CN104964932A - 一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统及应用，该系统将激光经1/2波片后进入分束器，分束器将激光分为泵浦光和探测光；泵浦光经斩波器后再分别经过第一反射镜、由第二反射镜、第三反射镜构成的光学延迟线、第四反射镜、第五反射镜折射后，经第一透镜、太赫兹源产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲射入薄膜镜；探测光经第六反射镜折射后，经过起偏器等后射入平衡探测器，平衡探测器与锁相放大器功能性电连接；所述照射目标包括第七反射镜、待测样品。该系统应用到太赫兹时域光谱仪中，可以提高材料光学参数的提取精度，而应用到太赫兹飞行时间断层扫描中，可以加大三维立体图像最大访问深度。

Description

一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统及应用

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统及应用。

背景技术

太赫兹电磁波的频率范围通常定义为0.1至10太赫兹，目前，太赫兹波在许多领域用于成像和光谱分析。太赫兹时域光谱技术(TTDS)是一种测定材料太赫兹频段折射率和吸收系数相敏技术。

现有太赫兹时域光谱系统采用透射式或非垂直入射的反射式结构，如图1、2，其基本原理为：飞秒激光经分束棱镜(BS)分为两束，泵浦光入射到太赫兹光电导天线(或发射晶体)(THS)上产生太赫兹脉冲，并透过样品(Sample)或经样品反射后继续传输，最后入射到探测晶体(EOC)上；另一束探测光通过偏振片(P)，被薄膜镜(FM)反射到探测晶体(EOC)上；通过检测探测光和泵浦光之间的相位延迟，可以得到太赫兹辐射的电场强度，探测晶体后面放置的1/4波片(QWP)为探测光提供的光学偏置，使系统工作在线性区域，沃拉斯顿(Wollaston)棱镜(PBS)将探测光的相位延迟转化为两束偏振方向互相正交的线偏振光的强度调制，一对光电二极管连接成平衡探测模式(平衡探测器(BD))探测光强的调制，光电二极管输出的差分信号输入锁相放大器(LIA)放大。此外，泵浦光可由延迟线(DL)和斩波器(C)进行调制，获得锁相放大器的参考信号。

然而，图2采用非垂直入射的反射式结构，不利于太赫兹光谱和成像。首先，利用非垂直入射反射光谱，折射率和吸收系数的分析公式较为复杂，难以获得精确的分析结果；其次，在太赫兹飞行时间断层扫描中，太赫兹束非垂直入射到样品的各层会产生附加的偏移，这限制了三维立体图像最大访问深度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统及方法，旨在解决现有技术的不足，并利用同一系统测量太赫兹垂直透射谱和反射谱。

本发明是这样实现的，一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，包括：1/2波片，分束器，斩波器，第一至第七反射镜，第一至第三透镜，太赫兹源，离轴抛物镜，起偏器，薄膜镜，球面镜，电光晶体，1/4波片，沃拉斯通棱镜，平衡探测器，锁相放大器，激光经1/2波片后进入分束器，所述分束器将激光分为泵浦光和探测光；泵浦光经斩波器后再分别经过第一反射镜、由第二反射镜、第三反射镜构成的光学延迟线、第四反射镜、第五反射镜折射后，经第一透镜、太赫兹源产生产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲射入薄膜镜；探测光经第六反射镜折射后，经过起偏器、第二透镜、薄膜镜、电光晶体、1/4波片、第三透镜、沃拉斯通棱镜后射入平衡探测器，所述平衡探测器与锁相放大器功能性电连接；

所述薄膜镜射出的太赫兹波经离轴抛物镜射入球面镜中，在离轴抛物镜与球面镜之间的太赫兹波上设有照射目标，所述照射目标包括第七反射镜、待测样品。

优选地，所述系统还包括在电机驱动下沿垂直于太赫兹辐射的方向平移的样品支架，所述样品支架上设有三个位点，其中两个位点分别设置第七反射镜、待检测样品，另一个位点为空载位点，所述样品支架在三个位点之间平移用于分别测量样品反射谱或两次透射谱、全反射镜反射谱和球面镜反射谱。

本发明进一步提供了上述测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统在获取样品光学参数方面的应用，所述应用包括通过测量反射光谱并获取样品光学参数方面的应用，所述测量反射光谱并获取样品光学参数的方法包括以下步骤：

让太赫兹波入射到待测样品上，测量反射光谱，记为E_sam(ω)；然后让太赫兹波入射到第七反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；最后，让太赫兹波直接入射到球面镜上，折射率为1；根据上述测量结果，得出E_sam(ω)、E_ref(ω)两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=T\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \left[\mathrm{j\Δ\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]=\frac{n\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{i\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)-1}{n\left(\mathrm{\ω}\right)+\mathrm{i\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)+1}---\left(1\right)$

由式(1)得到样品的折射率和吸收系数：

$n\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1-T{\left(\mathrm{\ω}\right)}^2}{1+T{\left(\mathrm{\ω}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\ω}\right)\cos \mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2\mathrm{\ω}}{c}\frac{2T\left(\mathrm{\ω}\right)\sin \mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{1+T{\left(\mathrm{\ω}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\ω}\right)\cos \mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(3\right)$

其中，所述待测样品为内部结构均匀、前后表面平行的平板，样品的厚度为l，复折射率为其中，ω为太赫兹波的角频率，n(ω)折射率，κ(ω)为消光系数。

优选地，所述应用还包括在测量两次透射光谱并获取样品光学参数方面的应用，所述测量两次透射光谱并获取样品光学参数的方法包括以下步骤：

让太赫兹波入射到样品上，测量经两次透过待测样品的透射光谱，记为E_sam(ω)；然后让太赫兹波直接入射到球面反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；根据上述测量结果，得到E_sam(ω)、E_ref(ω)两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=T\left(\mathrm{\ω}\right)\exp \left[\mathrm{j\Δ\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]=\frac{{\left[4\tilde{n}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^2}{{[\tilde{n}\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^4}\exp \{-2j[\tilde{n}\left(\mathrm{\ω}\right)-1]\mathrm{\ωl}/c\}---\left(4\right)$

假定待测样品为弱吸收材料，即κ(ω)<<1，由(4)式得到样品的折射率：

$n\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{c}{\mathrm{\&omega;l}}+1---\left(5\right)$

以及吸收系数：

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{l}\ln \left\{\frac{{\left[4n\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]}^2}{T\left(\mathrm{\&omega;}\right){[n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1]}^4}\right\}---\left(6\right).$

本发明克服现有技术的不足，提供一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，该系统包括：

1、分束、延迟和斩波部分：利用分束棱镜(BS)，将飞秒激光分为探测光束和泵浦光束，探测光束经薄膜反射镜(FM)反射后到达探测端，泵浦光束可由第二反射镜、第三反射镜构成的光学延迟线(DL)和斩波器(C)进行调制，获得延迟信号和锁相放大器的参考信号，该部分与现有技术一致；

2、泵浦部分：泵浦光束入射到光导天线(或晶体)(THS)产生太赫兹辐射，进入离轴抛物镜(PM)并被球面镜(SM)、薄膜反射镜(FM)反射，最后到达探测端，该部分对现有技术进行了改进，增加一个球面镜(SM)，减少了多个离轴抛物镜(PM)和反射镜(M)；

3、样品支架：在离轴抛物镜(PM)和球面镜(SM)之间加入如图4所示的样品支架，样品支架装有样品(Sample)、第七反射镜(M7)，可以沿垂直于太赫兹辐射方向移动，使太赫兹波两次透过样品(先透过样品，然后被球面镜反射，最后再次透过样品)、全反射或在空气中两次穿过支架(被球面镜反射)，对应图4的a，b，c三个位置，该部分为本技术发明的核心；

4、探测部分：探测光和太赫兹波同轴入射到电光采样晶体(EOC)，信号经1/4波片(QWP)和沃拉斯通棱镜(PBS)后，由平衡探测器(BD)和锁相放大器(LIA)进行测量，该部分采用光电采样，与现有技术一致。

本发明通过两种方式获取样品光学参数方面，一种是测量反射光谱并获得样品光学参数，另外一种则是通过测量两次透射光谱并获得样品光学参数。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明提出测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，该系统应用到太赫兹时域光谱仪中，可以提高材料光学参数的提取精度，再者，该系统可以应用在太赫兹飞行时间断层扫描中，太赫兹束在样品的各层不会产生附加的偏移，可以加大三维立体图像最大访问深度。

附图说明

图1是现有透射式太赫兹时域光谱系统的结构示意图；

图2是现有反射式太赫兹时域光谱系统的结构示意图；

图3是本发明测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统的结构示意图；

其中，图1～图3中，fs laser：飞秒激光；HWP：1/2波片；BS：分束器；C：斩波器；M：反射镜；L：透镜；THS：太赫兹源；PM：离轴抛物镜；DL：延迟线；P：起偏器；FM：薄膜镜；SM：球面镜；Sample：样品；EOC：电光晶体；QWP：1/4波片；PBS：沃拉斯通棱镜；BD：平衡探测器；LIA：锁相放大器；

图4是本发明实施例中的样品支架的结构示意图；图4中，THz：太赫兹波；Movable：可移动的；Sample：样品；M7：全反镜；air:空气。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

fs laser：飞秒激光；HWP：1/2波片；BS：分束器；C：斩波器；M：反射镜；L：透镜；THS：太赫兹源；PM：离轴抛物镜；DL：延迟线；P：起偏器；FM：薄膜镜；SM：球面镜；Sample：样品；EOC：电光晶体；QWP：1/4波片；PBS：沃拉斯通棱镜；BD：平衡探测器；LIA：锁相放大器；

一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，如图3所示，包括：1/2波片HWP，分束器BS，斩波器C，第一至第七反射镜M1～M7，第一至第三透镜L1～L3，太赫兹源THS，离轴抛物镜PM，起偏器P，薄膜镜FM，球面镜SM，电光晶体EOC，1/4波片QWP，沃拉斯通棱镜PBS，平衡探测器BD，锁相放大器LIA，飞秒激光fs laser经1/2波片HWP后进入分束器BS，所述分束器BS将激光分为泵浦光和探测光；泵浦光经斩波器C后再分别经过第一反射镜M1、由第二反射镜M2、第三反射镜M3构成的光学延迟线DL、第四反射镜M4、第五反射镜M5折射后，经第一透镜L1、太赫兹源THS产生产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲射入薄膜镜FM；探测光经第六反射镜M6折射后，经过起偏器P、第二透镜L2、薄膜镜FM、电光晶体EOC、1/4波片QWP、第三透镜L3、沃拉斯通棱镜PBS后射入平衡探测器BD，所述平衡探测器BD与锁相放大器LIA功能性电连接；

所述薄膜镜FM射出的太赫兹波经离轴抛物镜PM射入球面镜SM中，在离轴抛物镜PM与球面镜SM之间的太赫兹波上设有照射目标，所述照射目标包括第七反射镜M7、待测样品sample。

在本发明的进一步实施过程中，为便于太赫兹波对入射对象的更迭，在本发明实施例中，所述系统特别设计在电机驱动下沿垂直于太赫兹辐射的方向平移的样品支架，如图4所示，所述样品支架上设有三个位点a、b、c，其中a、b两个位点分别设置第七反射镜M7、待检测样品sample，另一个位点为空载位点，太赫兹波直接入射到球面镜SM上。所述样品支架在三个位点a、b、c之间平移用于分别测量样品反射谱或两次透射谱、全反射镜反射谱和球面镜反射谱。

在本发明的实际应用过程中，测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统在获取样品光学参数方面的应用，包括通过测量反射光谱并获取样品光学参数以及测量两次透射光谱并获取样品光学参数，系统详细运作过程如下：

(1)测量反射光谱并获得样品光学参数

参见图4，电动调节样品支架的位置到a，让太赫兹波入射到样品上，测量反射光谱，记为E_sam(ω)；然后再调整支架位置到b，让太赫兹波入射到镀金全反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；被测样品为内部结构均匀、前后表面平行的平板，样品的厚度为l，复折射率为其中，ω为太赫兹波的角频率，n(ω)折射率，κ(ω)为消光系数。样品放置于空气中，折射率为1，根据上述测量结果，可写出两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}=T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\exp \left[\mathrm{j\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]=\frac{n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+\mathrm{i\&kappa;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)-1}{n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+\mathrm{i\&kappa;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1}---\left(1\right)$

由式(1)得到样品的折射率和吸收系数：

$n\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1-T{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2}{1+T{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\cos \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{2\mathrm{\&omega;}}{c}\frac{2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\sin \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{1+T{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\cos \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{2\mathrm{\&omega;\&kappa;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{c}.$

(2)测量两次透射光谱并获得样品光学参数

参见图4，电动调节样品支架的位置到a，让太赫兹波入射到样品上，测量经两次透过样品的透射光谱，记为E_sam(ω)；然后再调整支架位置到c，让太赫兹波直接入射到球面反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；考虑样品厚度l较厚，来自前后表面的太赫兹波在时间上可以分离，根据上述测量结果，可写出两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}=T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\exp \left[\mathrm{j\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]=\frac{{\left[4\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]}^2}{{[\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1]}^4}\exp \{-2j[\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)-1]\mathrm{\&omega;l}/c\}---\left(4\right)$

假定样品为弱吸收材料，即κ(ω)<<1，由(4)式得到样品的折射率和吸收系数，如下：

$n\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{c}{\mathrm{\&omega;l}}+1---\left(5\right)$

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{l}\ln \left\{\frac{{\left[4n\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]}^2}{T\left(\mathrm{\&omega;}\right){[n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1]}^4}\right\}---\left(6\right).$

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，包括：1/2波片，分束器，斩波器，第一至第七反射镜，第一至第三透镜，太赫兹源，离轴抛物镜，起偏器，薄膜镜，球面镜，电光晶体，1/4波片，沃拉斯通棱镜，平衡探测器，锁相放大器，其特征在于，激光经1/2波片后进入分束器，所述分束器将激光分为泵浦光和探测光；泵浦光经斩波器后再分别经过第一反射镜、由第二反射镜、第三反射镜构成的光学延迟线、第四反射镜、第五反射镜折射后，经第一透镜、太赫兹源产生产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲射入薄膜镜；探测光经第六反射镜折射后，经过起偏器、第二透镜、薄膜镜、电光晶体、1/4波片、第三透镜、沃拉斯通棱镜后射入平衡探测器，所述平衡探测器与锁相放大器功能性电连接；

所述薄膜镜射出的太赫兹波经离轴抛物镜射入球面镜中，在离轴抛物镜与球面镜之间的太赫兹波上设有照射目标，所述照射目标包括第七反射镜、待测样品。

2.如权利要求1所述的测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统，其特征在于，所述系统还包括在电机驱动下沿垂直于太赫兹辐射的方向平移的样品支架，所述样品支架上设有三个位点，其中两个位点分别设置第七反射镜、待检测样品，另一个位点为空载位点，所述样品支架在三个位点之间平移用于分别测量样品反射谱或两次透射谱、全反射镜反射谱和球面镜反射谱。

3.权利要求1或2所述的测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统在获取样品光学参数方面的应用，其特征在于，所述应用包括通过测量反射光谱并获取样品光学参数方面的应用，所述测量反射光谱并获取样品光学参数的方法包括以下步骤：

让太赫兹波入射到待测样品上，测量反射光谱，记为E_sam(ω)；然后让太赫兹波入射到第七反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；最后，让太赫兹波直接入射到球面镜上，折射率为1；根据上述测量结果，得出E_sam(ω)、E_ref(ω)两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}=T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\exp \left[\mathrm{j\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]=\frac{n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+\mathrm{i\&kappa;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)-1}{n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+\mathrm{i\&kappa;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1}---\left(1\right)$

由式(1)得到样品的折射率和吸收系数：

$n\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1-T{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2}{1+T{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\cos \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{2\mathrm{\&omega;}}{c}\frac{2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\sin \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{1+{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}^2-2T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\cos \mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}---\left(3\right)$

其中，所述待测样品为内部结构均匀、前后表面平行的平板，样品的厚度为l，复折射率为其中，ω为太赫兹波的角频率，n(ω)折射率，κ(ω)为消光系数。

4.如权利要求3所述的测量太赫兹垂直透射谱和反射谱的一体化系统在获取样品光学参数方面的应用，其特征在于，所述应用还包括在测量两次透射光谱并获取样品光学参数方面的应用，所述测量两次透射光谱并获取样品光学参数的方法包括以下步骤：

让太赫兹波入射到样品上，测量经两次透过待测样品的透射光谱，记为E_sam(ω)；然后让太赫兹波直接入射到球面反射镜上，测量反射光谱，记为E_ref(ω)；根据上述测量结果，得到E_sam(ω)、E_ref(ω)两者间的比值：

$\frac{E_{\mathrm{sam}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\&omega;}\right)}=T\left(\mathrm{\&omega;}\right)\exp \left[\mathrm{j\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]=\frac{{\left[4\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]}^2}{{[\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1]}^4}\exp \{-2j[\tilde{n}\left(\mathrm{\&omega;}\right)-1]\mathrm{\&omega;l}/c\}---\left(4\right)$

假定待测样品为弱吸收材料，即κ(ω)<<1，由(4)式得到样品的折射率：

$n\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&Delta;\&phi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{c}{\mathrm{\&omega;l}}+1---\left(5\right)$

以及吸收系数：

$\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{l}\ln \left\{\frac{{\left[4n\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right]}^2}{T\left(\mathrm{\&omega;}\right)[n\left(\mathrm{\&omega;}\right)+1{]}^4}\right\}---\left(6\right).$