CN108007897B - 一种太赫兹时域光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹时域光谱测量系统，包括飞秒激光系统、太赫兹发射装置、太赫兹探测装置、样品测量装置和延时扫描装置，所述飞秒激光系统输出泵浦激光和探测激光，分别传输给太赫兹发射装置和太赫兹探测装置，产生和探测太赫兹波，所述的太赫兹探测装置接收太赫兹波束并将其转化为电压信号，所述的样品测量装置位于太赫兹光路中,控制太赫兹波束入射样品，所述的延迟扫描装置改变太赫兹波束在太赫兹发射装置和太赫兹探测装置之间的传播光程；本发明可显著降低延时扫描装置中对光学反射面粗糙度和运动机构稳定性的苛刻要求、减小光路装调难度、大幅度缩减太赫兹时域光谱测量系统的器件成本。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用领域，尤其涉及一种太赫兹时域光谱测量系统。
背景技术
太赫兹时域光谱测量系统中，为了实现对亚皮秒宽度的太赫兹脉冲进行完整的波形采样，需要采用具有超快时间分析能力的泵浦-探测技术。实施该技术要求在太赫兹时域光谱测量系统中，具有光学延时扫描装置，用于改变探测光与太赫兹脉冲之间的相对延时。
为了达到上述目的，在已报道的各类技术方案中，通常将光学延时扫描装置设计安装在飞秒激光光路中，通过改变泵浦激光或探测激光的光程在实现探测光与太赫兹脉冲之间的相对延时，具体实施途径主要由以下几种：
1，采用全自由空间光路设计的太赫兹时域光谱系统。
如果光学延时扫描装置位于泵浦光路中，要求在延时扫描过程中，泵浦光到达光电导天线（一种在太赫兹时域光谱系统中普遍采用的器件，即可作为太赫兹辐射源，也可作为太赫兹探测器）的光轴偏移量在微米量级，否则将导致无法产生太赫兹波。
如果光学延时扫描装置位于探测光路中，对于采用光电导天线作为太赫兹探测装置的方案中，要求在延时扫描过程中，探测光达到光电导天线的光轴偏移量在微米量级，否则将导致无法探测到太赫兹波信号；对于采用电光晶体的探测方案中，要求在延时扫描过程中，探测光与太赫兹波聚焦光束的光轴高度重合并保持稳定，否则将导致无法探测到太赫兹波信号或探测结果产生不稳定波动。
2，采用半自由空间光路-半光纤链路设计的太赫兹时域光谱系统。
这种方式中，通常光学延时扫描装置采用自由空间光路设计，而系统其它部分为光纤链路设计，这就要求光学延时装置在延时扫描运动过程中，将自由空间激光稳定高效的耦合进入单模保偏光纤，这对运动机构和光纤耦合机构的精密程度要求极高、光轴装调难度极大，实际光学耦合效率不高、且在延时扫描过程中，耦合效率不稳定。
3，采用全光线链路设计的太赫兹时域光谱系统。
这种方式通常利用光纤拉伸机构改变泵浦光或探测光路的光纤长度来实现光学延时扫描。由于光纤允许的伸缩量较小，通常为了实现80ps以上的光学延时变化量，要求光纤拉伸机构的光纤长度长达数十米，这给飞秒激光的色散管理带来极大困难，导致飞秒激光系统成本的大幅度提升。
综上所述，现有的太赫兹时域光谱测量系统设计方案，对光学延时扫描装置的光轴稳定性要求极高、光路装调困难、且价格昂贵。
发明内容
针对现有的太赫兹时域光谱系统设计方案对光轴稳定性要求高、光路装调困难、器件成本昂贵的问题，本发明提供一种太赫兹时域光谱测量系统以解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太赫兹时域光谱测量系统，包括飞秒激光系统、太赫兹发射装置、太赫兹探测装置、样品测量装置和延时扫描装置，所述飞秒激光系统输出两束重复频率相同、相对延时固定的泵浦激光和探测激光，分别通过光纤或自由空间光路形式传输给太赫兹发射装置和太赫兹探测装置，分别用于产生和探测太赫兹波，所述的太赫兹探测装置接收输入的平行太赫兹波束，并将其转化为可直接探测的电压信号，所述的样品测量装置位于太赫兹光路中,用于夹持待测样品，并控制太赫兹波束以透射式或反射式、聚焦入射或平行入射的方式入射样品，所述的延迟扫描装置位于太赫兹光路中，用于线性、周期性的改变太赫兹波束在太赫兹发射装置和太赫兹探测装置之间的传播光程。
所述的一种太赫兹时域光谱测量系统，其延迟扫描装置由电控线性导轨和设置在电控线性导轨上的直角反射镜组成，所述的直角反射镜具有两个呈90°夹角的反射面，反射面粗糙度优于太赫兹波波长的1/10。
所述的一种太赫兹时域光谱测量系统，其电控线性导轨采用北京北广世纪仪器公司生产的MTS220系列电控线性导轨。
所述的一种太赫兹时域光谱测量系统，其飞秒激光系统采用德国MenloSystems公司生产的T-Light型飞秒激光器，其输出中心频率100MHz，中心波长1560nm，双路光纤输出，每路平均功率约50mW。
所述的一种太赫兹时域光谱测量系统，其太赫兹发射装置采用德国Batop公司生产的PCA-40-05-10型光电导天线，其内含准直透镜，使产生的太赫兹波以平行光束形式输出。
所述的一种太赫兹时域光谱测量系统，其太赫兹探测装置采用德国Batop公司生产的PCA-100-05-10型光电导天线，其内含聚焦透镜，以便于接收平行太赫兹波束。
本发明产生的有益效果是：系统的延迟扫描装置并不是位于飞秒激光光路中，而是位于太赫兹光路中，可降低延时扫描装置中对光学反射面粗糙度和运动机构稳定性的苛刻要求、减小光路装调难度、大幅度降低太赫兹时域光谱测量系统的器件成本；系统的延时扫描装置改变的是太赫兹波的传播光程，而不是探测激光或泵浦激光的传播光程；由于太赫兹波的波长（30μm ~ 3mm）远远长于激光波长（≤1.56μm），且太赫兹波束的直径（通常≥25.4mm）远远小于激光波束（通常≤3mm），因此，设计上述延时扫描装置对光学反射镜的粗糙度要求、扫描运动机构的稳定性要求、以及光轴装调难度和器件成本均远远低于传统工作在激光光路中的延时扫描机构。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明延时扫描装置的一种实施例框图。
各附图标记为：1—飞秒激光系统，2—太赫兹发射装置，3—太赫兹探测装置，4—样品测量装置，5—延时扫描装置，6—直角反射镜，7—电控线性导轨。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示为本发明的一个实施例组成框图。
本实施例包括飞秒激光系统1、太赫兹发射装置2、太赫兹探测装置3、样品测量装置4、延时扫描装置5。
飞秒激光系统1输出两束重复频率相同、相对延时固定的泵浦激光和探测激光，分别通过光纤或自由空间光路形式传输给太赫兹发射装置2和太赫兹探测装置3，分别用于产生和探测太赫兹波：太赫兹发射装置2用于产生太赫兹脉冲辐射，并以平行波束方式输出。太赫兹探测装置3用于接收输入的平行太赫兹波波束，并将其转化为可直接探测的电压信号。
所述的样品测量装置4位于太赫兹光路中,用于夹持待测样品，并控制太赫兹波束以透射式或反射式、聚焦入射或平行入射的方式入射样品，所述的延迟扫描装置5位于太赫兹光路中,用于线性、周期性的改变太赫兹波束在太赫兹发射装置2和太赫兹探测装置3之间的传播光程。
如图2所示，延迟扫描装置5由电控线性导轨7和设置在电控线性导轨7上的直角反射镜6组成，所述的直角反射镜6采用数控机床加工，材料为铝，具有两个呈90°夹角的反射面，反射面均做抛光处理，粗糙度优于太赫兹波波长的1/10，反射面的可覆盖入射的太赫兹波束。电控线性导轨7可选用北京北广世纪仪器公司生产的MTS220系列电控线性导轨。
在太赫兹波光路中设置延时扫描装置5，用于线性、周期性的改变太赫兹波束在自由空间的传播光程，该过程等效于实现了太赫兹脉冲与探测光的相对延时扫描功能。
作为本发明的一种实施例，飞秒激光系统1可采用德国MenloSystems公司生产的T-Light型飞秒激光器、输出中心频率100 MHz、中心波长1560 nm、双路光纤输出，每路平均功率约50mW。太赫兹发射装置2可采用德国Batop公司生产的PCA-40-05-10型光电导天线，内含准直透镜，使产生的太赫兹波以平行光束形式输出；太赫兹探测装置3可采用德国Batop公司生产的PCA-100-05-10型光电导天线，内含聚焦透镜，以便于接收平行太赫兹波束。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，凡是具有延迟扫描装置的太赫兹时域光谱系统，内部的延迟扫描装置位于太赫兹光路中，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种太赫兹时域光谱测量系统，其特征在于：包括飞秒激光系统（1）、太赫兹发射装置（2）、太赫兹探测装置（3）、样品测量装置（4）和延时扫描装置（5），所述飞秒激光系统（1）采用T-Light型飞秒激光器，其输出中心频率100MHz，中心波长1560nm，双路光纤输出，每路平均功率50mW，输出两束重复频率相同、相对延时固定的泵浦激光和探测激光，分别通过光纤或自由空间光路形式传输给太赫兹发射装置（2）和太赫兹探测装置（3），用于产生和探测太赫兹波，所述的太赫兹发射装置（2）内含准直透镜，采用PCA-40-05-10型光电导天线，使产生的太赫兹波以平行光束形式输出，所述的太赫兹探测装置（3）内含聚焦透镜，采用PCA-100-05-10型光电导天线，以便于接收平行太赫兹波束，太赫兹探测装置（3）接收输入的平行太赫兹波束，并将其转化为可直接探测的电压信号，所述的样品测量装置（4）位于太赫兹光路中，用于夹持待测样品，并控制太赫兹波束以透射式或反射式、聚焦入射或平行入射的方式入射样品，所述的延时扫描装置（5）由采用MTS220系列电控线性导轨的电控线性导轨（7）和设置在电控线性导轨（7）上的直角反射镜（6）组成，所述的直角反射镜（6）具有两个呈90°夹角的反射面，反射面粗糙度小于太赫兹波波长的1/10，延时扫描装置（5）位于太赫兹光路中，用于线性、周期性的改变太赫兹波束在太赫兹发射装置（2）和太赫兹探测装置（3）之间的传播光程。
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