CN106872800A - 石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统 - Google Patents

石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统包括:飞秒激光器用于产生激光脉冲；分束器将激光脉冲分为泵浦脉冲和探测脉冲；聚光装置将泵浦脉冲聚焦。太赫兹发射装置接收聚焦后的泵浦脉冲产生太赫兹脉冲；太赫兹收集装置将太赫兹脉冲聚焦；光延时装置将探测脉冲进行延时；石墨烯量子点探头接收延时后的探测脉冲产生荧光，并接收聚焦后的太赫兹脉冲进行荧光增强；光谱检测分析装置，基于检测到的石墨烯量子点的荧光强度，分析得到太赫兹时域信息和太赫兹电场信息。

Description

石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术领域，具体涉及一种以石墨烯量子点荧光增强用以检测太赫兹时域电场的检测系统。
背景技术
太赫兹光谱学是应用领域广阔且具有很好前景的探测技术。然而在整个电磁波谱中，太赫兹光谱区域是迄今为止研究和开发得最少的，这主要是因为这个频段辐射的产生和探测是件难度很大的工作。在半导体芯片上做太赫兹的发射器和探测器是一项很有吸引力且很必要的技术，这样可以减小太赫兹系统的尺寸并拓宽太赫兹的应用范围。但是到目前为止，在半导体芯片上做太赫兹的发射器和探测器的性能还不是特别理想，而且不能大范围调节其发射频率。因此，在太赫兹领域还需研究者进行更多尝试性的研究以解决现有技术中的不足。
发明内容
本发明针对目前太赫兹时域探测方法单一、局限性大等的不足，目的在于提供一种石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统。
本发明提供了一种石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，具有这样的特征，包括：飞秒激光器，用于产生激光脉冲；分束器，将激光脉冲分为泵浦脉冲和探测脉冲；聚光装置，将泵浦脉冲聚焦；太赫兹发射装置，接收聚焦后的泵浦脉冲产生太赫兹脉冲；太赫兹收集装置，将太赫兹脉冲聚焦；光延时装置，将探测脉冲进行延时；石墨烯量子点探头，接收延时后的探测脉冲产生荧光，并接收聚焦后的太赫兹脉冲进行荧光增强；光谱检测分析装置，基于检测到的石墨烯量子点的荧光强度，分析得到太赫兹时域信息和太赫兹电场信息。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还包括：光衰减器，用于衰减飞秒激光器产生的激光脉冲的能量，再将衰减后的激光脉冲发射到分束器。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还包括：斩波器，接收分束器发射的泵浦脉冲，并将当前频率信号作为参考信号传输给光谱检测分析装置。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还包括：精密步进电机，与光延时装置相连接，用于调节控制光延时装置。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，泵浦脉冲与探测脉冲的能量比为80:20。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹发射装置为光导天线或光整流晶体。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，太赫兹收集装置为抛物面镜、太赫兹透镜和硅透镜中任意一种。
在本发明提供的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，光延时装置为高反镜对、角隅棱镜和圆形转子中任意一种。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，因为包括飞秒激光器、分束器、聚光装置、太赫兹发射装置、太赫兹收集装置、光延时装置、石墨烯量子点探头、光谱检测分析装置，所以，探测脉冲作用于石墨烯量子点探头上产生荧光，太赫兹脉冲作用于石墨烯量子点探头上会使得荧光强度增强，光谱检测分析装置检测到增强的荧光强度信号，再经分析便可得到的太赫兹脉冲的时域电场信息。由于本发明采用了石墨烯量子点来得到太赫兹时域电场信息，石墨烯量子点的化学性质稳定、电导率优、具有极好的光电特性、且荧光寿命为纳秒量级，从而本发明的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统摆脱了传统远、近场物质对太赫兹脉冲时域信息扫描的限制，而且探测精度更高，所测数据更为准确。
附图说明
图1是本发明的实施例中石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统的结构示意图；以及
图2是本发明的实施例中石墨烯量子点荧光增强检测太赫兹时域电场的原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统作具体阐述。
图1是本发明的实施例中石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统的结构示意图。
如图1所示，在石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统100中包括：飞秒激光器110、光衰减器111、分束器112、斩波器113、聚光装置114、太赫兹发射装置115、太赫兹收集装置116、光延时装置117、精密步进电机118、石墨烯量子点探头119、光谱检测分析装置120。
飞秒激光器110用于产生激光脉冲。
光衰减器111用于衰减飞秒激光器110产生的激光脉冲的能量。由于后续系统中用来产生太赫兹脉冲的太赫兹发射装置115有损伤阈值，因此需要先将激光脉冲衰减以避免器件被打坏。
分束器112将衰减后的激光脉冲分为泵浦脉冲和探测脉冲，泵浦脉冲与探测脉冲的能量比为80:20。
斩波器113接收泵浦脉冲。斩波器113设置有用于传输频率信号的连接头J1，通过连接头J1输出斩波器当前频率信号作为参考信号。
聚光装置114将斩波器113发射的泵浦脉冲聚焦。在本实施例中聚光装置114采用凸透镜。
太赫兹发射装置115接收聚焦后的泵浦脉冲并产生太赫兹脉冲。太赫兹发射装置115可为光导天线或光整流晶体。在本实施例中太赫兹发射装置115采用光导天线。
太赫兹收集装置116将太赫兹脉冲聚焦。太赫兹收集装置116可为抛物面镜、太赫兹透镜和硅透镜等对太赫兹具有汇聚作用的装置。在本实施例中太赫兹收集装置116采用两个镀金抛物面镜116a共同作用实现太赫兹汇聚效果。
光延时装置117将探测脉冲进行延时。光延时装置117可为高反镜对、角隅棱镜和圆形转子等对激光具有反射作用的器件。在本实施例中光延时装置117采用高反镜对117a。
精密步进电机118与光延时装置117相连接，用于调节控制光延时装置117。
石墨烯量子点探头119接收延时后的探测脉冲产生荧光，并接收聚焦后的太赫兹脉冲进行荧光增强。
光谱检测分析装置120与连接头J1相连接，斩波器113的频率信号同步到光谱检测分析装置120。光谱检测分析装置120同时与石墨烯量子点探头119相连接，基于检测到的石墨烯量子点的荧光强度，分析得到太赫兹时域信息和太赫兹电场信息。
图2是本发明的实施例中石墨烯量子点荧光增强检测太赫兹时域电场的原理图。
本实施例中石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统的工作原理如下：
飞秒激光器110产生激光脉冲，该脉冲激光经光衰减器111得到能量较低的激光脉冲，激光脉冲再经过分束器112分成两束：泵浦脉冲和探测脉冲。泵浦脉冲通过斩波器113再经凸透镜114聚焦后入射至光导天线115，产生太赫兹脉冲。在泵浦脉冲一定的情况下，光导天线115发射的太赫兹脉冲其振幅与天线所加的偏置电压有关，使用者可以通过调节天线上外加电场的来获得能量较强的太赫兹脉冲。光导天线115产生的太赫兹脉冲由抛物面镜306收集并汇聚，聚焦在石墨烯量子点探头119上。探测脉冲通过高反镜对117，再入射至石墨烯量子点探头119。使用者通过精密步进电机118调节控制高反镜对117，使太赫兹脉冲与探测脉冲同时到达石墨烯量子点119a。
如图2所示，石墨烯量子点探头119设置在太赫兹脉冲光路上，同时可以让探测脉冲和太赫兹脉冲通过石墨烯量子点119a。石墨烯量子点荧光强弱对太赫兹脉冲电场特性敏感，如图2a所示，当只有探测脉冲通过石墨烯量子点119a时，光谱检测分析装置120检测到的荧光强度微弱，且为一固定值。如图2b所示，当探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过石墨烯量子点119a时，这相当于给石墨烯量子点119a加了外加电场，此时，从光谱检测分析装置120上检测到石墨烯量子点119a的荧光强度增强。
太赫兹脉冲之所以能够增强石墨烯量子点119a的荧光，并不是因为其本身有很高的强度，相比于探测脉冲，实际的太赫兹脉冲的强度可以忽略。然而，在速度体系下研究，太赫兹脉冲的失势相对于探测脉冲而言，不能忽略。失势是场效应的累积，反映了外场定向驱动电子的能力，探测脉冲有着强电场，然而其高速振荡抵消了大部分的驱动效果；而太赫兹脉冲具有不规则特性，能够使电子在皮秒量级内沿特定方向运动，因此其对于场对电子的能量耦合效率相比探测脉冲大得多。而且太赫兹脉冲对于荧光增强的效果基于探测脉冲，即失势高时刻的区域电子更有电离(脱离束缚态)的可能，因此探测脉冲作用下的荧光强度与太赫兹脉冲电场的强度相关。在探测脉冲不变的情况下，石墨烯量子点119a的荧光正比于太赫兹波的强度积分，而时间分辨荧光的强度可以测出是正比于太赫兹脉冲的时域电场强度，所以可以通过分析石墨烯量子点119a荧光增强情况得到太赫兹脉冲的时域电场信息。
由于探测脉冲的脉宽为飞秒量级，远远小于入射的太赫兹脉冲的脉宽(太赫兹脉冲的脉宽为皮秒量级)，所以使用者可以通过调节两个脉冲的时间延迟对太赫兹脉冲进行取样。
斩波器113的频率信号同步到光谱检测分析装置120作为参考信号。光谱检测分析装置120对石墨烯量子点119a的荧光强度进行探测。由于荧光强度与太赫兹脉冲电场的电场强度成比例，使用者通过调节精密步进电机118，记录石墨烯量子点119a荧光强度的变化完成对太赫兹时域电场的扫描取样，从而通过光谱检测分析装置120分析便可得到太赫兹时域电场强度信息。
实施例的作用与效果
根据实施例所涉及的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，因为包括飞秒激光器、光衰减器、分束器、斩波器、聚光装置、太赫兹发射装置、太赫兹收集装置、光延时装置、精密步进电机、石墨烯量子点探头、光谱检测分析装置，所以，探测脉冲作用于石墨烯量子点探头上产生荧光，太赫兹脉冲作用于石墨烯量子点探头上会使得荧光强度增强，而荧光强度与太赫兹脉冲电场的电场强度成比例，因此通过光谱检测分析装置检测到荧光强度信号再经分析便可得到的太赫兹脉冲的时域电场信息。由于实施例采用了石墨烯量子点来得到太赫兹时域电场信息，石墨烯量子点的化学性质稳定、电导率优、具有极好的光电特性、且荧光寿命为纳秒量级，从而本发明的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统摆脱了传统远、近场物质对太赫兹脉冲时域信息扫描的限制，而且具有更高的探测灵敏度以及更好的调节能力。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于，包括：
飞秒激光器，用于产生激光脉冲；
分束器，将所述激光脉冲分为泵浦脉冲和探测脉冲；
聚光装置，将所述泵浦脉冲聚焦；
太赫兹发射装置，接收聚焦后的所述泵浦脉冲产生太赫兹脉冲；
太赫兹收集装置，将所述太赫兹脉冲聚焦；
光延时装置，将所述探测脉冲进行延时；
石墨烯量子点探头，接收延时后的所述探测脉冲产生荧光，并接收聚焦后的所述太赫兹脉冲进行荧光增强；
光谱检测分析装置，基于检测到的石墨烯量子点的荧光强度，分析得到太赫兹时域信息和太赫兹电场信息。
2.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于，还包括：
光衰减器，用于衰减所述飞秒激光器产生的所述激光脉冲的能量，再将衰减后的所述激光脉冲发射到所述分束器。
3.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于，还包括：
斩波器，接收所述分束器发射的所述泵浦脉冲，并将当前频率信号作为参考信号传输给所述光谱检测分析装置。
4.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于，还包括：
精密步进电机，与所述光延时装置相连接，用于调节控制所述光延时装置。
5.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于：
其中，所述泵浦脉冲与所述探测脉冲的能量比为80:20。
6.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于：
其中，所述太赫兹发射装置为光导天线或光整流晶体。
7.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于：
其中，所述太赫兹收集装置为抛物面镜、太赫兹透镜和硅透镜中任意一种。
8.根据权利要求1所述的石墨烯量子点荧光增强的太赫兹时域电场检测系统，其特征在于：
其中，所述光延时装置为高反镜对、角隅棱镜和圆形转子中任意一种。
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