CN105841816B - 太赫兹时域光谱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹时域光谱系统。太赫兹时域光谱系统中，飞秒激光器辐射的飞秒激光经第一光阑准直，再由分束镜将飞秒激光分为泵浦光和探测光。泵浦光经第一光路组件产生太赫兹脉冲；探测光经第一光路组件产生与泵浦光等光程的线偏振探测光，且线偏振探测光和太赫兹脉冲经合束片合束，得到携带太赫兹脉冲信息的待检测光束。同时在探测装置中使用了两块等厚的电光晶体，调节两块电光晶体之间晶轴的夹角，对通过第一电光晶体的探测光的两个分量o光和e光的相位延迟有相应的相位补偿，从而实现对强太赫兹脉冲的线性探测，提升了测量精度。

Description

太赫兹时域光谱系统
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及太赫兹时域光谱系统。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012Hz)频段是指频率从0.1THz到10THz、波长介于微波与红外光之间的电磁辐射区间。太赫兹辐射因其时间尺度短，因此可以提供超快时间分辨光谱的能力，可以用于透过生物体、电介质材料、气相物质等一些材料，通过分析样品材料的透反射太赫兹信号便可以获得关于材料的成分，以及物理、化学、生物学状态等信息。还因为太赫兹波的频带较广，以及其光子能量小，不会对检测物质造成损害，使得太赫兹技术可以应用于成像、光谱分析、无损检测以及高速无线通信等诸多领域。
光电导采样和电光采样是两种常用的太赫兹检测技术。其中电光采样需要的脉冲能量低，并且具有较高的灵敏度和探测带宽。但该技术也存在一定的缺陷，电光采样是基于电光效应，太赫兹脉冲在通过双折射电光晶体时会改变晶体的折射率使得探测光的偏振态发生改变，经过调制光路后，测得探测光两分量的光强差，从而计算出太赫兹脉冲的强度。但是这种方法只适用于低强度的太赫兹信号，对于高强度的太赫兹脉冲信号使用这种方法会导致信号畸变、失真等而得到错误的信息。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供结构简单、太赫兹脉冲信号测量精度高的太赫兹时域光谱测试系统。
一种太赫兹时域光谱系统，包括飞秒激光器、第一光阑、分束镜，所述飞秒激光器辐射的飞秒激光经所述第一光阑准直，再由所述分束镜将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光；还包括第一光路组件、第二光路组件、合束片和探测装置；
所述泵浦光经第一光路组件产生太赫兹脉冲；所述探测光经第二光路组件产生与所述泵浦光等光程的线偏振光；
所述探测光和太赫兹脉冲经合束片合束，得到携带太赫兹脉冲信息的待检测光束；
所述探测装置用于探测所述待检测光束，沿所述待检测光束传播方向依次包括第一电光晶体、第二电光晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、锁相放大器和信息处理装置；所述第一电光晶体与第二电光晶体的厚度相等，且所述第一电光晶体与第二电光晶体晶轴夹角能够调节。
在其中一个实施例中，所述第一电光晶体和第二电光晶体均为闪锌矿晶体。
在其中一个实施例中，所述第一电光晶体晶轴与第二电光晶体晶轴的夹角为180度。
在其中一个实施例中，所述信息处理装置包括具体用于按照如下公式确定所述太赫兹脉冲的振幅：
其中，n是碲化锌晶体未受太赫兹场作用时的本征折射率，γ41是碲化锌晶体的电光张量，L是碲化锌晶体的厚度，λ是飞秒激光器的中心波长，ΔI是光电探测器测得探测光的o光与e光的光强差，I是光电探测器测得的o光与e光的光强和。
在其中一个实施例中，所述第一光路组件沿所述泵浦光传播方向依次包括多个反射镜、第二光阑、第一透镜、太赫兹脉冲发射装置、第一抛物面镜和第二抛物面镜；
所述太赫兹发射装置用于辐射产生太赫兹脉冲；
所述第一抛物面镜、第二抛物面镜相对设置，且所述第一抛物面镜用于将太赫兹脉冲进行准直处理；所述第二抛物面镜用于将太赫兹脉冲进行聚焦处理。
在其中一个实施例中，所述第一光路组件中还包括硅片，用于滤除杂光，仅让所述太赫兹脉冲透过；所述硅片设置在所述太赫兹发射装置与所述第一抛物面镜之间。
在其中一个实施例中，所述太赫兹发射装置为有源的光电导天线或无源的非线性光学整流晶体中的一种。
在其中一个实施例中，所述无源的非线性光学整流晶体为偏硼酸钡晶体。
在其中一个实施例中，所述第二光路组件沿所述探测光传播的方向依次包括延迟线装置、斩波器、二分之一波片、格兰棱镜、第二透镜和第三光阑；
所述斩波器用于为所述锁相放大器提供调制频率；所述二分之一波片、格兰棱镜用于调节所述探测光的偏振性。
在其中一个实施例中，所述光电探测器为差分光电探测器。
上述太赫兹时域光谱系统中，泵浦光经第一光路组件产生太赫兹脉冲；探测光经第一光路组件产生与泵浦光等光程的线偏振探测光，且线偏振探测光和太赫兹脉冲经合束片合束，得到携带太赫兹脉冲信息的待检测光束。同时在探测装置中使用了两块等厚的电光晶体，改变这两块电光晶体之间晶轴的夹角，对探测光的两个分量o光和e光，有一个相位补偿，实现对强太赫兹脉冲的线性探测，提升了测量精度。
附图说明
图1为太赫兹时域光谱系统光路图。
图中标号:飞秒激光器1、第一光阑2、第四光阑3、分束镜4、反射银镜5、6、13、20、第二光阑7、第一透镜8、偏硼酸钡晶体9、硅片10、第一抛物面镜11、第二抛物面镜12、延迟线装置14、斩波器15、二分一波片16、格兰棱镜17、第二透镜18、第三光阑19、合束片21、第一电光晶体(碲化锌晶体)22、第二电光晶体(碲化锌晶体)23、四分之一波片24、沃拉斯顿棱镜25、差分探测器26、锁相放大器27和信息处理装置28。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的为太赫兹时域光谱仪系统的结构示意图，包括：飞秒激光器1、第一光阑2、第四光阑3、分束镜4、反射银镜5、6、13、20、第二光阑7、第一透镜8、偏硼酸钡晶体9、硅片10、第一抛物面镜11、第二抛物面镜12、延迟线装置14、斩波器15、二分一波片16、格兰棱镜17、第二透镜18、第三光阑19、合束片21、第一电光晶体(碲化锌晶体)22、第二电光晶体(碲化锌晶体)23、四分之一波片24、沃拉斯顿棱镜25、差分探测器26(D1、D2分别为光电探头)、锁相放大器27和信息处理装置28。
其工作的过程如下：飞秒激光器1为钛蓝宝石飞秒激光器，该钛蓝宝石飞秒激光器可以辐射出800纳米(nm)、40飞秒(fs)的脉冲激光。脉冲激光光源通过第一光阑2、第四光阑3将光路准直，进而保证后续光路的稳定性。被准直的光路接下来被分束镜4分为二束光路，一路为泵浦光，另一路为探测光，其中泵浦光对应的光路为第一光路组件A，探测光对应的光路为第二光路组件B。
在本实施例中，由于空间上的局限，在第一光路组件A和第二光路组件B中，设有若干个反射银镜5、6、13、20，对相应的光路进行转折，使得第一光路组件A中的泵浦光和第二光路组件B中的探测光的光路等光程。在其他实施例中，可以根据空间的大小，其反射银镜的数量、位置的摆放可以根据实际的需求来设定，可以通过合理的设计及布局实现泵浦光和探测光的光路等光程。
第一光路组件A中依次设置有第二光阑7、第一透镜8、偏硼酸钡晶体9、硅片10、第一抛物面镜11、第二抛物面镜12。泵浦光在经过反射银镜5、6转折后经过第二光阑7，进一步准直泵浦光，泵浦光经过第一透镜8(第一透镜8为聚焦透镜)，泵浦光(飞秒脉冲光)聚焦后电离空气形成一段等离子体细丝，经偏硼酸钡晶体(Ba(BO2)2，BBO)辐射出太赫兹脉冲。在本实施例中，偏硼酸钡晶体(BBO)9放置在偏离第一透镜8的焦点位置，防止聚焦光太强，损坏偏硼酸钡晶体(BBO)9。
硼酸钡晶体(BBO)9是一种新型的紫外倍频晶体，具有较宽的透光波段(190nm-3500nm)和位相匹配范围(409.6nm-3500nm)、大的非线性光学系数，高的抗光损伤阈值、较宽的温度带宽及优越的光学均匀性。由于钛蓝宝石飞秒激光器1辐射出的为800nm的飞秒激光脉冲，800nm的飞秒激光脉冲经偏硼酸钡晶体倍频之后产生400nm的倍频光，同时有800nm的基频光聚焦电离空气形成等离子体，同时400nm的倍频光作用在等离子体细丝上，驱动等离子体从而辐射太赫兹脉冲。太赫兹场的产生是由于聚焦飞秒脉冲激发气体电离形成等离子体细丝辐射而来，不存在材料的损伤阈值限制，可以使用高功率激光产生强的太赫兹辐射，通过转动偏硼酸钡晶体角度实现对太赫兹辐射的优化。
在其他实施例中，偏硼酸钡晶体(BBO)还可以为其他的非线性光学整流晶体，例如：钒酸钇(YVO4)或冰洲石(Calcite)相类似的双折射材料。
在其他实施例中，偏硼酸钡晶体9用有源的光电导天线来代替。光电导天线是由基片和蒸镀在上面的两根金属电极组成的。在两金属电极之间加上偏置电压后，当激发光为飞秒激光时，所辐射的电磁波即为太赫兹辐射。一般，使用低温生长的砷化镓(LT-GaAs)光电导天线。
经偏硼酸钡晶体(Ba(BO2)2，BBO)辐射出太赫兹脉冲透过硅片10过滤掉800nm的基频光以及400nm倍频光，只透过太赫兹脉冲。由于太赫兹脉冲是一种锥形辐射，在硅片10后方设置有第一抛物面镜11和第二抛物面镜12，且第一抛物面镜11和第二抛物面镜12相对设置。第一抛物面镜11用于将锥形太赫兹脉冲进行准直处理；第二抛物面镜12用于将准直处理后的平行太赫兹脉冲进行聚焦处理。
第二光路组件B包括依次设置的延迟线装置14、斩波器15、二分之一波片16、格兰棱镜17、第二透镜18和第三光阑19。探测光在经过反射银镜13转折后经过延迟线装置14，延迟线装置14包括光学延迟线控制装置和光学延迟线，信息处理装置28通过光学延迟线控制装置控制光学延迟线移动，延迟线装置14使用步进扫描的方式对太赫兹脉冲在空间上进行逐点探测，得到太赫兹时域波形。经延迟线装置14处理的探测光经过斩波器15为后面的锁相放大器27提供调制频率。接着探测光经过二分之一波片16以及格兰棱镜17调节探测光的偏振，使其探测光为线偏振光。具有线性偏振的探测光经过第二透镜18聚焦、第三光阑19准直后，与经过第二抛物面镜12聚焦后的太赫兹脉冲在合束片21处合束。合束片21，用于把产生的太赫兹脉冲和探测光合束，并且保证分束镜产生泵浦光和探测光的光路等光程。
合束后的携带太赫兹脉冲信息的待检测光束由探测装置C来探测待检测光束。合束后的太赫兹脉冲和线性偏振的探测光同时共线的经过第一电光晶体22；由于光电效应，太赫兹脉冲会对碲化锌晶体的折射率有所调制，使之发生普克尔效应(Pockels Effect)，通过第一电光晶体22的探测光就会发生双折射，又线性偏振变为椭圆偏振。经过调制之后的折射率会对探测光的分量o光和e光产生相位延时。紧接着，合束后的光场经过第二电光晶体23，其中，第一电光晶体22和第二电光晶体23的厚度相等，且两个电光晶体无缝整合在一起。经过第二电光晶体23后，对之前相位延时的o光和e光有一个相位补偿，通过调节第一电光晶体(碲化锌晶体)22、第二电光晶体(碲化锌晶体)23的晶轴的夹角，使探测光的两个分量o光和e光的相位延迟尽量减至最小。其中，第一电光晶体22和第二电光晶体23均为闪锌矿晶体，在本实施例中，第一电光晶体22和第二电光晶体23均为(001)晶轴导向的碲化锌晶体。在其他实施例中，第一电光晶体22和第二电光晶体23还可以为同类型的闪锌矿晶体。
在本实施例中，第一电光晶体(碲化锌晶体)22、第二电光晶体(碲化锌晶体)23的晶轴的夹角为180度(π)，两块碲化锌晶体之间有了π夹角后，即使太赫兹脉冲的场强达到几十毫瓦每厘米也不会使o光和e光完全分离，就可以避免由于太赫兹脉冲的场强太高而使太赫兹信号出现饱和。同时通过调节第一电光晶体(碲化锌晶体)22、第二电光晶体(碲化锌晶体)23的晶轴的夹角实现对太赫兹脉冲的线性探测，提高测量精度。
待检测光束经过两块碲化锌晶体调制后，再经过四分之一波片24以及沃拉斯顿棱镜25在空间上分离开偏振方向垂直的o光和e光。在空间上分离开o光和e光分别由差分探测器26的两个光电探头(D1、D2)接收，由差分探测器26完成光电信号转换，输出的小信号。其输出的小信号由与斩波器同步的锁相放大器进行必要的放大和模数转换。信息处理装置通过数据接口接收和存储锁相放大器处理后的太赫兹信号的离散数据，并可实现快速傅里叶变换，将时域信号转为频域信号。利用上述的频域和时域太赫兹信号，依据相应的物理模型或原理处理后的信号数据反推出太赫兹时域光谱。具体按照如下公式确定太赫兹时域光场的振幅：
式中，n是碲化锌晶体未受太赫兹场作用时的本征折射率，γ41是碲化锌晶体的电光张量，L是一块碲化锌晶体的厚度，λ是飞秒激光器的光源波长，ΔI是光电探测器测得的o光与e光的光强差，I是光电探测器测得的o光与e光的光强和。传统的探测装置推导出的一阶近似的太赫兹时域光场振幅公式：
与一阶近似的太赫兹时域光场振幅公式相比，二阶近似太赫兹时域光场的振幅公式进一步的提升了太赫兹信号的还原精度以及可探测的范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹时域光谱系统，包括飞秒激光器、第一光阑、分束镜，所述飞秒激光器辐射的飞秒激光经所述第一光阑准直，再由所述分束镜将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光；其特征在于，所述太赫兹时域光谱系统还包括第一光路组件、第二光路组件、合束片和探测装置；
所述泵浦光经第一光路组件产生太赫兹脉冲；所述探测光经第二光路组件产生与所述泵浦光等光程的线偏振探测光；
所述线偏振探测光和太赫兹脉冲经合束片合束，得到携带太赫兹脉冲信息的待检测光束；
所述探测装置用于探测所述待检测光束，沿所述待检测光束传播方向依次包括第一电光晶体、第二电光晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、锁相放大器和信息处理装置；所述第一电光晶体与第二电光晶体的厚度相等，且所述第一电光晶体与第二电光晶体晶轴夹角能够调节。
2.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述第一电光晶体和第二电光晶体均为闪锌矿晶体。
3.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述第一电光晶体晶轴与第二电光晶体晶轴的夹角为180度。
4.根据权利要求2所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述信息处理装置包括具体用于按照如下公式确定所述太赫兹脉冲的振幅：
E T H z = ( n 2 γ 41 ) - 1 ( 2 π n L λ * 3 4 ) - 1 * a r c s i n ( Δ I / I )
其中，n是碲化锌晶体未受太赫兹场作用时的本征折射率，γ41是碲化锌晶体的电光张量，L是碲化锌晶体的厚度，λ是飞秒激光的中心波长，ΔI是光电探测器测得探测光的o光与e光的光强差，I是光电探测器测得的o光与e光的光强和。
5.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述第一光路组件沿所述泵浦光传播方向依次包括多个反射镜、第二光阑、第一透镜、太赫兹脉冲发射装置、第一抛物面镜和第二抛物面镜；
所述太赫兹发射装置用于辐射产生太赫兹脉冲；
所述第一抛物面镜、第二抛物面镜相对设置，且所述第一抛物面镜用于将太赫兹脉冲进行准直处理；所述第二抛物面镜用于将太赫兹脉冲进行聚焦处理。
6.根据权利要求5所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述第一光路组件中还包括硅片，用于滤除杂光，仅让所述太赫兹脉冲透过；所述硅片设置在所述太赫兹发射装置与所述第一抛物面镜之间。
7.根据权利要求5所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述太赫兹发射装置为有源的光电导天线或无源的非线性光学整流晶体中的一种。
8.根据权利要求7所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述无源的非线性光学整流晶体为偏硼酸钡晶体。
9.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述第二光路组件沿所述探测光传播的方向依次包括延迟线装置、斩波器、二分之一波片、格兰棱镜、第二透镜和第三光阑；
所述斩波器用于为所述锁相放大器提供调制频率；所述二分之一波片、格兰棱镜用于调节所述探测光的偏振性。
10.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述光电探测器为差分光电探测器。
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