CN105548083A - 双光路太赫兹时域光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双光路太赫兹时域光谱仪，属于光谱技术领域。该光谱仪的特点为：采用飞秒激光器作为激励源，设置在飞秒激光器输出端的分束器将一束激光分为两束，用于两路太赫兹时域光谱测量；在每一路太赫兹时域光谱测量中，用分束器再次将激光分为两束，一束为泵浦光，另一束为探测光；泵浦光汇聚到基于光导天线的太赫兹发射器上，利用光导天线辐射产生太赫兹波；产生的太赫兹波经过样品后，聚焦于基于光导天线的太赫兹探测器上；探测光也同时聚焦到太赫兹探测器上，通过检测光导天线回路电流来标定太赫兹波的电场幅值。因而本发明可在保持高探测带宽和高频谱分辨率的情况下，同时进行两路太赫兹时域光谱测量，效率大大提高，具有更好的实用性。

Description

双光路太赫兹时域光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种双光路太赫兹时域光谱仪，。
背景技术
太赫兹波通常是指频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波。随着近十几年来全世界范围内的大力发展，太赫兹源与检测技术得到了突破性的进展，太赫兹技术的应用研究也迅速扩展到了越来越多的领域。太赫兹光谱技术是太赫兹科学实用化的一种重要技术，这种技术具有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，可广泛用于物质特性分析、生物医学研究、安全检测等多个领域，具有非常实际的应用前景。
现有的太赫兹时域光谱仪，只有一束太赫兹光路，如图1，其基本原理为：飞秒激光束经分束器分成两束，一束用做泵浦，另一束用做探测。泵浦脉冲照射太赫兹发射器产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲经过样品后聚焦在探测器上。探测脉冲通过平移段提供相对时延后聚焦在探测器上，测量太赫兹脉冲的电磁场强度随时间的变化，进而得到样品的信息。
在现有的一束太赫兹光路中每次只能选择一种测量模式，要么进行透射型测量，要么进行反射型测量，不能同时进行，因此单光谱测量时间长，不能满足实际应用的需要，因此大部分只局限于实验室内的应用。在现有的太赫兹时域光谱仪中，由于飞秒激光器的不稳定性限制，需要经常测量样品架空载下的原始光谱，增加测量工作的重复性。
发明内容
针对现有的太赫兹时域光谱仪单束光路测量效率的不足，本发明提供了一种双光路太赫兹时域光谱仪系统，在保持高探测带宽和高频谱分辨率的情况下，能提供双光路测量，结构紧凑，使用灵活。
为了实现上述目的，本发明方案如下：
采用飞秒激光器作为激励源，设置在飞秒激光器输出端的分束器将一束激光分为两束，用于两路太赫兹时域光谱测量；在每一路太赫兹时域光谱测量中，用分束器再次将激光分为两束，一束为泵浦光，另一束为探测光；泵浦光汇聚到基于光导天线的太赫兹发射器上，利用光导天线辐射产生太赫兹波；产生的太赫兹波经过样品后，聚焦于基于光导天线的太赫兹探测器上；探测光也同时聚焦到太赫兹探测器上，通过检测光导天线回路电流来标定太赫兹波的电场幅值。
本发明具有如下优点：
1、本发明能同时进行两路太赫兹时域光谱测量，具有更好的实用性。
2、本发明的两束太赫兹光路可用来同时测两个样品的透射光谱进行比较，也可同时测两个样品的反射光谱进行比较，在样品的差异化比较方面更为实用。
3、本发明的两束太赫兹光路可分别用来测两个同批次样品的透射光谱和反射光谱，在样品的透射光谱和反射光谱同时分析方面更为实用。
4、在本发明的两束太赫兹光路，可一束用来测样品的透射光谱或反射光谱，同时用另一束来测透射或反射的参考光谱。这样可实时地观测到飞秒激光器可能带来的光谱不稳定。
5、本发明结构紧凑，使用灵活。
附图说明
图1是现有太赫兹时域光谱仪系统的结构示意图。
图2是本发明双光路太赫兹时域光谱仪系统的第一种具体实施方式的结构示意图。
图3是本发明的第二种具体实施方式的结构示意图。
图4是本发明的第三种具体实施方式的结构示意图。
其中，图1～4中包括：飞秒激光器(1)；分束器(2)；分数器(3)；光导天线太赫兹发射器(4)；抛物面镜(5)；抛物面镜(6)；透射模式样品架(7)；透射测量模块(8)；平面反射镜(9)；平面反射镜(10)；平面反射镜(11)；平面反射镜(12)；光学延迟模块(13)；平面反射镜(14)；光导天线太赫兹探测器(15)；分束器(16)；光导天线太赫兹发射器(17)；抛物面镜(18)；抛物面镜(19)；透射模式样品架(20)；透射测量模块(21)；平面反射镜(22)；平面反射镜(23)；平面反射镜(24)；平面反射镜(25)；光学延迟模块(26)；平面反射镜(27)；光导天线太赫兹探测器(28)；计算机(29)。
其中，图3中还包括：反射模式样品架(30)；抛物面镜(31)；抛物面镜(32)；反射测量模块(33)。
其中，图4中还包括：反射模式样品架(34)；抛物面镜(35)；抛物面镜(36)；反射测量模块(37)；反射模式样品架(38)；抛物面镜(39)；抛物面镜(40)；反射测量模块(41)。
具体实施方式
下面结合本发明的附图对本发明加以进一步说明，应指出的是，所描述的实施例仅为了便于对发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1，本发明以飞秒激光器(1)作为激励源，飞秒激光束经过分束器(2)被分为两束激光，这两束激光各占飞秒激光器输出激光的50％。第一束激光经过第分束器(3)分为两束：一束光为泵浦光，占第一束激光输出功率的70％；另一束光为探测光，占第一束激光输出功率的30％。泵浦光通过透镜被聚焦到基于光电导天线的太赫兹发射器(4)上，利用光导天线辐射太赫兹波；产生的太赫兹辐射波进入透射或反射测量模块，最终聚焦在太赫兹探测器(15)上。探测光经由平面反射镜(9)、(10)反射，经过由平面反射镜(11)、(12)组成的快速光学扫描延迟模块(13)，最终与太赫兹辐射波共线耦合到太赫兹探测器(15)上。通过进行和不进行采样的比较对太赫兹脉冲进行测量，被测物质的吸收和色散都可以通过分析波形的傅里叶变换获得。由分束器(2)分出的第二束激光经过与第一束激光相同的系统，从而可以实现两路样品同时测量，大大提高工作效率。
作为本发明的优选方案，飞秒激光器(1)选用Spectra-Physics公司的掺肽蓝宝石超快振荡器，脉冲能量约为100mW，脉冲持续时间小于120fs，峰值动态范围大于1000:1。太赫兹发射器(4)包括一个制造在GaAs晶片上的大孔径光电导偶极子天线，在天线的电极上加一个合适的高电压，使泵浦激励光束照射产生的光电子加速运动，形成一个瞬时光电流，从而产生一个太赫兹脉冲。泵浦光和探测光间的光学延迟模块(13)可以是一个小型的线性电机驱动的双回复反射器，可以提供40cm的最大延迟范围。太赫兹探测器(15)可采用电子光学的(EO)ZnTe晶体探测器，所探测到的太赫兹时域信号采集到计算机(29)，采用太赫兹时域光谱技术获得被测物质的频谱信号。
图2所示为本发明的第一种实施方式，该实施方式中：两光路均用来测量样品的透射光谱，所测样品可以是相同质量的同一物质不同浓度的两个样品，采用本设计可以同时采集两样品太赫兹时域透射光谱，并比较浓度对样品透射光谱的影响；
图3所示为本发明的第二种实施方式，该实施方式中：，一路用来测量样品的透射光谱，一路用来测量样品的反射光谱，所测样品可以是完全相同的两个样品，采用本设计可同时观察其通过透射光谱获得光学参数和通过反射光谱获得光学参数的异同；
图4所示为本发明的第三种实施方式，该实施方式中：两光路均用来测量样品的反射光谱，所测样品可以是相同浓度的同一物质不同质量的两个样品，采用本设计可以同时采集两样品太赫兹时域反射光谱，并比较质量对样品反射光谱的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本设计，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双光路太赫兹时域光谱仪，其特点为：
采用飞秒激光器作为激励源，设置在飞秒激光器(1)输出端的分束器(2)将一束激光分为两束，用于两路太赫兹时域光谱测量；在每一路太赫兹时域光谱测量中，用分束器(3)和分束器(16)再次将激光分为两束，一束为泵浦光，另一束为探测光；泵浦光汇聚到基于光导天线的太赫兹发射器(4)、(17)上，利用光导天线辐射产生太赫兹波；产生的太赫兹波经过样品后，聚焦于基于光导天线的太赫兹探测器(15)、(28)上；探测光也同时聚焦到太赫兹探测器(15)、(28)上，通过检测光导天线回路电流来标定太赫兹波的电场幅值。
2.根据权利要求1所述的双光路太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述飞秒激光器(1)为飞秒脉冲光纤激光器，所述分束器(2)、(3)、(16)为偏振分束器。
3.根据权利要求1所述的双光路太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹发射器(4)、(17)为基于光导天线的太赫兹发射器，光导天线两极板上加载直流偏压，用于驱动半导体中载流子运动产生太赫兹辐射。
4.根据权利要求1所述的双光路太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹探测器(15)、(28)为基于光导天线的太赫兹探测器，光导天线两极板上连接电流计，用于检测载流子在太赫兹电场作用下运动引起的回路电流。
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