上；

第二光导天线，探测光经过光学延迟线延迟后入射到透镜上后聚焦辐射在第二光导天线的光电导材料上，通过探测光辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上产生自由载流子，与此同时自由空间传播的携带样品信息的太赫兹脉冲也辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上，既可以驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流；

所述第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜的中心距P，第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜直径为X，所述第三太赫兹透镜的直径Y满足：                                                

；泵浦光光能量和探测光光能量对应分别不超过第一光导天线、第二光导天线的能量阀值。

进一步的，所述第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜分别与第三太赫兹透镜的焦距为8f或者4f。

进一步的，所述太赫兹转换器包括：

分光装置，用于将激光器发射的激光分为为泵浦光、探测光，其中泵浦光通过第二透镜8入射至太赫兹收发探头一输入端口，探测光入射至延迟角度转换装置中；所述泵浦光与分光装置入射光光轴垂直；泵浦光通过第一透镜9入射至太赫兹收发探头的探测光与分光装置入射光光轴垂直；

延迟角度转换装置，用于将第一分光器输出的探测光进行光信号T时间延迟，并将探测光延迟信号入射至太赫兹收发探头另一输入端口。

进一步的，所述分光装置包括分光器及第一调整器，所述其中分光器指的是分束镜5或半反半透透镜，第一调整器是第二

波片6或者第二波片，第一调整器用于调节泵浦光和探测光的功率比。

进一步的，所述延迟角度转换装置包括延迟装置和角度转换装置，延迟装置是延迟线7。角度转换装置是分束镜14、反射镜或者半反半透透镜。

进一步的，当所述角度转换装置是分束镜时，延迟角度转换装置还包括检测装置13，所述分束镜将延迟线输出探测光进行功率分配，经过分束镜透射的探测光入射至检测装置，进行功率检测；经过分束镜反射的探测光入射至太赫兹收发探头另一输入端口。

进一步的，所述太赫兹转换器还包括第一可调反射镜2、第二可调反射镜4、第二调整器，所述激光器1发射激光依次经过第一可调反射镜、第二调整器、第二可调反射镜后，调整激光进入分光装置，所述激光器发射的激光与分光装置入射方向为α，所述α范围是0到180°，第二调整器是第一

波片3。

一种太赫兹收发探头，此探头用于接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，进行样品反射式探测和透射式探测，得到样品光谱信息，所述太赫兹收发探头包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜，

第一光导天线，泵浦光辐射在第一光导天线两电极间的光电导材料上辐射出太赫兹脉冲；由第一光导天线辐射出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹透镜、第三太赫兹透镜后，入射至样品表面反射后经过第二太赫兹透镜后辐射到第二光导天线的光电导材料上；

第二光导天线，探测光经过光学延迟线延迟后入射到透镜上后聚焦辐射在第二光导天线的光电导材料上，通过探测光辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上产生自由载流子，与此同时自由空间传播的携带样品信息的太赫兹脉冲也辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上，既可以驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流。

所述第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜的中心距P，第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜直径为X，所述第三太赫兹透镜的直径Y满足：；泵浦光光能量和探测光光能量对应分别不超过第一光导天线、第二光导天线的能量阀值。

进一步的，所述第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜分别与第三太赫兹透镜的焦距为8f或者4f。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）                  通过太赫兹转换器将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光，进而通过太赫兹收发探头接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，在不改变光路的情况下可以实现对不同厚度的样品进行样品反射式探测和透射式探测，得到样品光谱信息。实现对固体，液体样品的探测。例如，分子制样的压片，生物制样的石蜡标本、血液、新鲜的生物样品等。

2）                  光谱仪通过分光装置将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光，其中探测光经过太赫兹转换器后延迟T时间，精确控制太赫兹收发探头中样品表面泵浦光及探测光干涉时间，形成精确的干涉图谱，为后续数据处理提供精确的数据。改为通过调节延迟时间来获得探测脉冲和携带样品光谱信息的太赫兹脉冲在不同时间下的光电流，来获得携带样品信息的太赫兹脉冲的电场时间波形。

3）                  在2）基础上，本光谱仪通过两个可调反射镜（第一可调反射镜、第二可调反射镜），改变激光器发射的激光路径，让激光器发射的激光与分光装置入射方向可以呈现α，当α为180°时。实现了本光谱仪小型化的效果。

4）                  在2）或者3）基础上，当所述角度转换装置是分束镜时，还包括检测装置，所述分束镜将延迟线输出探测光进行功率等分，经过分束镜透射的探测光入射至检测装置，进行功率检测，方便实用，可以实时监测到探测光和泵浦光的能量比。为操作人员提供一个参考。

5）                  可以方便的调节透镜组合样品的距离问题：在收发探头系统后面的便是可以进行三维调整的样品调节台12。通过沿光轴方向的调整就可以实现透镜组与样品的距离调节。此外还可以通过垂直于光轴的面的样品台的二维调节实现太赫兹波的逐点成像。

6）                  本发明的太赫兹光谱仪器实现小型化设计。太赫兹转换器的尺寸为515mm×150mm×150mm,太赫兹探头的尺寸为140mm×148mm×150mm。

7）                  在5）基础上，当所述第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜分别与第三太赫兹透镜的焦距为8f或者4f时,可以提高太赫兹波的能量利用率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是光谱仪结构示意图。

图2太赫兹收发探头结构示意图。

图3a是太赫兹收发探头反射式探测样品表面示意图。

图3b是太赫兹收发探头透射式探测样品表面示意图。

附图标记：

1-激光器     2-第一可调反射镜     3-第一

波片     

4-第二可调反射镜           5-分束镜            6-第二

波片

7-延迟线                8-一第二透镜       9-第一透镜

10-太赫兹收发探头      11-样品             12-样品调节台

13-太赫兹功率计        14-第一太赫兹透镜   15-第二太赫兹透镜

16-第三太赫兹透镜      17-第二光导天线     18-第一光导天线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一、本发明相关说明：

1.   激光器指的是飞秒激光器。激光器可以是自由空间激光器也可以是光纤激光器。此外通过改变光导天线的基底材料可以使用不同中心波长的飞秒激光器。例如780n和1560nm的飞秒激光器。

分光装置包括分光器及调整器，其中分光器指的是分束镜、半反半透透镜。分束镜反射的激光（泵浦光）与太赫兹收发探头第一光导天线方向一致。分束镜透射的激光（探测光）入射至延迟角度转换装置入射端口（延迟器或者延迟线输入端口）；延迟角度转化装置输出端口输出的激光与太赫兹后发探头第二光导天线方向一致。）

3.   延迟角度转换装置包括延迟装置和角度转换装置，延迟装置是延迟线。角度转换装置是分束镜、发射镜或者半反半透透镜。分束镜透射的激光（探测光）经过延迟装置后，在经过角度转换装置，与太赫兹收发探头第二光导天线方向一致。

如图3a、3b所示，反射式探测和透射式探测反射式探测的方法为：在样本前端（距离太赫兹收发探头距离较近一端）加太赫兹窗口（例如石英、聚乙烯等），通过记录样品表面的反射波形信号，实现对样品的反射式测量；透射式探测的方法为：在样本前端（距离太赫兹收发探头距离较近一端）加太赫兹窗口（例如石英、聚乙烯等），同时在样本后端（距离太赫兹收发探头距离较远一端）加太赫兹全反镜，计算机通过记录太赫兹全反镜反射的太赫兹波形信号，实现对样品的透射式测量。

检测装置是太赫兹功率计。

本装置太赫兹光谱仪产生的光电流通过后续计算机（电路）进行信号处理，可得到被测样品光谱信息。

光导天线的偏置电压调节范围是0-10000v。

第一调整器是

波片时，所述1/2波片主要是改变探测光的偏振方向，提高探测效率。改变光的偏振方向。第二调整器是

波片时主要用于调整飞秒激光的偏振方向来改变分光装置（分束镜）的分束比，得到合适的泵浦光和探测光能量。第二个1/2波片主要是调整探测光的偏振方向提高探测效率。

9.    太赫兹转换器中分光装置，用于将激光器发射的激光分为为泵浦光、探测光，产生辐射太赫兹波进行样品反射式探测和透射式探测，通过携带样品信息的太赫兹波进行探测得到样品表面光谱。

10.         延迟角度转换装置包括延迟装置、角度转换装置及检测装置时，角度转换装置（分束镜）将延迟装置（延迟线）输出探测光进行功率分配，经过分束镜透射的探测光入射至检测装置，进行功率检测。

11.         本光谱仪还可以通过改变光导天线的基底材料，选用不同中心波长的飞秒激光器（如780nm和1560nm的激光器），此外本光谱仪还可以选用自由空间传输的激光器和光纤激光器。

12.         光导天线可以是小口径光导天线也可以是大口径光导天线。

13.f为焦距。

二、工作原理：

太赫兹收发探头工作原理： 

飞秒激光器发射的激光经过第一分束镜后分为两路，分别为泵浦光和探测光。泵浦光经过第二透镜后聚焦辐射在第一光导天线的光电导材料上激发出载流子，载流子在在外加偏置电压的电场作用下定向运动并辐射出太赫兹脉冲。辐射出的发散的太赫兹脉冲通过第一太赫兹透镜后聚集到第三太赫兹透镜上，第三太赫兹透镜将太赫兹脉冲聚焦后辐射在样品上，携带样品光谱信息的太赫兹脉冲反射后经第三太赫兹透镜聚集入射到第二太赫兹透镜上，经第二太赫兹透镜聚焦后辐射在第二光导天线的光电导材料上，与此同时探测光经过延迟线后在第二透镜的作用下聚焦辐射入第二光导天线的光电导材料上产生载流子，携带样品信息的太赫兹脉冲驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流。记录探测脉冲和携带样品信息的太赫兹脉冲在不同时间延迟下的光电流，就可以获得携带样品光谱信息的太赫兹脉冲的电场时间波形。

三、本装置结构：

1、光谱仪结构：

1）如图1所示，光谱仪包括激光器、太赫兹转换器和太赫兹收发探头。太赫兹转换器包括分光装置和延迟角度转换装置。太赫兹收发探头包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜。

2）在上述基础上，当所述角度转换装置是分束镜时，延迟角度转换装置还包括检测装置，所述分束镜将延迟线输出探测光进行功率分配，经过分束镜透射的探测光入射至检测装置，进行功率检测；经过分束镜反射的探测光入射至太赫兹收发探头另一输入端口。

3）在上述1）或2）基础上，太赫兹转换器还包括第一可调反射镜、第二可调反射镜、第二调整器，所述激光器发射激光依次经过第一可调反射镜、第二调整器、第二可调反射镜后，调整激光进入分光装置，所述激光器发射的激光与分光装置入射方向为180夹角。

2、太赫兹收发探头结构：

如图2所示，包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜，第一光导天线，泵浦光辐射在第一光导天线两电极间的光电导材料上辐射出太赫兹脉冲；由第一光导天线辐射出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹透镜、第三太赫兹透镜后，入射至样品表面反射后经过第二太赫兹透镜后辐射到第二光导天线的光电导材料上；

第二光导天线，探测光经过光学延迟线延迟后入射到透镜上后聚焦辐射在第二光导天线的光电导材料上，通过探测光辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上产生自由载流子，与此同时自由空间传播的携带样品信息的太赫兹脉冲达时，既可以驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流。

第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜的中心距P，第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜直径为X，第三太赫兹透镜的直径Y满足：；泵浦光光能量和探测光光能量对应分别不超过第一光导天线、第二光导天线的能量阀值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (10)

1.一种太赫兹光谱仪，其特征在于包括：

激光器，用于发射激光；

太赫兹转换器，用于将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光；探测光比泵浦光有T时间延迟；所述T是皮秒级到纳秒级；

太赫兹收发探头，用于接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，产生辐射太赫兹波进行样品反射式探测和透射式探测，通过携带样品信息的太赫兹波进行探测得到样品光谱信息对应的光电流。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述太赫兹收发探头包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜； 

第一光导天线，泵浦光辐射在第一光导天线两电极间的光电导材料上辐射出太赫兹脉冲；由第一光导天线辐射出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹透镜、第三太赫兹透镜后，入射至样品表面反射后经过第二太赫兹透镜后辐射到第二光导天线的光电导材料上；

第二光导天线，探测光经过光学延迟线延迟后入射到透镜上后聚焦辐射在第二光导天线的光电导材料上，通过探测光辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上产生自由载流子；与此同时自由空间传播的携带样品信息的太赫兹脉冲也辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上，驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流；

所述第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜的中心距P，第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜直径为X，所述第三太赫兹透镜的直径Y满足：                                                

；泵浦光光能量和探测光光能量对应分别不超过第一光导天线、第二光导天线的能量阀值。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜分别与第三太赫兹透镜的焦距为8f或者4f。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述太赫兹转换器包括：

分光装置，用于将激光器发射的激光分为为泵浦光、探测光，其中泵浦光通过第二透镜8入射至太赫兹收发探头一输入端口，探测光入射至延迟角度转换装置中；所述泵浦光与分光装置入射光光轴垂直；泵浦光通过第一透镜入射至太赫兹收发探头的探测光与分光装置入射光光轴垂直；

延迟角度转换装置，用于将第一分光器输出的探测光进行光信号T时间延迟，并将探测光延迟信号入射至太赫兹收发探头另一输入端口。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述分光装置包括分光器及第一调整器，所述其中分光器指的是分束镜或半反半透透镜，第一调整器是第二

波片或者第二

波片，第一调整器用于调节泵浦光和探测光的功率比。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述延迟角度转换装置包括延迟装置和角度转换装置，延迟装置是延迟线；角度转换装置是分束镜、反射镜或者半反半透透镜。

7.根据权利要求6所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于当所述角度转换装置是分束镜时，延迟角度转换装置还包括检测装置，所述分束镜将延迟线输出探测光进行功率分配，经过分束镜透射的探测光入射至检测装置，进行功率检测；经过分束镜反射的探测光入射至太赫兹收发探头另一输入端口。

8.根据权利要求1至7之一所述的一种太赫兹光谱仪，其特征在于所述太赫兹转换器还包括第一可调反射镜、第二可调反射镜、第二调整器，所述激光器发射激光依次经过第一可调反射镜、第二调整器、第二可调反射镜后，调整激光进入分光装置，所述激光器发射的激光与分光装置入射方向为α，所述α范围是0到180°，第二调整器是第一波片。

9.一种太赫兹收发探头，其特征在于此探头用于接收太赫兹转换器输出探测光和泵浦光，进行样品反射式探测和透射式探测，得到样品光谱信息，所述太赫兹收发探头包括第一光导天线、第二光导天线、第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜、第三太赫兹透镜，

第一光导天线，泵浦光辐射在第一光导天线两电极间的光电导材料上辐射出太赫兹脉冲；由第一光导天线辐射出的太赫兹脉冲经过第一太赫兹透镜、第三太赫兹透镜后，入射至样品表面反射后经过第二太赫兹透镜后辐射到第二光导天线的光电导材料上；

第二光导天线，探测光经过光学延迟线延迟后入射到透镜上后聚焦辐射在第二光导天线的光电导材料上，通过探测光辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上产生自由载流子，与此同时自由空间传播的携带样品信息的太赫兹脉冲也辐射在第二光导天线两电极间的光导材料上，既可以驱动载流子产生正比于太赫兹瞬间电场的光电流；

所述第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜的中心距P，第一太赫兹透镜与第二太赫兹透镜直径为X，所述第三太赫兹透镜的直径Y满足：

；泵浦光光能量和探测光光能量对应分别不超过第一光导天线、第二光导天线的能量阀值。

10.根据权利要求9所得一种太赫兹收发探头，其特征在于所述第一太赫兹透镜、第二太赫兹透镜分别与第三太赫兹透镜的焦距为8f或者4f。

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