CN104568819B - 一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，目前太赫兹时域光谱系统大多是由自由空间系统，存在结构复杂、稳定性差等缺点。针对上述存在的问题，通过光纤来传输飞秒激光脉冲从而减少光路中光学器件的使用使得光路更加简单，结构更加稳定。同时，因为飞秒激光脉冲通过光纤入射到太赫兹发射器和太赫兹接收器，所以太赫兹接收器和太赫兹发射器位置的移动和旋转不会影响系统的光路结构，可以将太赫兹接收器和太赫兹发射器分别放置在两个可旋转的光学导轨上，进而可以实现太赫兹透射和反射时域光谱系统的灵活切换。解决了现有技术中存在的太赫兹光谱系统结构复杂、体积大的问题。

Description

一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统

技术领域

本发明涉及一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，尤其是能够实现太赫兹透射、多角度反射及漫反射光谱探测。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于红外光与微波之间。

利用太赫兹脉冲可以分析材料的性质，其中太赫兹时域光谱是一种非常有效的测试手段。太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息，通过对时域和频域波形的分析能得到样品的吸收系数和折射率等参数。太赫兹时域光谱具有很高的探测信噪比和灵敏度及较宽的探测带宽，可以广泛应用于多种样品的探测。

太赫兹时域光谱系统分为透射式和反射式。传统的太赫兹时域光谱系统只能单纯地对样品进行透射式或特定角度的反射式检测。不同样品对于太赫兹波表现出不同的传输性能：对于太赫兹穿透能力较好的材料，通常采用透射式系统进行测量；对于极性分子材料，通常采用反射式系统进行测量。而对于对太赫兹波响应情况未知的材料，通常希望对同一点采用透射和反射两种检测方法。要实现这种透射和反射转换需要两台仪器或者至少需要两个探测器，这对空间和经费方面都有较高的要求。

目前实验使用的太赫兹时域光谱系统大多是自由空间系统，结构复杂，稳定性较差。

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，提供一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，通过光纤来传输激光从而减少光路中光学器件的使用使得光路更加简单，结构更加稳定，同时，因为激光通过光纤入射到太赫兹发射器和太赫兹接收器，所以太赫兹发射器和太赫兹接收器位置的移动和旋转对系统的光路结构不会带来影响，可以将太赫兹接收器和太赫兹发射器分别放置在两个可旋转的光学导轨上，进而实现太赫兹透射和反射时域光谱系统的灵活切换。

本发明采用的技术方案是：

一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，包括飞秒激光器、色散补偿光纤、一分二光纤耦合器、光学延迟线系统、太赫兹发射接收系统、信号发生器和数据采集装置，所述光学延迟线系统包括平移台、第一光纤准直透镜、第一金反射镜、第二金反射镜、零级半波片和第二自聚焦透镜；所述太赫兹发射接收系统包括太赫兹发射器、第一离轴抛物面镜、第一滑动座、第一光学导轨、样品台、第二离轴抛物面镜、太赫兹接收器、第二滑动座、第二光学导轨和半圆形平板；所述飞秒激光器，用于发射飞秒激光脉冲；所述一分二光纤耦合器，用于将激光器发射的一路激光转换为两路，分别为泵浦光和探测光Ⅰ；所述光学延迟线系统，用于调节探测光Ⅰ与泵浦光之间的时间延迟；所述太赫兹发射接收系统，一端用于接收泵浦光和偏压信号，另一端用于接收探测光Ⅱ和输出光电流信号；所述信号发生器，用于给所述太赫兹发射器提供偏压信号并给所述数据采集装置中的锁相放大器同步提供参考信号；所述数据采集装置包括锁相放大器、前置电流放大器和计算机，可记录光电流信号从而得到太赫兹脉冲信号。

进一步的，以上所述的泵浦光入射到所述太赫兹发射接收系统中的太赫兹发射器，激发天线的半导体材料产生载流子，在所述信号发生器提供的外加偏压作用下辐射太赫兹波，太赫兹波通过所述第一离轴抛物面镜透过样品台上的样品或者入射至样品表面反射后，经过所述第二离轴抛物面镜到所述太赫兹接收器；所述探测光Ⅰ经所述光学延迟线系统到所述太赫兹发射接收系统中的太赫兹接收器后，激发天线的半导体材料产生载流子，在太赫兹脉冲的驱动下产生正比于太赫兹脉冲瞬时电场的光电流。

进一步的，以上所述的太赫兹发射器和所述第一离轴抛物面镜组装在所述第一滑动座上，所述太赫兹接收器和所述第二离轴抛物面镜组装在所述第二滑动座上，所述第一滑动座和第二滑动座分别安装在所述第一光学导轨和第二光学导轨上，并可以灵活滑动。

进一步的，以上所述的第一光学导轨和第二光学导轨通过一个固定轴连接并安装在一个有刻度的半圆形平板上，所述第一光学导轨和第二光学导轨可以分别旋转0度—90度，同时达到90度时所述系统为全光纤太赫兹透射系统，其他角度时为全光纤太赫兹反射系统并可实现多角度反射，且当所述第一光学导轨和第二光学导轨放在不同角度时可实现漫反射测量。

进一步的，以上所述的样品台是可以根据样品状态和测量需求而变化的，在反射系统中，所述样品台是安装在固定轴的位置处，在透射系统中，所述样品台既可安装在与反射系统相同的位置，也可安装在所述第一光学导轨或第二光学导轨上。

进一步的，以上所述的太赫兹发射器和接收器均带有尾纤，便于与所述一分二光纤耦合器分出的泵浦光和探测光的光路相连接。

进一步的，以上所述的飞秒激光器是飞秒脉冲光纤激光器，所述飞秒激光器发射出的激光经过所述色散补偿光纤入射到所述一分二的光纤耦合器。

进一步的，以上所述的零级半波片放置在所述光学延迟线系统中，可用来调节所述探测光Ⅰ的偏振方向。

进一步的，以上所述的半圆形平板可水平或者垂直放置，以便于探测不同状态的样品。

由于采用了上述技术方案，本发明的优点是：

(1)整个系统的光路基本均使用光纤连接，使得系统更加简单、稳定，实现了小型化、集成化的效果。

(2)可旋转的光学导轨可以在不影响光路的情况下灵活地实现透射和反射探测的自由切换。

(3)固定光学导轨的半圆形平板可以平放或者竖放，因此样品台可以放置各种形态的样品，能够实现对固体、液体和气体样品的探测。

(4)探测光路的光程可以通过光学延迟线系统调整，泵浦光路的光程可以通过移动两个光学滑动座来实现改变，因此当样品变化时，可以调整其中一路光程或者根据需要两路配合调整来寻找新的零延迟点。

(5)光学延迟线系统中的零级半波片可用来调整探测光的偏振方向，从而优化探测得到的太赫兹脉冲波形。

附图说明

图1为全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统示意图。

图2为光学延迟线系统示意图。

图3为太赫兹发射接收系统示意图。

图4为数据采集装置示意图。

图5为太赫兹发射接收系统中的半圆形平板和可旋转光学导轨结构示意图。

附图标记：1-激光器；2-色散补偿光纤；3-一分二光纤耦合器；4-泵浦光；5-探测光Ⅰ；6-探测光Ⅱ；7-光学延迟线系统；8-太赫兹发射接收系统；9-信号发生器；10-数据采集装置；11-第一光纤准直透镜；12-第二光纤准直透镜；13-零级半波片；14-平移台；15-第一金反射镜；16-第二金反射镜；17-太赫兹发射器；18-太赫兹接收器；19-第一离轴抛物面镜；20-第二离轴抛物面镜；21-第一滑动座；22-第二滑动座；23-样品台；24-太赫兹光路；25-第一光学导轨；26-第二光学导轨；27-半圆形平板；28-锁相放大器；29-前置放大器；30-计算机。

具体实施方式

本发明中公开的所有特征、方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以任何方式组合。

本发明中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。也就是说，除非特别说明，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子。

一、本发明相关的说明：

本发明实施方式中，太赫兹发射器17和太赫兹接收器18天线适用于中心波长1560nm附近的飞秒脉冲，因此本发明选择的激光器1是中心波长1550nm的飞秒脉冲光纤激光器，实际上也可以选择其他型号的光电导天线或非线性晶体和其他波长的激光器。

第一离轴抛物面镜19和第二离轴抛物面20镜分别用来准直和聚焦太赫兹脉冲，实际也可以使用太赫兹透镜等其他等效器件来实现。

第一离轴抛物面镜19和第二离轴抛物面镜20之间太赫兹波是直径大概1cm的平行光束，实际中为了满足探测需求，往往需要更小尺寸的光斑，可在太赫兹光路中加入两个太赫兹透镜(固定在两个滑动座上)，这两个滑动座安装在样品台两侧的光学导轨上并可灵活移动以实现对不同尺寸的太赫兹光斑的需求。

光学延迟线系统7使用第一金反射镜15和第二金反射镜16来实现光路方向180°的改变，也可以使用直角棱镜之类的等效元件来实现光路方向180°的改变。

光学延迟线系统7使用光学平移台14来改变探测光光程，实际上还可使用电控或磁控位移控制等途径来实现探测光光程的改变。

本发明中太赫兹发射接收系统8产生的光电流通过后续数据采集装置进行处理，最后利用计算机程序进行记录。

二、工作原理

太赫兹发射接收装置工作原理：

飞秒激光器1发射出的激光通过色散补偿光纤2入射到一分二的光纤耦合器3将分为两路，一路为泵浦光4，另一路为探测光Ⅰ5。泵浦光4入射到太赫兹发射器17激发天线中的半导体材料产生载流子，载流子在信号发生器9提供的外加偏压作用下定向移动辐射太赫兹脉冲。辐射出发散的太赫兹波通过第一离轴抛物面镜19准直后透过样品或者入射至样品表面反射后，经过第二离轴抛物面镜20聚焦到太赫兹接收器18中天线的半导体材料上，同时，探测光Ⅰ5经过光学延迟线系统7后入射到太赫兹接收器18激发天线中的半导体材料产生载流子，携带样品信息的太赫兹脉冲能够驱动载流子产生正比于太赫兹瞬时电场的光电流。记录探测光脉冲的和携带样品信息的太赫兹脉冲在不同延迟下的光电流，就可以获得携带样品光谱信息的太赫兹脉冲时域波形，通过傅里叶变换便可获得相应的频域谱线。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

1、全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统结构

如图1所示，飞秒激光器1发射出的飞秒激光脉冲通过色散补偿光纤2入射到一分二的光纤耦合器3将转换为两路，一路为泵浦光4，另一路为探测光Ⅰ5，探测光Ⅰ5经过光学延迟线系统7后为探测光Ⅱ6，光学延迟线系统7，用于调节探测光与泵浦光之间的时间延迟，信号发生器9给太赫兹发射器提供偏压信号并给数据采集装置中的锁相放大器同步提供参考信号，太赫兹发射接收系统8，一端用于接收泵浦光和偏压信号，另一端用于接收探测光和并将得到的光电流信号输出到数据采集装置10。

2、光学延迟线系统结构

如图2所示，光学延迟线系统7包括第一光纤准直透镜11、第二光纤准直透镜12、零级半波片13、平移台14、第一金反射镜15和第二金反射镜16，飞秒激光脉冲从第一光纤准直透镜11输出经过平移台14上的第一金反射镜15和第二金反射镜16两次反射后，传播方向改变180°，再经过零级半波片13后到第二光纤准直透镜12即再次进入光纤中。

3、太赫兹发射接收系统结构

如图3所示，太赫兹发射接收系统8包括太赫兹发射器17、太赫兹接收器18、第一离轴抛物面镜19、第二离轴抛物面镜20、第一滑动座21、第二滑动座22、样品台23、太赫兹光路24、第一光学导轨25、第二光学导轨26和半圆形平板27。

太赫兹发射器17，泵浦光4入射到太赫兹发射器17激发发射器天线的半导体材料产生载流子，载流子在信号发生器9提供的外加偏压作用下辐射出太赫兹脉冲，由太赫兹发射器17辐射出的太赫兹脉冲经过第一离轴抛物面镜19，入射至样品台23上样品表面反射或者透过样品后经过第二离轴抛物面镜20聚焦到太赫兹接收器18。

太赫兹接收器18，探测光5经过光学延迟线系统7后得到探测光Ⅱ6入射到太赫兹接收器18，探测光Ⅱ6激发接收器天线的半导体材料产生载流子，载流子在携带样品信息的太赫兹脉冲24驱动下产生正比于太赫兹瞬时电场的光电流。

4、数据采集装置结构

如图4所示，数据采集装置10包括锁相放大器28、前置电流放大器29和计算机30，数据采集装置10中锁相放大器28记录太赫兹接收器输出的光电流信号经前置电流放大器29放大后再由计算机30显示并保存，从而得到太赫兹脉冲信号。

5、太赫兹发射接收系统中的半圆形平板和可旋转光学导轨结构

如图3和图5所示，第一光学导轨25和第二光学导轨26通过一个固定轴连接并安置在一个有刻度的半圆形平板27上，第一光学导轨25和第二光学导轨26是可旋转的，原则上可以实现0度到90度(图5中的α和β)的连续调节，α和β同时达到90度时所述系统为全光纤太赫兹透射系统，其他角度时为全光纤太赫兹反射系统并可实现多角度反射测量，而当第一光学导轨25和第二光学导轨26旋转到不同角度时即可实现漫反射测量。

参见附图3，太赫兹发射器17和第一离轴抛物面镜19组装在第一滑动座21上，滑动座21安装在第一光学导轨25上，太赫兹接收器18和第二离轴抛物面镜20组装在另一个滑动座22上，滑动座22安装在第二光学导轨26上，滑动座21、滑动座22分别可在光学导轨25、光学导轨26上灵活移动即实现泵浦光光程的调节。

样品台23是可以根据样品状态和测量需求而变化的，在反射系统中，样品台23是安装在第一光学导轨25和第二光学导轨26固定轴的位置处，在透射系统中，样品台23既可安装在与反射系统相同的位置，也可安装第一光学导轨25或第二光学导轨26上。

本发明中，信号发生器9提供一个正弦偏压信号，锁相放大器28的参考信号由信号发生器9同步提供。

本发明中，太赫兹发射器17和太赫兹接收器18均带有尾纤，便于与一分二光纤耦合器3分出的泵浦光4的光路和探测光Ⅱ6的光路相连接，所述尾纤和一分二光纤3为保偏光纤，所以在一分二光纤3之前连接一根色散补偿光纤2。

本发明中，零级半波片13放置在光学延迟线系统7中，可用来调节探测光的偏振方向。光学延迟线系统7中量程为100mm的平移台14和金反射镜15、金反射镜16能够实现的光程差为200mm，频谱最高分辨率为1.5GHz。

本发明中，半圆形平板27可以根据实验需求水平或者垂直放置以便于探测不同状态的样品。

Claims (9)

1.一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，包括飞秒激光器、色散补偿光纤、一分二光纤耦合器、光学延迟线系统、太赫兹发射接收系统、信号发生器和数据采集装置，其特征在于：所述光学延迟线系统包括平移台、第一光纤准直透镜、第一金反射镜、第二金反射镜、零级半波片和第二自聚焦透镜；所述太赫兹发射接收系统包括太赫兹发射器、第一离轴抛物面镜、第一滑动座、第一光学导轨、样品台、第二离轴抛物面镜、太赫兹接收器、第二滑动座、第二光学导轨和半圆形平板；所述的第一光学导轨和第二光学导轨通过一个固定轴连接并安装在所述半圆形平板上，所述第一光学导轨和第二光学导轨可以分别旋转0度—90度；所述飞秒激光器，用于发射飞秒激光脉冲；所述一分二光纤耦合器，用于将激光器发射的一路激光转换为两路，分别为泵浦光和探测光Ⅰ；所述光学延迟线系统，用于调节探测光Ⅰ与泵浦光之间的时间延迟；所述探测光Ⅰ经过光学延迟线系统后为探测光Ⅱ；所述太赫兹发射接收系统，一端用于接收泵浦光和偏压信号，另一端用于接收探测光Ⅱ和输出光电流信号；所述信号发生器，用于给所述太赫兹发射器提供偏压信号并给所述数据采集装置中的锁相放大器同步提供参考信号；所述数据采集装置包括锁相放大器、前置电流放大器和计算机，可记录光电流信号从而得到太赫兹脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的泵浦光入射到所述太赫兹发射接收系统中的太赫兹发射器，激发天线的半导体材料产生载流子，在所述信号发生器提供的外加偏压作用下辐射太赫兹波，太赫兹波通过所述第一离轴抛物面镜透过样品台上的样品或者入射至样品表面反射后，经过所述第二离轴抛物面镜到所述太赫兹接收器；所述探测光Ⅰ经所述光学延迟线系统到所述太赫兹发射接收系统中的太赫兹接收器后，激发天线的半导体材料产生载流子，在太赫兹脉冲的驱动下产生正比于太 赫兹脉冲瞬时电场的光电流。

3.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的太赫兹发射器和所述第一离轴抛物面镜组装在所述第一滑动座上，所述太赫兹接收器和所述第二离轴抛物面镜组装在所述第二滑动座上，所述第一滑动座和第二滑动座分别安装在所述第一光学导轨和第二光学导轨上，并可以灵活滑动。

4.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述半圆形平板上具有刻度，当所述第一光学导轨和所述第二导轨同时达到90度时所述系统为全光纤太赫兹透射系统，其他角度时为全光纤太赫兹反射系统并可实现多角度反射，且当所述第一光学导轨和第二光学导轨放在不同角度时可实现漫反射测量。

5.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的样品台是可以根据样品状态和测量需求而变化的，在反射系统中，所述样品台是安装在固定轴的位置处，在透射系统中，所述样品台既可安装在与反射系统相同的位置，也可安装在所述第一光学导轨或第二光学导轨上。

6.根据权利要求1或2所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的太赫兹发射器和接收器均带有尾纤，便于与所述一分二光纤耦合器分出的泵浦光和探测光的光路相连接。

7.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的飞秒激光器是飞秒脉冲光纤激光器，所述飞秒激光器发射出的激光经过所述色散补偿光纤入射到所述一分二的光纤耦合器。

8.根据权利要求1所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的零级半波片放置在所述光学延迟线系统中，可用来调节所述探 测光Ⅰ的偏振方向。

9.根据权利要求1或4所述的全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，其特征在于：所述的半圆形平板可水平或者垂直放置，以便于探测不同状态的样品。