CN106290228A - 一种配件组合式太赫兹时域光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种配件组合式太赫兹时域光谱系统，飞秒脉冲激光器辐射出线偏振的超短脉冲激光，经激光平面反射镜后通过二分之一波片、偏振分束镜，得到相互垂直的泵浦光和探测光；泵浦光进入太赫兹发射模块，辐射出平行的太赫兹波经过带样品的测试装置进入太赫兹探测模块；探测光经过四分之一波片后到达时间延迟模块，经激光回射镜反射后原路返回，再次经过时间延迟模块和四分之一波片，此时探测光的偏振状态已转变得和泵浦光一致，经过偏振分束镜被反射至折叠镜，随后经过激光平面反射镜反射进入太赫兹探测模块。带样品的测试装置为多功能配件设计，从而实现透射与反射、平行与聚焦、衰减全反射、任意角度反射式测量、成像等功能之间的简单切换使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波光谱技术，特别涉及一种配件组合式太赫兹时域光谱系统。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1到10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波。太赫兹波同其相邻两侧的红外和微波一样，在探测等方面能够发掘全新的技术，从而实现在材料、微电子、医学诊断、生物检测和通讯等诸多方面的应用。并且1THz的光子能量仅为4.1meV，与X射线相比，太赫兹波不会造成活体组织细胞的损伤，因此太赫兹波在材料特性分析，生物样品检测等方面备受瞩目。
太赫兹频段内拥有多种分子的转动或振动能级，大量的分子因为处于太赫兹频段而具备很强的吸收和色散特性，因为大量分子的转动和振动都是与能级相联系的偶极跃迁有关。根据太赫兹波的以上特性能够区分各种物品，一旦建立相关物品的太赫兹频谱特征数据库，检测方式就如同识别“指纹”一样方便。
对于可见光和红外波段，最早在18世纪就已研发出相应的光谱仪，现在的技术更是十分完善。但太赫兹波作为电磁波谱中的“间隙”，由于缺乏高效的太赫兹源和灵敏的太赫兹探测器，太赫兹光谱仪技术发展缓慢。市场上现有的太赫兹光谱仪大多功能单一，模式简单，不能同时满足多种需求。因此，本发明设计了一种多功能型太赫兹时域光谱系统。
发明内容
本发明是针对现有的太赫兹光谱仪无法满足市场多功能需求的问题，提出了一种配件组合式太赫兹时域光谱系统，采用光谱仪、太赫兹集成控制盒、飞秒脉冲激光器，控制和获取数据的计算机以及多功能配件组合起来使用，从而实现透射与反射、平行与聚焦、衰减全反射、任意角度反射式测量、成像等功能之间的简单切换使用。
本发明的技术方案为：一种配件组合式太赫兹时域光谱系统，包括数个激光平面反射镜、二分之一波片、偏振分束镜、太赫兹发射模块、太赫兹探测模块、四分之一波片、时间延迟模块、激光回射镜、折叠镜及带样品的测试装置，飞秒脉冲激光器辐射出线偏振的超短脉冲激光，经第一和第二激光平面反射镜后通过调节泵浦光和探测光光功率比的二分之一波片，再通过偏振分束镜，得到偏振相互垂直的两束线偏振光，其中反射光束作为泵浦光，透射光束作为探测光；泵浦光经第三激光平面反射镜反射后进入太赫兹发射模块，通过太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波经过带样品的测试装置进入太赫兹探测模块；探测光经过四分之一波片后到达时间延迟模块，然后经激光回射镜反射后原路返回，再次经过时间延迟模块和四分之一波片，此时探测光的偏振状态已转变得和泵浦光一致，经过偏振分束镜时直接被反射至用于控制扫描范围的折叠镜，随后经过第四和第五激光平面反射镜反射进入太赫兹探测模块。
所述太赫兹波走过的光程将远大于探测光时，用数个激光平面反射镜代替折叠镜，将折叠镜翻下不工作，经过偏振分束镜反射出的探测光到达第六激光平面反射镜，然后依次经过第七、八、九、十激光平面反射镜后，再由第三和第四激光平面反射镜反射进入太赫兹探测模块。
所述带样品的测试装置包括两个太赫兹平面反射镜、两个TPX透镜和待测样品，太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波依次经过第一太赫兹平面反射镜和第一TPX透镜后聚焦，再通过第二TPX透镜变成平行的太赫兹波，最后经第二太赫兹平面反射镜反射进入太赫兹探测模块，待测样品放在两个TPX透镜中间的太赫兹焦点处进行测量。
所述带样品的测试装置包括两个太赫兹平面反射镜和待测样品，太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波依次第一太赫兹平面反射镜、待测样品和第二太赫兹平面反射镜反射进入太赫兹探测模块。
所述带样品的测试装置包括数个太赫兹平面反射镜、两个TPX透镜、太赫兹半透半反镜、第一样品台、导轨和待测样品，太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波经第三太赫兹平面反射镜后，通过第三TPX透镜聚焦，然后依次通过第四太赫兹平面反射镜和太赫兹半透半反镜，其中聚焦的透射太赫兹波照到安装在样品台上的待测样品表面，第一样品台可在滑轨上移动，从而调整太赫兹光斑在样品上的尺寸大小，待测样品反射回的太赫兹波经太赫兹半透半反镜反射后，依次经过第五、六太赫兹平面反射镜、第四TPX透镜和第七太赫兹平面反射镜后进入太赫兹探测模块。
所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，还包括第二样品台、竖直位移台及水平位移台，将待测样品固定在第一样品台上，并放置于太赫兹光斑的焦点处，竖直位移台和水平位移台控制样品的高精度二维移动，每移动一个像元的同时获取一个完整的太赫兹时域信号，然后提取出成像参数完成太赫兹二维图像绘制，最终形成一个二维矩阵，根据矩阵数值的大小转化为灰度图像，即太赫兹时域成像，从而实现对待测样品的太赫兹成像。
所述带样品的测试装置包括数个太赫兹平面反射镜、两个TPX透镜、高折射率材料和待测液体样品，太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波经第八太赫兹平面反射镜反射后通过第五TPX透镜聚焦，会聚的太赫兹波经第九太赫兹平面反射镜反射到高折射率材料和待测液体样品的交界面，并发生全反射，然后反射光依次通过第十太赫兹平面反射镜、第六TPX透镜和第十一太赫兹平面反射镜变为平行太赫兹波进入太赫兹探测模块。
所述带样品的测试装置包括太赫兹凹面反射镜、第三样品台，里外圆形转台，两个驱动马达、太赫兹半透半反镜、第七TPX透镜和待测样品，其中，第三样品台固定在里圆形转台上，第一马达控制里圆形转台的转动，太赫兹凹面反射镜固定在外圆形转台上，第二马达控制外圆形转台的转动，太赫兹发射模块辐射出平行的太赫兹波经过太赫兹半透半反镜后，透射部分通过第七TPX透镜聚焦后，聚焦的太赫兹波照射到安装在第三样品台上的待测样品上，并被待测样品表面反射至太赫兹凹面反射镜上，此时太赫兹凹面反射镜将发散的太赫兹再次聚焦并沿原路返回，经太赫兹凹面反射镜反射后进入太赫兹探测模块。
本发明的有益效果在于：本发明配件组合式太赫兹时域光谱系统，装置简单，功能多样，容易操作。在实际操作过程中，只需要依据实际实验情况选择对应的工作模式和功能模块，简单校准后即可使用。该装置对于各种不同样品均适用。
附图说明
图1为本发明折叠镜工作时、聚焦透射工作模式下的光谱仪内部结构示意图；
图2为本发明光谱仪中太赫兹发射模块的结构示意图；
图3为本发明光谱仪中太赫兹探测模块的结构示意图；
图4为本发明折叠镜不工作时、聚焦透射工作模式下的光谱仪内部结构示意图；
图5为本发明平行透射工作模式的示意图；
图6为本发明聚焦反射工作模式的示意图；
图7为本发明成像模块的结构示意图；
图8为本发明衰减全反射模块的原理图；
图9为本发明衰减全反射模块结构示意图；
图10为本发明任意角度反射式测量模块的原理图；
图11为本发明任意角度反射式测量模块结构示意图。
具体实施方式
如图1所示折叠镜工作时、聚焦透射工作模式下的光谱仪内部结构示意图，由激光平面反射镜1-2、5、16-17，二分之一波片3，偏振分束镜4，太赫兹发射模块6，太赫兹平面反射镜7、10，TPX透镜8-9，太赫兹探测模块11，四分之一波片12，时间延迟模块13，激光回射镜14，折叠镜15组成。飞秒脉冲激光器辐射出线偏振的超短脉冲激光，经激光平面反射镜1-2反射后通过二分之一波片3和偏振分束镜4，得到偏振相互垂直的两束线偏振光：一束为反射光与另一束为透射光，其中反射光束作为泵浦光，透射光束作为探测光，泵浦光经激光平面反射镜5反射后进入太赫兹发射模块6，通过太赫兹发射模块6辐射出平行的太赫兹波依次经过太赫兹平面反射镜7和TPX透镜8后聚焦，再通过TPX透镜9变成平行的太赫兹波、最后经太赫兹平面反射镜10反射进入太赫兹探测模块11。探测光经过四分之一波片12后到达时间延迟模块13，然后经激光回射镜14反射后原路返回，再次经过时间延迟模块13和四分之一波片12，此时探测光的偏振状态已转变得和泵浦光一致，经过偏振分束镜4时直接被反射至折叠镜15，随后经过激光平面反射镜16、17反射进入太赫兹探测模块11。其中，偏振分束镜4将激光光束分成泵浦光和探测光，二分之一波片3用于控制泵浦光和探测光的光功率比，四分之一波片12角度固定在45°使探测光两次经过四分之一波片12后的偏振态与探测光保持一致，折叠镜15用于控制扫描范围。通过太赫兹集成控制盒与计算机一起控制时间延迟模块13的运动，从而实现太赫兹信号的扫描，得到太赫兹脉冲的时域波形，利用快速傅里叶变换得到太赫兹信号的频谱图。在具体使用时，可将样品放在TPX透镜8和TPX透镜9中间的太赫兹焦点处进行测量。
如图2所示光谱仪中太赫兹发射模块6的结构示意图，由激光平面反射镜601-602、607-608，光电导天线603，抛物面镜604，导电玻璃ITO605，校准激光器606组成。泵浦光进入太赫兹发射模块6后首先经激光平面反射镜601-602反射至光电导天线603上，辐射出太赫兹波，光电导天线上带有一个硅透镜，故辐射出的太赫兹波呈一定角度发散，发散的太赫兹波经过抛物面镜604后变为平行，再经由导电玻璃ITO605反射出太赫兹发射模块6。校准激光器606固定在导电玻璃ITO605旁，校准时，校准激光器606辐射出的激光经激光平面反射镜607-608反射，然后透过导电玻璃ITO605，可以模拟出太赫兹波在后续光路中的走向，便于校准和调节系统。
如图3所示光谱仪中太赫兹探测模块11的结构示意图，由TPX透镜1101，导电玻璃ITO1102，太赫兹平面反射镜1103，电光晶体1104，激光聚焦透镜1105，四分之一波片1106，渥拉丝通棱镜1107，光电二极管1108-1109，激光聚焦透镜1110，激光平面反射镜1111组成。由太赫兹平面反射镜10反射进入太赫兹探测模块11的太赫兹波首先经过TPX透镜1101聚焦，然后被导电玻璃ITO1102和太赫兹平面反射镜1103反射至电光晶体1104上。另外，探测光由激光平面反射镜17反射进入太赫兹探测模块11后，依次经过激光聚焦透镜1110和激光平面反射镜1111，透过导电玻璃ITO1102，被太赫兹平面反射镜1103反射至电光晶体1104上，并且，太赫兹波与探测光在电光晶体1104上共焦。随后，探测光依次通过激光聚焦透镜1105、四分之一波片1106、渥拉丝通棱镜1107到达光电二极管1108-1109，利用电光采样原理进行探测。
如图4所示折叠镜不工作时、聚焦透射工作模式下的光谱仪内部结构示意图。泵浦光路走向与图1中一致，探测光的偏振状态被调节和泵浦光一致后，经过偏振分束镜4反射出的探测光到达激光平面反射镜18，然后依次经过激光平面反射镜19-22后，再由激光平面反射镜16-17反射进入太赫兹探测模块11。当测量一个折射率很大的样品时，此时太赫兹波走过的光程将远大于探测光，图1将不再适用，因此需要将折叠镜15翻下不工作，由激光平面反射镜18-22代替，为探测光补偿一些光程。
如图5所示平行透射工作模式的示意图，只需要将TPX透镜8-9撤掉，这样太赫兹平面反射镜7和太赫兹平面反射镜10之间为平行的太赫兹波。
如图6所示聚焦反射工作模式的示意图，由太赫兹平面反射镜2301、2303、2307-2308、2310，TPX透镜2302、2309，太赫兹半透半反镜2304，样品台2305，导轨2306组成。太赫兹发射模块6辐射出的平行太赫兹波经太赫兹平面反射镜2301反射后，通过TPX透镜2302聚焦，然后依次通过太赫兹平面反射镜2303和太赫兹半透半反镜2304，其中聚焦的透射太赫兹波照到安装在样品台2305上的样品表面，样品台2305可在滑轨2306上移动，从而调整太赫兹光斑在样品上的尺寸大小。样品反射回的太赫兹波经太赫兹半透半反镜2304反射后，依次经过太赫兹平面反射镜2307-2308、TPX透镜2309和太赫兹平面反射镜2310后进入太赫兹探测模块11。
如图7所示成像模块的结构示意图，由样品台2401、竖直位移台2402、水平位移台2403组成。将样品固定在样品台2401上，并放置于太赫兹光斑的焦点处。利用竖直位移台2402和水平位移台2403控制样品的高精度二维移动，每移动一个像元的同时获取一个完整的太赫兹时域信号，然后提取出成像参数完成太赫兹二维图像绘制。最终形成一个二维矩阵，根据矩阵数值的大小转化为灰度图像，即太赫兹时域成像，从而实现对样品的太赫兹成像。进一步对每个像元获得的时域信号进行傅里叶变换，可以得到样品的太赫兹频谱，再通过软件集成的数学计算即可提取出样品的光学特征参数，如折射率、吸收系数等。成像模块可在聚焦反射工作模式、聚焦透射工作模式下工作。
如图8、9所示衰减全反射模块的原理图及结构示意图，由太赫兹平面反射镜2501、2508、2503、2507，TPX透镜2502、2507，高折射率材料2504，以及待测样品2505组成。衰减全反射模块一般用于测量在太赫兹波段有较大吸收率的样品，例如各种液体。一束平行的太赫兹波经太赫兹平面反射镜2501反射后通过TPX透镜2502聚焦，会聚的太赫兹波经太赫兹平面反射2503反射到高折射率材料2504和待测样品2505的交界面，并发生全反射。然后反射光依次通过太赫兹平面反射镜2506、TPX透镜2507和太赫兹平面反射镜2508变为平行太赫兹波进入后续光路中。反射光的幅度和相位取决于待测样品2505的折射率。根据菲涅尔公式其中n1为高折射率材料2504的折射率，θ1为太赫兹波在高折射率材料2504内的入射角，n2为待测样品2505的折射率，θ1为太赫兹波在待测样品2505内的折射角，此处为90°。先选用一个已知折射率的参考物品，计算得出菲涅尔系数rs，然后根据此系数即可求出待测样品2505的折射率。
如图10-11所示任意角度反射式测量模块的原理图及结构示意图，由太赫兹凹面反射镜2601、样品台2602，圆形转台2603-2604，马达2605-2606组成。其中，样品台2602固定在圆形转台2603上，马达2605控制圆形转台2603的转动，太赫兹凹面反射镜2601固定在圆形转台2604上，马达2606控制圆形转台2604的转动。当一束平行太赫兹光经过太赫兹半透半反镜2607后，透射部分通过TPX透镜2608聚焦后，聚焦的太赫兹波照射到安装在样品台2602上的样品上，并被样品表面反射至太赫兹凹面反射镜2601上，此时太赫兹凹面反射镜2601将发散的太赫兹再次聚焦并沿原路返回，经太赫兹凹面反射镜2601反射后进入后续光路。如转动圆形转台2603改变太赫兹波到样品表面的入射角，则反射光的方向也会发生变化，此时需要转动圆形转台2604改变太赫兹凹面反射镜2601的位置，直至将太赫兹波原路返回。太赫兹凹面反射镜2601和样品台2602的位置及角度可以任意调节，由此实现任意角度的反射式测量功能。
Claims (8)
1.一种配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，包括数个激光平面反射镜、二分之一波片（3）、偏振分束镜（4）、太赫兹发射模块（6）、太赫兹探测模块（11）、四分之一波片（12）、时间延迟模块（13）、激光回射镜（14）、折叠镜（15）及带样品的测试装置，飞秒脉冲激光器辐射出线偏振的超短脉冲激光，经第一和第二激光平面反射镜（1、2）后通过调节泵浦光和探测光光功率比的二分之一波片（3），再通过偏振分束镜（4），得到偏振相互垂直的两束线偏振光，其中反射光束作为泵浦光，透射光束作为探测光；泵浦光经第三激光平面反射镜（5）反射后进入太赫兹发射模块（6），通过太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波经过带样品的测试装置进入太赫兹探测模块（11）；探测光经过四分之一波片（12）后到达时间延迟模块（13），然后经激光回射镜（14）反射后原路返回，再次经过时间延迟模块（13）和四分之一波片（12），此时探测光的偏振状态已转变得和泵浦光一致，经过偏振分束镜（4）时直接被反射至用于控制扫描范围的折叠镜（15），随后经过第四和第五激光平面反射镜（16、17）反射进入太赫兹探测模块（11）。
2.根据权利要求1所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述太赫兹波走过的光程将远大于探测光时，用数个激光平面反射镜代替折叠镜（15），将折叠镜（15）翻下不工作，经过偏振分束镜（4）反射出的探测光到达第六激光平面反射镜（18），然后依次经过第七、八、九、十激光平面反射镜（19、20、21、22）后，再由第三和第四激光平面反射镜（16、17）反射进入太赫兹探测模块（11）。
3.根据权利要求1或2所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述带样品的测试装置包括两个太赫兹平面反射镜（7、10）、两个TPX透镜（8、9）和待测样品，太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波依次经过第一太赫兹平面反射镜（7）和第一TPX透镜（8）后聚焦，再通过第二TPX透镜（9）变成平行的太赫兹波，最后经第二太赫兹平面反射镜（10）反射进入太赫兹探测模块（11），待测样品放在两个TPX透镜（8、9）中间的太赫兹焦点处进行测量。
4.根据权利要求1或2所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述带样品的测试装置包括两个太赫兹平面反射镜（7、10）和待测样品，太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波依次第一太赫兹平面反射镜（7）、待测样品和第二太赫兹平面反射镜（10）反射进入太赫兹探测模块（11）。
5.根据权利要求1或2所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述带样品的测试装置包括数个太赫兹平面反射镜、两个TPX透镜（2302、2309）、太赫兹半透半反镜（2304）、第一样品台（2305）、导轨（2306）和待测样品，太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波经第三太赫兹平面反射镜（2301）后，通过第三TPX透镜（2302）聚焦，然后依次通过第四太赫兹平面反射镜（2303）和太赫兹半透半反镜（2304），其中聚焦的透射太赫兹波照到安装在样品台（2305）上的待测样品表面，第一样品台（2305）可在滑轨（2306）上移动，从而调整太赫兹光斑在样品上的尺寸大小，待测样品反射回的太赫兹波经太赫兹半透半反镜（2304）反射后，依次经过第五、六太赫兹平面反射镜（2307、2308）、第四TPX透镜（2309）和第七太赫兹平面反射镜（2310）后进入太赫兹探测模块（11）。
6.根据权利要求3所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，还包括第二样品台（2401）、竖直位移台（2402）及水平位移台（2403），将待测样品固定在第一样品台（2401）上，并放置于太赫兹光斑的焦点处，竖直位移台（2402）和水平位移台（2403）控制样品的高精度二维移动，每移动一个像元的同时获取一个完整的太赫兹时域信号，然后提取出成像参数完成太赫兹二维图像绘制，最终形成一个二维矩阵，根据矩阵数值的大小转化为灰度图像，即太赫兹时域成像，从而实现对待测样品的太赫兹成像。
7.根据权利要求1或2所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述带样品的测试装置包括数个太赫兹平面反射镜、两个TPX透镜（2502、2507）、高折射率材料（2504）和待测液体样品（2505），太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波经第八太赫兹平面反射镜（2501）反射后通过第五TPX透镜（2502）聚焦，会聚的太赫兹波经第九太赫兹平面反射镜（2503）反射到高折射率材料（2504）和待测液体样品（2505）的交界面，并发生全反射，然后反射光依次通过第十太赫兹平面反射镜（2506）、第六TPX透镜（2507）和第十一太赫兹平面反射镜（2508）变为平行太赫兹波进入太赫兹探测模块（11）。
8.根据权利要求1或2所述配件组合式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述带样品的测试装置包括太赫兹凹面反射镜（2601）、第三样品台（2602），里外圆形转台（2603、2604），两个驱动马达（2605、2606）、太赫兹半透半反镜（2607）、第七TPX透镜（2608）和待测样品，其中，第三样品台（2602）固定在里圆形转台（2603）上，第一马达（2605）控制里圆形转台（2603）的转动，太赫兹凹面反射镜（2601）固定在外圆形转台（2604）上，第二马达（2606）控制外圆形转台（2604）的转动，太赫兹发射模块（6）辐射出平行的太赫兹波经过太赫兹半透半反镜（2607）后，透射部分通过第七TPX透镜（2608）聚焦后，聚焦的太赫兹波照射到安装在第三样品台（2602）上的待测样品上，并被待测样品表面反射至太赫兹凹面反射镜（2601）上，此时太赫兹凹面反射镜（2601）将发散的太赫兹再次聚焦并沿原路返回，经太赫兹凹面反射镜（2601）反射后进入太赫兹探测模块（11）。
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