CN106441580A - 可变角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪 - Google Patents

可变角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变角度入射同时测透射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：分束器将飞秒激光器的输出光束分为两束，一束为探测光，另一束经分束镜再分为两束，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产生的太赫兹波经样品透射和反射后分别到达两个太赫兹探测器上；两路探测光分别汇聚到两个太赫兹探测器上，标定出透射和反射的太赫兹波电场幅值；太赫兹发射器和两个太赫兹探测器均安装在带有刻度的圆形轨道上，它们的位置可调节；样品架固定在轨道的圆心位置，可通过调节太赫兹发射器和太赫兹检测器与样品的相对位置，测量不同角度入射情况下样品的透射和反射光谱。

Description

可变角度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，尤其涉及一种可变角度入射同时测透射反射的太赫兹时域光谱仪。
背景技术
太赫兹波电磁波的频率范围通常定义为0.1THz至10THz。太赫兹技术研究应用到许多的领域。太赫兹时域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中的太赫兹发射器、探测器与样品架的相对位置固定，因此现有的太赫兹时域光谱仪不能对不同角度入射情况下的样品光谱进行灵活测量。另外，现有的太赫兹时域光谱仪一般采用透射式或反射式结构，每次只能选择一种测量模式，不能同时获得透射光谱和反射光谱，需要分别进行测量，这就导致实验操作繁复，数据处理也要分别进行。因此，现有的太赫兹时域光谱仪无法满足不同角度入射同时测样品透射和反射光谱的实验需要。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种可变角度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，能测量同一样品同一时刻的透射光谱和反射光谱，并且可通过轨道调节太赫兹发射器和太赫兹检测器与样品的相对位置，测量不同角度入射情况下样品的透射和反射光谱，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，另一束则经分束镜再分为两束，一束用做泵浦光，另一束也用做探测光；泵浦光经过光纤耦合器进入光纤，再通过光纤汇聚到太赫兹发射器上，辐射产生太赫兹波；产生的太赫兹波准直后照射样品，经样品透射和反射的太赫兹波分别聚焦后到达两个太赫兹探测器上；两路探测光分别经过各自的光学延迟模块后，再经过光纤耦合器进入光纤，最后通过光纤汇聚到太赫兹探测器上，标定出太赫兹波的电场幅值；其中，太赫兹发射器和两个太赫兹探测器均安装在带有刻度的圆形轨道上，它们的位置可调节；样品架固定在轨道的圆心位置，可通过轨道调节太赫兹发射器和太赫兹检测器与样品的相对位置，测量不同角度入射情况下样品的透射和反射光谱。本发明具有如下优点：
1、本发明能同时对同一样品进行透射和反射太赫兹时域光谱测量，可以提高样品光学参数的提取精度。
2、本发明使用带有刻度的圆形轨道调节太赫兹发射器和太赫兹检测器与样品的相对位置，实现可变角度入射和测量。
3、本发明中的轨道调节方式可以手动或电动。在电动模式下，使用两组电机控制太赫兹发射器与两个太赫兹探测器的相对位置；用于透射测量的太赫兹探测器与太赫兹发射器始终相对，二者可由同一组电机控制，每当变动角度时，二者同时向同一方向变动相同角度；用于反射测量的太赫兹探测器由另一组电机控制，当太赫兹发射器变动角度时，该太赫兹探测器则向相反方向变动相同角度，二者始终保持在样品表面中心法线两侧对称。
4、本发明可只测透射光谱，可只测反射光谱，也可同时测量透射反射光谱，使用方便灵活。
5、本发明结构灵活，操作容易。
附图说明
图1是本发明的可变角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪的结构示意图。
图2是本发明的圆形轨道的结构示意图。
图3是本发明的太赫兹发射模块的结构示意图。
图4是本发明的太赫兹探测模块的结构示意图。
其中，图1～4中包括：飞秒激光器(1)；分束器(2)；分束器(3)；光纤耦合器(4)；太赫兹发射模块(5)；样品架(6)；太赫兹探测模块(7)、(8)；圆形轨道(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)；光纤耦合器(14)；平面反射镜(15)；平面反射镜(16)；平面反射镜(17)；平面反射镜(18)；光学延迟模块(19)；光纤耦合器(20)；计算机(21)；光纤(22)、(23)、(24)；太赫兹发射器(25)；太赫兹透镜(26)、(27)；太赫兹探测器(28)。
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1，本发明采用飞秒激光器作为激励源，设置在飞秒激光器(1)输出端的分束器(2)将一束激光按33％、67％的比例分为两束，其中33％的一束用做探测光，另一束则经分束镜(3)再按50％、50％的比例分为两束，一束也用做探测光，一束用做泵浦光；泵浦光入射到光纤耦合器(4)，经光纤(22)到达太赫兹发射模块(5)，产生的太赫兹波照射到样品架(6)上的样品；经样品透射的太赫兹波到达太赫兹探测模块(7)后被探测；经样品反射的太赫兹波到达太赫兹探测模块(8)后被探测；第一路探测光经由平面反射镜(10)反射，经过包含平面反射镜(11)、(12)的光学延迟模块(13)，后通过光纤耦合器(14)进入光纤(23)后也到达太赫兹探测模块(7)；第二路探测光经由平面反射镜(15)、(16)反射，经过包含平面反射镜(17)、(28)的光学延迟模块(19)，后通过光纤耦合器(20)进入光纤(24)后也到达太赫兹探测模块(8)；由此可以实现同时测量同一样品在某一时刻的透射光谱和反射光谱；系统中太赫兹发射模块(5)和太赫兹探测模块(7)、(8)均安装在带刻度的圆形轨道(9)上，可手动或由电机控制使其在轨道上移动到相应位置；要使太赫兹波入射样品的角度每变化1度，只需控制太赫兹发射模块(5)和太赫兹探测模块(7)同时向同一方向旋转1度，控制太赫兹探测模块(8)向相反方向旋转1度，从而实现可变角度入射同时获得样品的透射光谱和反射光谱。
如图2，在带刻度的圆形轨道(9)上，安装了太赫兹发射模块(5)和太赫兹探测模块(7)、(8)，可手动或由电机控制使其在轨道上移动到相应位置。样品架(6)固定在圆形轨道(9)的圆心位置，中心法向正对着圆形轨道(9)上的0刻度方向，方便标定入射角度。
如图3，在太赫兹发射模块(5)中，经光纤(22)传输的泵浦光聚焦到太赫兹发射器(25)，产生的发散的太赫兹波照射到太赫兹透镜(26)，被准直后平行入射到样品上。
如图4，在太赫兹探测模块(6)、(7)中，经样品透射或反射的平行太赫兹波束照射到太赫兹透镜(27)，被聚焦后到达太赫兹探测器(28)，与经过光纤同时到达太赫兹探测器的探测光一起，实现对太赫兹波的探测，探测到的信号送到计算机进行处理。
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 (7)

1.一种可变角度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，另一束则经分束镜(3)再分为两束，一束用做泵浦光，另一束也用做探测光；泵浦光入射到光纤耦合器(4)，经光纤(22)到达太赫兹发射模块(5)，产生的太赫兹波照射到样品架(6)上的样品；经样品透射的太赫兹波到达太赫兹探测模块(7)后被探测；经样品反射的太赫兹波到达太赫兹探测模块(8)后被探测；第一路探测光经由平面反射镜(10)反射，经过包含平面反射镜(11)、(12)的光学延迟模块(13)，后通过光纤耦合器(14)进入光纤(23)后也到达太赫兹探测模块(7)；第二路探测光经由平面反射镜(15)、(16)反射，经过包含平面反射镜(17)、(28)的光学延迟模块(19)，后通过光纤耦合器(20)进入光纤(24)后也到达太赫兹探测模块(8)；由此可以实现同时测量同一样品在某一时刻的透射光谱和反射光谱。太赫兹发射模块(5)和太赫兹探测模块(7)、(8)均安装在带刻度的圆形轨道(9)上，可手动或由电机控制使其在轨道上移动到相应位置。太赫兹发射模块(5)中，经光纤(22)传输的泵浦光聚焦到太赫兹发射器(25)，产生的发散的太赫兹波照射到太赫兹透镜(26)，被准直后平行入射到样品上。太赫兹探测模块(6)、(7)中，经样品透射或反射的平行太赫兹波束照射到太赫兹透镜(27)，被聚焦后到达太赫兹探测器(28)，与经过光纤同时到达太赫兹探测器的探测光一起，实现对太赫兹波的探测，探测到的信号送到计算机进行处理。
2.根据权利要求1所述的可变角度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所述的可变角度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(25)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所述的可变角度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(28)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所述的可变角度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(13)、(19)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所述的可变角度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(26)、(27)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所述的可变角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：使用带刻度的圆形轨道(9)，可手动或由电机控制使太赫兹发射器和太赫兹探测器在轨道上移动到相应位置。在电动模式下，使用两组电机控制太赫兹发射器与两个太赫兹探测器的相对位置；用于透射测量的太赫兹探测器与太赫兹发射器始终相对，二者可由同一组电机控制，每当变动角度时，二者同时向同一方向变动相同角度；用于反射测量的太赫兹探测器由另一组电机控制，当太赫兹发射器变动角度时，该太赫兹探测器则向相反方向变动相同角度，二者始终保持在样品表面中心法线两侧对称。
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