CN108387319B - 一种单发宽带太赫兹频谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单发宽带太赫兹频谱仪，包括太赫兹辐射源、分束镜、延迟镜、固定镜和太赫兹探测器，分束镜将太赫兹辐射源输出的平行太赫兹光束分成反射臂光束和透射臂光束；反射臂光束被阶梯状的延迟镜调制为彼此之间具有特定时间延迟的子束序列；不同位置处的反射臂子束和透射臂光束发生相长或相消干涉；太赫兹探测器测量的二维强度分布相当于太赫兹脉冲的自相关信号；经反演处理后即可获得太赫兹频谱。本发明所述太赫兹频谱仪适用于低重复频率的宽带太赫兹辐射源的表征与应用系统，例如强太赫兹脉冲的频谱测量、某些不可逆或破坏性过程相关的太赫兹谱学研究等。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹频谱测量领域，具体地涉及到一种单发宽带太赫兹频谱仪。
背景技术
太赫兹(THz)频谱测量是太赫兹辐射源表征及其应用中必不可少的环节。现在比较成熟的太赫兹频谱测量方法主要包括电光采样和迈克尔逊干涉法等。强太赫兹源产生及应用的日益发展对太赫兹频谱仪提出了新的要求：单发、超宽带。例如，超强激光与等离子体相互作用是目前实验室产生强太赫兹辐射的重要方法之一。这类太赫兹辐射源往往运行频率低(10Hz甚至半小时一发)，辐射频谱超宽带(从亚THz到几十THz)。然而，对于常规的电光采样和迈克尔逊干涉法，一方面均需要多发扫描才能获得太赫兹频谱，对低运行频率的激光等离子体实验而言，不仅耗时而且信噪比差；另一方面，尽管目前已发展了一些基于谱编码或空间编码的单发电光采样方法，但由于测量所需的晶体不可避免地存在横光学声子吸收和色散等效应，太赫兹频谱的有效探测范围限制在几THz以内。此外，在某些太赫兹泵浦或太赫兹探测实验中，待研究的现象或过程往往不可逆或对样品具有破坏性，单发频谱测量是必需的。可见，现有的太赫兹频谱测量技术已经难以满足某些特定的测量需求，亟需发展一种单发运行的宽带太赫兹频谱仪。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单发宽带太赫兹频谱仪，同时解决太赫兹频谱测量中单发、超宽带的两大需求。常规的迈克尔逊干涉法不需要电光晶体，可实现“超宽带”测量；现有的单发电光采样法通过将探针光编码为不同延时的脉冲序列，从而实现“单发”探测。本发明结合上述两种测量方法的优点，先通过某种方式将待测太赫兹光束调制为不同延时的脉冲序列后，再导入迈克尔逊干涉仪，从而同时实现单发和超宽带测量。
本发明是根据以下技术方案实现的：
一种单发宽带太赫兹频谱仪，其特征在于，包括：太赫兹辐射源、分束镜、延迟镜、固定镜和太赫兹探测器；其中：所述太赫兹辐射源产生太赫兹脉冲，经过光路准直后输出平行的太赫兹光束；所述分束镜将太赫兹光束分成反射臂光束和透射臂光束；所述反射臂光束经过所述延迟镜反射后被调制为彼此之间具有特定时间延迟的反射臂子束序列，再透过所述分束镜入射到太赫兹探测器上；所述透射臂光束依次经过所述固定镜和所述分束镜反射后入射到所述太赫兹探测器上；调节所述延迟镜的位置，使得所述反射臂光束和所述透射臂光束光程相当；反射臂子束与透射臂光束在所述太赫兹探测器探测面不同位置处发生相长或相消干涉；所述太赫兹探测器测量的二维强度分布相当于一次不同延时扫描下得到的太赫兹脉冲自相关信号，经傅里叶变换等反演处理后得到太赫兹频谱。
上述技术方案中，所述分束镜既能透射部分太赫兹辐射，又能反射部分太赫兹辐射。
上述技术方案中，所述延迟镜具有阶梯状结构，由若干个平面镜组成，相邻平面镜之间具有特定的高度差。
上述技术方案中，所述固定镜为金属平面反射镜。
上述技术方案中，所述太赫兹探测器在太赫兹波段具有平坦的响应率曲线。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明是一种新型的单发运行的迈克尔逊干涉仪，相比常规迈克尔逊干涉仪，既免去了长时间的多发扫描，又避免了因待测源抖动引起的低信噪比；
(2)本发明可测量的太赫兹带宽高达几十THz，相比常用的电光采样等探测方法，规避了电光晶体对频谱探测范围的限制；
(3)本发明结构简单，室温工作，易搭建，易与其他系统集成。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一种单发宽带太赫兹频谱仪的原理图；
图2为本发明的延迟镜的结构示意图；
图3为本发明的太赫兹频谱测量示例。
其中，附图标记1-太赫兹辐射源，2-分束镜，3-延迟镜，4-固定镜，5-太赫兹探测器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种单发宽带太赫兹频谱仪，包括：太赫兹辐射源1、分束镜2、延迟镜3、固定镜4和太赫兹探测器5；其中：所述太赫兹辐射源1产生太赫兹脉冲，经过光路准直后输出平行的太赫兹光束；所述分束镜2将太赫兹光束分成反射臂光束和透射臂光束；所述反射臂光束经过所述延迟镜3反射后被调制为彼此之间具有特定时间延迟的反射臂子束序列，再透过所述分束镜2入射到太赫兹探测器5上；所述透射臂光束依次经过所述固定镜4和所述分束镜2反射后入射到所述太赫兹探测器5上；调节所述延迟镜3的位置，使得所述反射臂光束和所述透射臂光束光程大致相等；反射臂子束与透射臂光束在所述太赫兹探测器5不同位置处发生相长或相消干涉；每个子束的干涉信号均相当于常规迈克尔逊干涉仪中特定光程差下的一次测量结果，即所述太赫兹探测器5测量的二维强度分布对应于太赫兹脉冲的自相关信号；将其按照时间序列检索出来，得到干涉信号随光程差的变化关系，然后对该信号进行傅里叶变换并修正分束镜的频谱调制效应后，即可获得待测太赫兹辐射的频谱。
其中，本发明的分束镜2对太赫兹辐射吸收少，既能透射部分太赫兹辐射，又能反射部分太赫兹辐射，且在太赫兹波段具有较平坦的介电性质，如聚脂薄膜、高阻硅片等。
本发明的延迟镜3具有阶梯状结构，由若干个平面镜组成，相邻的平面镜之间具有特定的高度差。图2为本发明的延迟镜的一种结构示意图。平行光束入射延迟镜3，不同位置的光被不同高度的平面镜反射，反射光束将在空间上形成一个子束阵列，子束彼此之间在时间上具有特定的延迟，例如当光束垂直入射时，延时为2Δh/c，c为真空中的光速，Δh为延迟镜中相邻平面镜之间的高度差。
本发明的固定镜4为金属平面反射镜，例如铝制平面反射镜或者金制平面反射镜。并且，固定镜4的位置固定。
本发明的太赫兹探测器5可以为太赫兹相机，在太赫兹波段具有平坦的响应率曲线，灵敏度高，单像素尺寸小，总像面尺寸大。
本发明可探测的太赫兹频谱带宽约为c/2Δh。目前Δh由精密机械加工可控制在(1–3)微米水平，对应太赫兹探测带宽可达150-50THz，远大于目前电光采样法的测量范围(1毫米厚ZnTe晶体对应探测上限约3THz)。
本发明的频谱分辨率取决于太赫兹光束经延迟镜3后展宽的时间窗口。对于N×N个微平面镜组成的延迟镜3，频谱分辨率约为c/N2Δh。例如当N＝40,Δh＝2微米时，可探测的太赫兹脉冲最大时间窗口为21.3ps，频谱分辨率为0.094THz，可满足常规太赫兹脉冲频谱测量的要求。
需要指出的是，由于延迟镜3每个微平面镜尺寸有限(毫米-亚毫米量级)，低频长波辐射(如0.33THz辐射波长约1毫米)经过小尺寸的微平面镜反射后会发生衍射，后续有限尺寸的光学元件不能完全收集衍射旁瓣能量，光路传输效率降低。因此本发明不适于测量亚THz以内的极低频太赫兹辐射的频谱。实施例：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。
采用30fs超强激光与金属薄膜作用通过相干渡越辐射产生的水平偏振的高功率太赫兹脉冲作为太赫兹辐射源1；采用50微米厚的聚脂薄膜作为分束镜2；延迟镜3由40×40个尺寸为0.5毫米×0.5毫米的微平面铝镜组成，相邻微平面镜之间的高度差为2.5微米；固定镜4为3英寸平面铝镜；太赫兹相机作为太赫兹探测器5，测量双臂干涉后的二维光强分布。图3实线显示了根据太赫兹相机图像反演得到的太赫兹频谱。其中频谱曲线的周期性振荡源于薄膜分束镜2前后表面干涉导致反射率和透射率随辐射频率的周期性变化，在分束镜厚度和介电性质已知的条件下可解析修正。图3虚线显示了修正后的频谱，与相干渡越辐射理论预测的太赫兹辐射频谱吻合，验证了本发明的可行性和可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种单发宽带太赫兹频谱仪，其特征在于，包括：太赫兹辐射源、分束镜、延迟镜、固定镜和太赫兹探测器；其中：所述太赫兹辐射源产生太赫兹脉冲，经过光路准直后输出平行的太赫兹光束；所述分束镜将太赫兹光束分成反射臂光束和透射臂光束；所述反射臂光束经过所述延迟镜反射后被调制为彼此之间具有特定时间延迟的反射臂子束序列，再透过所述分束镜入射到太赫兹探测器上；所述透射臂光束依次经过所述固定镜和所述分束镜反射后入射到所述太赫兹探测器上，所述延迟镜具有阶梯状结构，由若干个平面镜组成，相邻平面镜之间具有特定的高度差；调节所述延迟镜的位置，使得所述反射臂光束和所述透射臂光束光程相当；反射臂子束与透射臂光束在所述太赫兹探测器探测面不同位置处发生相长或相消干涉；所述太赫兹探测器测量的二维强度分布相当于一次不同延时扫描下得到的太赫兹脉冲自相关信号，经傅里叶变换等反演处理后得到太赫兹频谱。
2.根据权利要求1所述的一种单发宽带太赫兹频谱仪，其特征在于，所述分束镜既能透射部分太赫兹辐射，又能反射部分太赫兹辐射。
3.根据权利要求1所述的一种单发宽带太赫兹频谱仪，其特征在于，所述固定镜为金属平面反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种单发宽带太赫兹频谱仪，其特征在于，所述太赫兹探测器在太赫兹波段具有平坦的响应率曲线。
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