CN107462546A - 基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹脉冲成像，为提出一种高性能的太赫兹时域光谱成像装置，使其具有装置简单、易于调节、高稳定性、高信噪比、宽带宽、速度快的优点，并且具有灵活便捷、高空间分辨率特性。为此，本发明，基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，由以下器件构成：光纤飞秒激光器、光纤、光纤分束器、光纤延时线、光纤集成化的太赫兹发射天线、COC太赫兹透镜、光纤准直器、倍频模块、透镜、反射镜、太赫兹探针、二维电动探测平移台、三维电动样品架、方波电压源、电流放大器、锁相放大器、数据采集卡、计算机。本发明主要应用于太赫兹脉冲成像场合。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹脉冲成像，具体讲,涉及基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于红外和微波之间，一般指频率0.1-10THz的电磁波，近些年来，太赫兹相关技术被广泛关注并得到迅猛发展，由于其特殊的光谱位置和物理性能，使其在国防、安检、生物医学、物理学等方面具有很大的应用潜力。太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一，成像装置的性能参数包括带宽、空间分辨率、信噪比、是否能采集到相位信息、成像速度、灵活度、稳定性等，这些性能参数直接决定了太赫兹成像装置的应用范围。
现如今，国内外发展起来的太赫兹成像技术主要分为连续波成像和脉冲成像[1]。连续波成像包括光混频成像、返波振荡器成像、微测辐射仪照相机成像等，这种技术通常情况下是一种强度成像，具有较高的辐射功率、成像速度快、系统便捷的特点，但是这种技术得到的数据信息量小，不具有相位信息，后来发展起来的连续波相干探测方法[2]，虽然也能获得相位信息，但是这种方法相比太赫兹脉冲成像技术仍然具有带宽窄、噪声高的缺点。太赫兹脉冲成像包括时域光谱成像、实时二维成像以及层析成像(反射层析、计算机层析和衍射层析)等，太赫兹脉冲成像通常通过相干探测方法得到包含成像样品信息的太赫兹时域信号，通过傅里叶变换能同时得到样品的振幅和相位信息，进而可推导出样品介电特性的空间分布，此种技术能同时获得振幅和相位信息、带宽宽、信噪比高，相比太赫兹连续波成像唯一的缺点就是成像速度慢，此种脉冲成像技术信息量丰富可以做多光谱成像研究，具有更大的应用价值。下面简单介绍几种太赫兹脉冲成像技术。
在太赫兹脉冲成像技术中，太赫兹实时二维成像在1996年由张希成团队首次实现[3]，这种装置基于电光晶体中的线性泡克尔斯效应，利用自由空间电光采样技术对太赫兹进行探测成像。太赫兹波束将图像传至大面积EO晶体上，光学读取光束覆盖太赫兹光束通过晶体，由太赫兹场引发晶体的泡克尔斯效应，进而晶体对光学读取光束产生调制，探测晶体中的二维太赫兹场分布转化为光学读取光束通过正交偏振片后的二维强度分布，被CCD相机记录下来。装置优势：将太赫兹场图像转化为光学波段的图像，利用CCD成像，成像快。装置弊端：需要很强的太赫兹源激发EO晶体产生泡克尔斯效应、相比太赫兹时域光谱成像信噪比低，且无相位信息，无法进行光谱分析。
太赫兹层析成像Terahertz-CT的原理与X-CT原理类似[4]，将从太赫兹发射器辐射出的太赫兹波进行准直，并会聚在成像样品上，透过样品的太赫兹波经过准直后又被聚焦到太赫兹探测器上，在x和z方向平移扫描成像样品，利用逆向过滤投影算法对成像样品进行重现。装置优势：获得的信息量大，可对样品的振幅和相位进行分析。装置局限性在于:信噪比依赖于太赫兹波的强度和样品对太赫兹波的吸收率，缺少高功率的太赫兹辐射源，信噪比更低。
太赫兹时域光谱成像技术是一种很成熟的技术，最早在1995年，由Hu和Nuss首次提出逐点扫描式THz时域光谱成像技术[5]，在传统的太赫兹时域光谱系统中，把样品放于太赫兹焦点的位置，太赫兹发射器和探测器固定不动，通过逐点二维移动样品，实现样品的二维扫描。装置优势：是一种相干探测方法，能同时获取振幅和相位信息，信息量大，可用于强度分析和频谱分析。装置弊端：使用的空间光延时线移动速度慢，成像慢，使用多个抛物面镜，装置比较复杂，此种方法扫描的是样品而不是太赫兹光束，而且空间分辨率受太赫兹聚焦焦斑尺寸的限制，受限于衍射极限。研制出太赫兹天线阵列能提高成像速度，但是关于天线阵列有些技术问题难于解决，比如需要很大的光功率激发，天线阵列需要很高的的集成密度等。
综合以上几种太赫兹脉冲成像技术，太赫兹时域光谱成像技术是研究最早，也是最为成熟的一种技术，它的显著特点就是信噪比高，信息量大，每一个像素点都对应一个时域波形，通过傅里叶变换能得到每一个像素点的振幅和相位，从而可以重构样品的介电特性二维分布图。由于很多材料在太赫兹波段都具有指纹谱，因此可以利用特征频率的成像对样品进行材料分布的识别。至今发展起来的太赫兹光谱成像装置大多数与Hu和Nuss提出的逐点扫描式装置类似，太赫兹光路固定，结构复杂，空间分辨率受衍射极限限制，只能通过二维移动样品达到扫描成像的目的。
综合以上背景技术，亟待寻求一种高性能的太赫兹时域光谱成像装置，使其具有装置简单、易于调节、高稳定性、高信噪比、速度快的优点，并且具有灵活便捷、宽带宽、高空间分辨率特性，具备光谱分析能力以及扫描太赫兹光束功能的时域光谱成像装置。这对于太赫兹器件的光场验证、微纳尺度的光谱学分析、无损样品检查与分析、理论物理的研究以及物理应用之外的生物学等方面的研究意义深远。
参考文献：
[1]杨昆,赵国忠,梁承森,等.脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像特性的比较[J].中国激光,2009,36(11):2853-2858.
[2]袁慧，太赫兹成像技术若干问题的研究[D]，北京：北京理工大学，2016，48-57
[3]Wu Q,Hewitt T D,Zhang X C.Two‐dimensional electro‐optic imaging ofTHz beams[J].Applied Physics Letters,1996,69(8):1026-1028.
[4]王少宏,张存林,张希成.Terahertz波计算机辅助三维层析成像技术[J].物理学报,2005,52(1):120-124.
[5]Hu B B,Nuss M C.Imaging with terahertz waves[J].Optics letters,1995,20(16):1716-1718。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种高性能的太赫兹时域光谱成像装置，使其具有装置简单、易于调节、高稳定性、高信噪比、宽带宽、速度快的优点，并且具有灵活便捷、高空间分辨率特性，具备光谱分析能力以及扫描太赫兹光束功能的时域光谱成像能力。为此，本发明采用的技术方案是，基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，由以下器件构成：光纤飞秒激光器(1)、光纤(2)、光纤分束器(3)、光纤延时线(4)、光纤集成化的太赫兹发射天线(5)、COC太赫兹透镜(6)、光纤准直器(7)、倍频模块(8)、透镜(9)、反射镜(10)、太赫兹探针(11)、二维电动探测平移台(12)、三维电动样品架(13)、方波电压源(14)、电流放大器(15)、锁相放大器(16)、数据采集卡(17)、计算机(18)；
从光纤飞秒激光器(1)发出的激光经过光纤分束器(3)被分成两束；分束器(3)的一个分支依次经光纤延迟线(4)、光纤(2)和光纤集成化的太赫兹发射天线(5)的光纤尾纤，光纤集成化的太赫兹发射天线(5)在方波电压源(14)的驱动下产生发散的太赫兹波，发散的太赫兹波经过COC太赫兹透镜(6)的汇聚作用变成平行的太赫兹波，太赫兹波经过样品到达太赫兹探针(11)；光纤分束器(3)的另一个分支连接光纤(2)，光纤(2)尾端连接光纤准直器(7)，从光纤准直器(7)耦合出来自由空间光，的自由空间光经过倍频模块(8)的倍频作用转变为对太赫兹探针(11)激发有效的激光，激光经过透镜(9)和反射镜(10)的作用聚焦到太赫兹探针(11)上，激发探针探测太赫兹场；使用太赫兹探针(11)，探针能够接近样品直接探测样品的近场信息，突破衍射极限；调整太赫兹发射光程与太赫兹探测光程差，保证光纤延时线在整个移动过程中能相干探测到太赫兹信号；光纤准直器(7)、倍频模块(8)、透镜(9)、反射镜(10)、太赫兹探针(11)都安装在一块小面包板上，小面包板被整体固定在二维电动探测平移台(12)上，使太赫兹探针能够灵活移动，二维电动探测平移台(12)逐点扫描就能达到对太赫兹场的二维成像的目的；三维电动样品架(13)具备三维电动移动的功能，通过电动移动样品架就能够实现样品的三维逐点扫描成像；太赫兹探针(11)探测到的信号经过电流放大器(15)的放大作用接入锁相放大器(16)的信号输入端口，将方波电压源(14)的参考频率信号接入到锁相放大器(16)的参考端口，从锁相放大器(16)输出端口的信号接入到数据采集卡(17)上，数据采集卡(17)通过计算机(18)读取并存储，计算机(18)驱动二维电动探测平移台(12)和三维电动样品架(13)，分别完成对太赫兹场和样品的逐点扫描成像，将太赫兹时域信号进行傅里叶变换，即可完成太赫兹多光谱成像分析。
使用的激光器是中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器(1)，中心波长为1560nm的飞秒激光通过1560nm的光纤进行传导。
使用1560nm倍频模块(8)将1560nm的激光转变为对780nm太赫兹探针(11)激发有效的780nm的激光。
在太赫兹透镜和样品之间可加入太赫兹光学元件：太赫兹透镜、太赫兹偏振片以及太赫兹波片。
780nm太赫兹探针(11)为商业化的太赫兹探针，具有测量横向电场和测量纵向电场两种型号，更换不同型号的太赫兹探针即可完成对不同方向电场的成像功能。
使用的COC太赫兹透镜(6)是利用环烯烃类共聚物COC自己加工制作的平凸宽带太赫兹透镜，使用的原材料型号为TOPAS 5013L-10。
本发明的特点及有益效果是：
本发明是一种高性能多功能的太赫兹时域光谱成像装置，具备光谱分析能力，本发明中使用光纤提高了整个装置的灵活度和稳定性。
使用商业化的快速光纤延时线提高了扫描速度，扫描一个像素点的时间从2-3min/点提高到最快1s/点。
使用商业化的1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线和780nm太赫兹探针保证了装置的高信噪比和宽带宽特性，无样品时，利用本发明装置采集的时域信号和相应的频域信号如图3和图4，信噪比约为1000：1，带宽为0.2-1.6THz，测量条件为：使用两个太赫兹透镜将太赫兹聚焦到探针上，使用的探针为测量横向电场的探针，探针位于太赫兹光斑的中心。
商业化的780nm太赫兹探针能够逼近样品表面探测样品的近场，突破衍射极限，提高整个装置的空间分辨率，得到亚波长的空间分辨率，探针的技术参数中标明空间分辨率能达到20μm。
780nm太赫兹探针为商业化的太赫兹探针，具有测量横向电场和测量横向电场两种型号，更换不同型号的太赫兹探针即可完成对不同方向电场的成像功能，如可用测量横向电场的探针扫描太赫兹光场分布，可用测量纵向电场的探针扫描样品的表面波场分布
本发明中使用的太赫兹透镜是利用环烯烃类共聚物COC自己加工制作的平凸宽带太赫兹透镜，使用的原材料型号为TOPAS 5013L-10，加工的尺寸参数如图2，相比抛物面镜具有可操作性强、方便、快捷、成本低的优点。
计算机能够同时控制二维电动探测平移台和三维电动样品架，可分别完成对太赫兹场和样品的逐点扫描成像，将时域信号进行傅里叶变换，即可完成光谱成像分析，扫描成像过程为完全自动化过程，装置灵活，操作便捷。
附图说明：
图1为本发明一种基于1560nm激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置的结构图。
图1中：1是中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器、2是1560nm光纤、3是1560nm光纤分束器、4是1560nm光纤延时线、5是1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线、6是太赫兹透镜、7是1560nm光纤准直器、8是1560nm倍频模块、9是780nm透镜、10是780nm反射镜、11是780nm太赫兹探针、12是二维电动探测平移台、13是三维电动样品架、14是方波电压源、15是电流放大器、16是锁相放大器、17是数据采集卡、18是计算机。
图2为本发明一种基于1560nm激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置中使用的太赫兹COC透镜的参数尺寸图。使用的原材料型号为TOPAS 5013L-10，透镜通光口径为25.4mm，边缘厚度为2mm，曲率半径为25.95mm，透镜的焦距为50mm。
图3本发明装置的太赫兹时域信号。
图4本发明装置的太赫兹频域信号。
图5太赫兹涡旋光束强度(左图)和相位分布(右图)。
图6在频率0.58THz太赫兹表面波导传播的太赫兹表面波分布图
图7COC太赫兹透镜与TPX太赫兹透镜的时域信号对比。
图8COC太赫兹透镜与TPX太赫兹透镜的线性频域信号对比。
具体实施方式
本发明是一种太赫兹脉冲成像装置，利用太赫兹光谱成像技术，通过逐点扫描的方式进行成像，通过该发明得到的图像信息同时包含幅值信息和相位信息。
在太赫兹脉冲成像技术中，太赫兹时域光谱成像技术是研究最早，也最为成熟的一种技术，它的显著特点就是信噪比高，信息量大，每一个像素点都对应一个时域波形，通过傅里叶变换能得到每一个像素点的振幅和相位，从而可以重构样品的介电特性二维分布图。由于很多材料在太赫兹波段都具有指纹谱，因此可以利用特征频率的成像对样品进行材料分布识别。至今发展起来的太赫兹光谱成像装置大多数与Hu和Nuss提出的逐点扫描式装置类似，太赫兹光路固定，结构复杂，空间分辨率受衍射极限限制，只能通过二维移动样品达到扫描的目的。
亟待寻求一种高性能的太赫兹时域光谱成像装置，使其具有装置简单、易于调节、高稳定性、高信噪比、宽带宽、速度快的优点，并且具有灵活便捷、高空间分辨率特性，具备光谱分析能力以及扫描太赫兹光束功能的时域光谱成像装置。这对于太赫兹器件的光场验证、微纳尺度的光谱学分析、无损样品检查与分析、理论物理的研究以及物理应用之外的生物学等方面的研究意义深远。
为了提高太赫兹时域光谱成像装置的灵活度，已经发展出1560nm光纤化的太赫兹光导天线[6]，可以根据实验需求灵活摆放太赫兹发射天线和探测天线的位置，完成复杂的实验。现阶段应用此种光纤集成化的天线搭建的太赫兹时域光谱成像装置能够实现一定的太赫兹扫描功能，但是它的空间分辨率不高，这是由该种探测器的体积太大导致的，该种探测器前端的硅透镜限制该种探测器只能用于测量太赫兹远场，不能突破远场衍射极限，不能达到亚波长尺度的空间分辨率，使其不能达到某些实验条件，这就限制了它的应用范围。通过近场探测的方式能突破远场的衍射极限，进而能够达到亚波长尺度的空间分辨率。800nm激光激励的太赫兹光导探针的出现为探测太赫兹近场提供了可能[7]，利用该种探针已经开发出的太赫兹探测器是基于输出800nm空间自由光的激光器搭建的[8]，探测模块中的整个光路都是空间自由光路，将其应用到太赫兹光谱成像系统中，虽然能够提高空间分辨率，但是显得特别笨拙，只能采用移动样品的方式达到扫描的目的，而不能移动探针进行扫描，使其不能应用在某些需要移动探针达到扫描目的的实验中去。后期发展的800nm半光纤化的太赫兹系统也只是将太赫兹探测一路光纤化[9]，发射端仍然采用空间自由光传输，装置的灵活度还不够。
本发明将1560nm光纤化的太赫兹时域光谱系统与800nm的太赫兹探针相结合，既能使装置灵活、使用便捷，又能提高空间分辨率，加之使用的太赫兹时域光谱成像技术，其具有高稳定性、高信噪比、带宽宽的特性。
本发明是一种基于1560nm激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置,本装置使用的激光器是中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器，结合使用1560nm光纤集成的太赫兹发射天线、1560nm激光倍频元件以及780nm激光激励的太赫兹探针，将整套太赫兹时域光谱成像装置光纤集成化，使其具有灵活方便、多功能的特性，这是本发明的关键发明点。
本发明由以下关键器件组成(如说明书附图1所示):中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器(1)、1560nm光纤(2)、1560nm光纤分束器(3)、1560nm光纤延时线(4)、1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线(5)、COC太赫兹透镜(6)、1560nm光纤准直器(7)、1560nm倍频模块(8)、780nm透镜(9)、780nm反射镜(10)、780nm太赫兹探针(11)、二维电动探测平移台(12)、三维电动样品架(13)、方波电压源(14)、电流放大器(15)、锁相放大器(16)、数据采集卡(17)、计算机(18)。
从中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器(1)发出的1560nm激光经过1560nm光纤分束器(3)被分成两束；1560nm光纤分束器(3)的一个分支，连续连接1560nm光纤延迟线(4)、1560nm光纤(2)和1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线(5)的光纤尾纤，1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线(5)在方波电压源(14)的驱动下产生发散的太赫兹波，发散的太赫兹波经过COC太赫兹透镜(6)的汇聚作用变成平行的太赫兹波，太赫兹波经过样品到达780nm太赫兹探针(11)(可在太赫兹透镜和样品之间加入具体实验需求的太赫兹光学元件：如太赫兹透镜、太赫兹偏振片、太赫兹波片等等)；1560nm光纤分束器(3)的另一个分支连接1560nm光纤(2)，1560nm光纤(2)尾端连接1560nm光纤准直器(7)，从1560nm光纤准直器(7)耦合出来1560nm自由空间光，1560nm的自由空间光经过1560nm倍频模块(8)的倍频作用转变为对780nm太赫兹探针(11)激发有效的780nm的激光，780nm激光经过780nm透镜(9)和780nm反射镜(10)的作用聚焦到780nm太赫兹探针(11)上，激发探针探测太赫兹场；使用780nm太赫兹探针(11)，探针能够接近样品直接探测样品的近场信息，突破衍射极限，使本发明的空间分辨率大大提高；调整太赫兹发射光程与太赫兹探测光程差，保证光纤延时线在整个移动过程中能相干探测到太赫兹信号；1560nm光纤准直器(7)、1560nm倍频模块(8)、780nm透镜(9)、780nm反射镜(10)、780nm太赫兹探针(11)都安装在一块小面包板上，小面包板被整体固定在二维电动探测平移台(12)上，使太赫兹探针能够灵活移动，二维电动探测平移台(12)逐点扫描就能达到对太赫兹场的二维成像的目的；三维电动样品架(13)具备三维电动移动的功能，通过电动移动样品架就能够实现样品的三维逐点扫描成像；780nm太赫兹探针(11)探测到的信号经过电流放大器(15)的放大作用接入锁相放大器(16)的信号输入端口，将方波电压源(14)的参考频率信号接入到锁相放大器(16)的参考端口，从锁相放大器(16)输出端口的信号接入到数据采集卡(17)上，数据采集卡(17)通过计算机(18)读取并存储，计算机(18)驱动二维电动探测平移台(12)和三维电动样品架(13)，可分别完成对太赫兹场和样品的逐点扫描成像，将太赫兹时域信号进行傅里叶变换，即可完成太赫兹光谱成像分析；780nm太赫兹探针(11)为商业化的太赫兹探针，具有测量横向电场和测量纵向电场两种型号，更换不同型号的太赫兹探针即可完成对不同方向电场的成像功能，如可用测量横向电场的探针扫描太赫兹光场分布，可用测量纵向电场的探针扫描样品的表面波场分布；本发明中使用可快速移动的光纤延迟线(4)，成像速度上有了一定的提高；本发明中使用的COC太赫兹透镜(6)是利用环烯烃类共聚物COC自己加工制作的平凸宽带太赫兹透镜，使用的原材料型号为TOPAS 5013L-10，加工的尺寸参数如图2，相比抛物面镜具有可操作性强、方便、快捷的优点，并且完全可与商业化的TPX透镜相匹敌，TPX透镜购买成本高，使用自己加工的COC太赫兹透镜大大降低了本发明的成本。
商业化的780nm太赫兹探针能够逼近样品表面探测样品的近场，突破衍射极限，提高整个装置的空间分辨率，得到亚波长的空间分辨率，探针的技术参数中标明空间分辨率能达到20μm。
780nm太赫兹探针为商业化的太赫兹探针，具有测量横向电场和测量纵向电场两种型号，更换不同型号的太赫兹探针即可完成对不同方向电场的成像功能，如可用测量横向电场的探针扫描太赫兹光场分布，可用测量纵向电场的探针扫描样品的表面波场分布。如图5是经过某一超表面样品调制后的太赫兹场强度的分布图和相位分布图，结果可以看出该太赫兹场为一涡旋光束，扫描成像采用的探针为测量横向电场的探针，探针与样品间距为1cm，实验中保持样品固定不动，探针进行逐点扫描成像；图6是某一表面波波导器件样品传导的太赫兹表面波在频率0.58THz处的强度分布图，结果可以看出该波导具有很好的传输太赫兹表面波的功能，扫描成像使用的探针为测量纵向电场的探针，探针与样品的间距为50μm，实验中保持样品固定不动，探针进行逐点扫描成像。
本发明中使用的太赫兹透镜是利用环烯烃类共聚物COC自己加工制作的平凸宽带太赫兹透镜，使用的原材料型号为TOPAS 5013L-10，加工的尺寸参数如图2，相比抛物面镜具有可操作性强、方便、快捷的优点。且性能完全可与商业化的TPX透镜相匹敌，使用相同焦距的COC透镜和TPX透镜放于太赫兹时域光谱4F系统中，进行信号检测，实验结果如图7和图8，TPX透镜需要从国外进口，购买成本高，使用自己加工的COC太赫兹透镜大大降低了本发明的成本。
计算机能够同时控制二维电动探测平移台和三维电动样品架，可分别完成对太赫兹场和样品的逐点扫描成像，将时域信号进行傅里叶变换，即可完成光谱成像分析，扫描成像过程为完全自动化过程，装置灵活，操作便捷。
总之，本发明是一种基于1560nm激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，通过逐点扫描的方式，即可对太赫兹横向电场进行成像，也可以对太赫兹纵向电场进行成像，既可移动探针扫描太赫兹场成像，也可移动样品扫描样品成像，通过该发明得到的数据同时包含幅值信息和相位信息，既可用于强度分析又能用于光谱分析，本发明装置简单、易于调节，具有高稳定性、高信噪比、宽带宽、速度快、成本低的优点，并且具有灵活便捷、高空间分辨率特性，具备光谱分析能力以及扫描太赫兹光束功能，能满足多种实验需求，在太赫兹科研领域具有很高的实用价值，这对太赫兹表面波器件、太赫兹超材料、电子学、生物学等研究领域都具有很重要的意义。
下面结合附图和具体实施方式，进一步详细说明本发明。
1、一种基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置由以下关键器件组成(如说明书附图1所示):中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器(1)、1560nm光纤(2)、1560nm光纤分束器(3)、1560nm光纤延时线(4)、1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线(5)、COC太赫兹透镜(6)、1560nm光纤准直器(7)、1560nm倍频模块(8)、780nm透镜(9)、780nm反射镜(10)、780nm太赫兹探针(11)、二维电动探测平移台(12)、三维电动样品架(13)、方波电压源(14)、电流放大器(15)、锁相放大器(16)、数据采集卡(17)、计算机(18)。
2、使用的激光器为中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器，选用商业化的MenloSystems生产的ELMO HIGH POWER型号的激光器，重复频率为100MHz，预置光纤长度为250cm，脉冲宽度为70fs；
3、先使用一根20cm的1560nm光纤将激光器的光引出来；20cm长的光纤后面连接1560nm光纤分束器，分束比为70:30，分束器主路光纤长度为30cm，分束的两支光纤长度均为30cm；
4、光纤分束器70％端连接200cm长的光纤，200cm长的光纤另一端接入1560nm光纤准直器，从准直器出来的1560nm飞秒激光经过倍频模块转变为780nm的飞秒激光，780nm的飞秒激光经过780nm透镜和780nm反射镜的作用聚焦到780nm太赫兹探针的金属结上，1560nm光纤准直器、1560nm倍频模块、780nm透镜、780nm反射镜和780nm太赫兹探针均固定在一块小面包板上，小面包板固定在二维电动探测平移台上，1560nm与780nm的激光在自由空间中传播的距离约为26cm，至此完成太赫兹探测光路的搭建；
5、光纤分束器30％端连接1560nm光纤延时线的输入端，1560nm光纤延时线的输入端和输出端光纤长度均为40cm，延时线的输出端连接长度为367cm的光纤，长度为566cm的光纤的另一端连接光纤化集成的太赫兹发射天线的尾纤，尾纤长度为103cm，至此完成太赫兹发射光路的搭建；
6、使用一个焦距长度为50cm的COC太赫兹透镜，放在距离发射天线上方50cm的位置，将发散的太赫兹波汇聚成平行传输的太赫兹波；
7、将太赫兹探针放于距离太赫兹发射天线正上方45cm的位置，此位置为太赫兹光斑的中心位置；
8、将三维电动样品架的中心对准太赫兹探针放于其正下方，等放上样品后进行扫描成像。
9、将方波电压源的电压输出端接到1560nm光纤集成化的太赫兹发射天线上，设定方波电压源输出电压峰峰值为100V，将方波电压源的参考端连接至锁相放大器；
10、将从太赫兹探针输出的电流信号通过电流放大器转化为电压信号，使用放大倍数为108V/A，从电流放大器输出的电压信号接到锁相放大器的输入端口，锁相放大器的输出端口接到数据采集卡上，数据采集卡与计算机相连；
11、1560nm光纤延时线、二维电动探测平移台和三维电动样品架都与计算机连接好，由此计算机可以实现对太赫兹扫描成像的自动化控制。
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Claims (6)
1.一种基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，由以下器件构成：光纤飞秒激光器(1)、光纤(2)、光纤分束器(3)、光纤延时线(4)、光纤集成化的太赫兹发射天线(5)、COC太赫兹透镜(6)、光纤准直器(7)、倍频模块(8)、透镜(9)、反射镜(10)、太赫兹探针(11)、二维电动探测平移台(12)、三维电动样品架(13)、方波电压源(14)、电流放大器(15)、锁相放大器(16)、数据采集卡(17)、计算机(18)；
从光纤飞秒激光器(1)发出的激光经过光纤分束器(3)被分成两束；分束器(3)的一个分支依次经光纤延迟线(4)、光纤(2)和光纤集成化的太赫兹发射天线(5)的光纤尾纤，光纤集成化的太赫兹发射天线(5)在方波电压源(14)的驱动下产生发散的太赫兹波，发散的太赫兹波经过COC太赫兹透镜(6)的汇聚作用变成平行的太赫兹波，太赫兹波经过样品到达太赫兹探针(11)；光纤分束器(3)的另一个分支连接光纤(2)，光纤(2)尾端连接光纤准直器(7)，从光纤准直器(7)耦合出来自由空间光，的自由空间光经过倍频模块(8)的倍频作用转变为对太赫兹探针(11)激发有效的激光，激光经过透镜(9)和反射镜(10)的作用聚焦到太赫兹探针(11)上，激发探针探测太赫兹场；使用太赫兹探针(11)，探针能够接近样品直接探测样品的近场信息，突破衍射极限；调整太赫兹发射光程与太赫兹探测光程差，保证光纤延时线在整个移动过程中能相干探测到太赫兹信号；光纤准直器(7)、倍频模块(8)、透镜(9)、反射镜(10)、太赫兹探针(11)都安装在一块小面包板上，小面包板被整体固定在二维电动探测平移台(12)上，使太赫兹探针能够灵活移动，二维电动探测平移台(12)逐点扫描就能达到对太赫兹场的二维成像的目的；三维电动样品架(13)具备三维电动移动的功能，通过电动移动样品架就能够实现样品的三维逐点扫描成像；太赫兹探针(11)探测到的信号经过电流放大器(15)的放大作用接入锁相放大器(16)的信号输入端口，将方波电压源(14)的参考频率信号接入到锁相放大器(16)的参考端口，从锁相放大器(16)输出端口的信号接入到数据采集卡(17)上，数据采集卡(17)通过计算机(18)读取并存储，计算机(18)驱动二维电动探测平移台(12)和三维电动样品架(13)，分别完成对太赫兹场和样品的逐点扫描成像，将太赫兹时域信号进行傅里叶变换，即可完成太赫兹多光谱成像分析。
2.如权利要求1所述的基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，使用的激光器是中心波长为1560nm的光纤飞秒激光器(1)，中心波长为1560nm的飞秒激光通过1560nm的光纤进行传导。
3.如权利要求1所述的基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，使用1560nm倍频模块(8)将1560nm的激光转变为对780nm太赫兹探针(11)激发有效的780nm的激光。
4.如权利要求1所述的基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，在太赫兹透镜和样品之间可加入太赫兹光学元件：太赫兹透镜、太赫兹偏振片以及太赫兹波片。
5.如权利要求1所述的基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，780nm太赫兹探针(11)为商业化的太赫兹探针，具有测量横向电场和测量纵向电场两种型号，更换不同型号的太赫兹探针即可完成对不同方向电场的成像功能。
6.如权利要求1所述的基于飞秒激光的多功能太赫兹时域光谱成像装置，其特征是，使用的COC太赫兹透镜(6)是利用环烯烃类共聚物COC自己加工制作的平凸宽带太赫兹透镜，使用的原材料为TOPAS 5013L-10。
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