CN105784634A - 垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，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光学分束器将一束激光分为两束，其中一束为探测光，另一束则经光学分束器再分为两束，一束用做泵浦光，另一束也用做探测光；泵浦光汇聚到太赫兹发射器上，辐射产生脉冲太赫兹波；产生的太赫兹波经太赫兹透镜扩束后，经过太赫兹分束器，垂直照射到样品上，从样品透射的太赫兹波经太赫兹透镜聚焦于一路太赫兹探测器上，从样品反射的太赫兹波经太赫兹分束器反射后由太赫兹透镜聚焦于另一路太赫兹探测器上；两路探测光分别经过光学延迟模块后到达两个太赫兹探测器，标定出透射和反射的脉冲太赫兹波电场幅值。该系统可同时获得样品在垂直入射条件下的透射光谱和反射光谱。

Description

垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪。
背景技术
太赫兹(THz)辐射是指频率位于微波和红外之间的电磁波。太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是太赫兹技术的典型代表，具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温环境下工作的优点。太赫兹时域光谱系统分为很多类型，最常见的是透射式和反射式THz-TDS系统。
现有的透射式和反射式THz-TDS系统，二者是分立的，即系统中每次只能选择一种测量模式，要么进行透射式测量，要么进行反射式测量，不能同时获得透射光谱和反射光谱。并且，现有的反射式太赫兹时域光谱仪大部分采用为小角度入射方式，如图1所示，这只能看作是近似垂直入射情况，数据处理存在一定误差。因此，对于需要同时测量透射光谱和反射光谱的垂直入射实验，现有的THz-TDS系统不能满足操作快捷、数据处理准确的要求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，在保持高探测带宽和高频谱分辨率的情况下，能同时测量样品在垂直入射条件下的的透射光谱和反射光谱，结构简单，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光学分束器将一束激光分为两束，其中一束为探测光，另一束则经光学分束器再分为两束，一束用做泵浦光，另一束也用做探测光；泵浦光汇聚到太赫兹发射器上，辐射产生脉冲太赫兹波；产生的太赫兹波经太赫兹透镜扩束后，经过太赫兹分束器，垂直照射到样品上，从样品透射的太赫兹波经太赫兹透镜聚焦于一路太赫兹探测器上，从样品反射的太赫兹波经太赫兹分束器反射后由太赫兹透镜聚焦于另一路太赫兹探测器上；两路探测光分别经过光学延迟模块后到达两个太赫兹探测器，标定出透射和反射的脉冲太赫兹波电场幅值。该系统可同时获得样品在垂直入射条件下的透射光谱和反射光谱。本发明具有如下优点：
1、本发明能同时进行同一样品的透射和反射太赫兹时域光谱测量，减少实际实验操作次数，方便快捷。
2、本发明中太赫兹波垂直入射到样品上，因此可获得样品垂直入射条件下的透射谱。
3、本发明中采用太赫兹分束器，保证从样品表面反射的太赫兹波也能被探测器接收到，反射率计算过程简便。
4、本发明可同时测量透射光谱和反射光谱，也可选择只测透射光谱或反射光谱，使用方便灵活。
5、本发明利用一路太赫兹发生器、两路太赫兹探测器完成同时测透射谱和反射谱的工作，结构简单。
附图说明
图1是目前常用太赫兹时域光谱仪的反射式结构示意图。
图2是本发明垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪结构示意图。
其中，图1～2中包括：飞秒激光器(1)；光学分束器(2)；光学分束器(3)；太赫兹发射器(4)；太赫兹透镜(5)；太赫兹分束器(6)；样品(7)；太赫兹透镜(8)；太赫兹探测器(9)；太赫兹透镜(10)；太赫兹探测器(11)；平面反射镜(12)；平面反射镜(13)；平面反射镜(14)；光学延迟模块(15)；平面反射镜(16)；平面反射镜(17)；平面反射镜(18)；平面反射镜(19)；光学延迟模块(20)；平面反射镜(21)；计算机(22)；曲面反射镜(23)；曲面反射镜(24)；平面反射镜(25)；平面反射镜(26)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以进一步说明，应指出的是，所描述的实施例仅在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图2，本发明采用飞秒激光器作为激励源，设置在飞秒激光器(1)输出端的光学分束器(2)将一束激光按30％、70％的比例分为两束，其中30％的一束用做探测光，另一束则经光学分束器(3)再按45％、65％的比例分为两束，45％的一束也用做探测光，65％的一束用做泵浦光；泵浦光汇聚到太赫兹发射器(4)上，辐射产生脉冲太赫兹波；产生的太赫兹波经太赫兹透镜(5)扩束并透过太赫兹分束器(6)照射到样品(7)上，透射过样品的太赫兹波经太赫兹透镜(8)聚焦于太赫兹探测器(9)；经样品反射的太赫兹波被太赫兹分束器(6)反射后，经太赫兹透镜(10)聚焦到太赫兹探测器(11)上；第一路探测光经由平面反射镜(12)反射，经过由平面反射镜(13)、(14)组成的光学延迟模块(15)后，聚焦到太赫兹探测器(11)上；第二路探测光经由平面反射镜(16)、(17)反射，经过由平面反射镜(18)、(19)组成的光学延迟模块(20)后，经平面反射镜(21)聚焦到太赫兹探测器(9)上，由此可以实现同时测量样品在某一时刻的透射光谱和反射光谱；为特别定制太赫兹分束器(6)，以保证经太赫兹发射器发射的太赫兹波透过太赫兹分束器(6)，经样品垂直反射的太赫兹波被太赫兹分束器(6)反射到太赫兹探测器(11)上，从而可用垂直入射情况的算法来处理实验获得的透射光谱和反射光谱。
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 (8)

1.一种垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，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)输出端的光学分束器(2)将一束激光分为两束，其中一束为探测光，另一束则经光学分束器(3)再分为两束，一束用做泵浦光，另一束也用做探测光；泵浦光汇聚到太赫兹发射器(4)上，辐射产生脉冲太赫兹波；产生的太赫兹波经太赫兹透镜(5)扩束并透过太赫兹分束器(6)照射到样品，透射过样品的太赫兹波经太赫兹透镜(8)聚焦于太赫兹探测器(9)；经样品反射的太赫兹波被太赫兹分束器(6)反射后，经太赫兹透镜(10)聚焦到太赫兹探测器(11)上；两路探测光分别经光学延迟模块(15)和(21)聚焦到两太赫兹探测器(9)和(11)，标定出透射和反射的脉冲太赫兹波电场幅值。
2.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述飞秒激光器(1)为飞秒光纤激光器或飞秒掺钛蓝宝石激光器，所述光学分束器(2)、(3)为偏振分束器。
3.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹发射器(4)为基于光导天线或光整流的太赫兹发射器，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，光整流利用非线性晶体中的二阶非线性光学效应产生太赫兹辐射。
4.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹探测器(9)、(11)为基于光导天线或电光采样的太赫兹探测器，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，电光采样利用非线性晶体在电场作用下的双折射效应探测太赫兹电场，双折射大小与场幅值成正比。
5.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述光学延迟模块(15)、(21)为小型的线性电机驱动的双回复反射器，通过改变两反射器间的法线距离来改变延迟时间。
6.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹透镜(5)、(8)、(10)的材质为聚乙烯或TPX或高阻硅，形状为平凸或双凸或半球，用于将发散的太赫兹波束转换为平行波束，或将平行太赫兹波束进行汇聚。
7.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述太赫兹分束器(6)对太赫兹波半透射半反射，分界面与太赫兹平行波束夹角为45度，以保证太赫兹波垂直照射样品，并使经样品反射的太赫兹波垂直照射太赫兹探测器。
8.根据权利要求1所述的垂直入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述系统利用一路太赫兹发射器、两路太赫兹探测器完成同时测透射谱和反射谱的工作。
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