CN108680500A - 一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置及分析方法，所述装置包括飞秒光纤激光器、偏振分束镜、光学延迟线、太赫兹发射器、第一抛物面镜、第一透镜、第二抛物面镜、第二透镜、太赫兹探测器及数据采集系统；所述偏振分束镜设置在飞秒光纤激光器的发射端，所述飞秒光纤激光器发射的激光通过偏振分束镜形成探测光路及泵浦光路；所述第一透镜设置在第一抛物面镜与第二抛物面镜之间；所述第二透镜设置在探测光路和泵浦光路及太赫兹探测器之间，所述探测光路和泵浦光路的光线通过第二透镜进入太赫兹探测器。通过第一透镜聚焦在被测物质上，不存在光路和多个焦点在一个平面上需求，实际光路简单，固定方便，聚焦更准确。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱技术领域，特别涉及一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置及分析方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。利用太赫兹波能够探测多种光学材料(绝缘体、半导体、液体和超导体)的物理化学特性并可实现有效鉴别。而太赫兹时域光谱仪用聚焦太赫兹波束照射被测物质，快速测量物质的太赫兹吸收光谱，然后将其与光谱数据库中的光谱进行比对和模式识别，判断物质的种类。而现有的太赫兹时域光谱仪通常采用两个抛物面镜准直、聚焦到被测物质上，而在实际对两个抛物面镜对准光路是比较难于精准对焦；一方面是由于从低温LT-GaAs出来的光通过抛物面镜形成平行光，再经过第二抛物面镜在聚焦在被测物质上，而两个焦点和两个抛物面镜的光路要在同一个平面上，但实际固定很难精准；另一方面在两个抛物面镜做成闭合光路，常存在无法光合闭合，已发生光能量损耗。而且，现有的太赫兹时域光谱仪同样使用两个抛物面镜来准直、聚焦接收经过被测物质的光，最后与原探测光汇合到太赫兹探测器上，而这种汇合，很难实现两个不同路程的光聚合在太赫兹探测器上的同一部位，这会导致最后太赫兹探测器接收的光很难用于分析比对，甚至没有参考价值。
发明内容
为此，需要提供一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置及分析方法，解决现有太赫兹时域光谱仪的两个抛物面镜准直、对焦于被测物质上对准光路难于精准对焦，且另外两个抛物面镜准直、对焦接收经过被测物质的光与探测光很难聚合到太赫兹探测器的同一个位置上的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置，包括飞秒光纤激光器、偏振分束镜、光学延迟线、太赫兹发射器、第一抛物面镜、第一透镜、第二抛物面镜、第二透镜、太赫兹探测器及数据采集系统；
所述偏振分束镜设置在飞秒光纤激光器的发射端，所述飞秒光纤激光器发射的激光通过偏振分束镜形成探测光路及泵浦光路；
所述光学延迟线设置在探测光路上；
所述太赫兹发射器、第一抛物面镜、第一透镜及第二抛物面镜设置在泵浦光路上，所述太赫兹发射器设置在偏振分束镜与第一抛物面镜之间，所述第一透镜设置在第一抛物面镜与第二抛物面镜之间；
所述第二透镜设置在探测光路和泵浦光路及太赫兹探测器之间，所述探测光路和泵浦光路的光线通过第二透镜进入太赫兹探测器；
所述太赫兹探测器设置在第二透镜及数据采集系统之间。
进一步优化，所述飞秒光纤激光器及偏振分束镜之间还设有偏振片及半拨片，所述偏振片及半波片依次设置在飞秒光线激光器及偏振分束镜之间。
进一步优化，所述太赫兹发射器为基于LT-GaAs材料的光导天线的太赫兹发射器。
进一步优化，所述太赫兹探测器为基于ZnTe晶体的太赫兹探测器。
进一步优化，所述数据采集系统与太赫兹探测器之间还包括第三透镜、四分之一波片及渥拉斯顿棱镜，所述第三透镜、四分之一波片及渥拉斯顿棱镜依次设置在太赫兹探测器及数据采集系统之间。
发明人还提供了另一个技术方案：一种太赫兹时域光谱分析方法，包括以下步骤：
飞秒光纤激光器发射激光通过偏振分束镜分束分别进入探测光路及泵浦光路；
泵浦光路中的太赫兹发射器接收到激光后产生太赫兹辐射波；
太赫兹辐射波经过第一抛物面镜后通过第一透镜聚焦于被测物品后，通过第二抛物面镜进入第二透镜；
探测光路经过光学延迟线延迟后进入到第二透镜；
第二透镜将泵浦光路和探测光路聚焦到太赫兹探测器；
采集来自太赫兹探测器的光谱；
分析获取采集的光谱的时频轴差异特征，并构建三维域特征分析方法；
将采集的光谱的时频轴差异特征与光谱数据库中的光谱指纹进行比对和模式识别，获取被测物质的成分。
进一步优化，所述“分析获取采集的光谱的时频轴差异特征”具体包括：
构建双时频差分和三维时频谱分析方法，分析获取采集的光谱的时频轴差异特征。
进一步优化，所述“获取被测物质的成分”之后还包括步骤：
根据获取被测物质的成分，分析获得被测物质的物质类型或者物质缺陷。
区别于现有技术，上述技术方案，当飞秒光纤激光器发射的激光经过偏振分束镜后形成探测光路和泵浦光路，当泵浦光路上的光从太赫兹发射器产生太赫兹辐射波后，经过第一抛物面镜形成平行光，在通过第一透镜聚焦在被测物质上，不存在光路和多个焦点在一个平面上需求，实际光路简单，固定方便，聚焦更准确；而当泵浦光路和探测光路的光聚焦到太赫兹探测器上时，经过被测物质的太赫兹辐射波经过第二抛物面镜后，通过第二透镜聚焦在太赫兹探测器上，而探测光路上的探测光也经过第二透镜聚焦在太赫兹探测器上，保证了两个不同光路的光能够准确地聚焦在一起。
附图说明
图1为具体实施方式所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置的一种结构示意图；
图2为具体实施方式所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置的一种结构示意图。
附图标记说明：
110、飞秒光纤激光器，
121、偏振片，
122、半波片，
123、偏振分束镜，
130、太赫兹发射器，
141、第一抛物面镜，
142、第一透镜，
150、被测物质，
161、第二抛物面镜，
162、第二透镜，
170、光学延迟线，
180、太赫兹探测器，
190、数据采集系统，
191、第三透镜，
192、四分之一波片，
193、渥拉斯顿棱镜。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置，包括飞秒光纤激光器110、偏振分束镜123、光学延迟线170、太赫兹发射器130、第一抛物面镜141、第一透镜142、第二抛物面镜161、第二透镜162、太赫兹探测器及数据采集系统190；
所述偏振分束镜123设置在飞秒光纤激光器110的发射端，所述飞秒光纤激光器110发射的激光通过偏振分束镜123形成探测光路及泵浦光路；
所述光学延迟线170设置在探测光路上；
所述太赫兹发射器130、第一抛物面镜141、第一透镜142及第二抛物面镜161设置在泵浦光路上，所述太赫兹发射器130设置在偏振分束镜123与第一抛物面镜141之间，所述第一透镜142设置在第一抛物面镜141与第二抛物面镜161之间；
所述第二透镜162设置在探测光路和泵浦光路及太赫兹探测器之间，所述探测光路和泵浦光路的光线通过第二透镜162进入太赫兹探测器；
所述太赫兹探测器设置在第二透镜162及数据采集系统190之间。
飞秒光纤激光器110发射飞秒激光，飞秒激光记过偏振分束镜123进行分束，形成探测光和泵浦光，探测光经过探测光路，泵浦光经过泵浦光路，泵浦光经过泵浦光路时，当太赫兹发射器130接收到泵浦光时产生太赫兹辐射波，太赫兹发射器130产生太赫兹辐射波后照射在第一抛物面镜141上形成平行光的太赫兹辐射波，太赫兹辐射波经过第一透镜142聚焦在被测物质150上，然后太赫兹辐射波经过被测物质150照射在第二抛物面镜161上再次形成平行光，然后再经过第二透镜162聚焦在太赫兹探测器上；而探测光在探测光路中经过光学延迟线170延迟后，经过第二透镜162聚焦在太赫兹探测器上；太赫兹探测器接收到泵浦光路上的光和探测光路上的光汇合后的光后，形成太赫兹光谱，然后将太赫兹光谱发送给数据采集系统190。其中，所述数据采集系统190与太赫兹探测器之间还包括第三透镜191、四分之一波片192及渥拉斯顿棱镜193，所述第三透镜191、四分之一波片192及渥拉斯顿棱镜193依次设置在太赫兹探测器及数据采集系统190之间，四分之一波片192使O光(寻常光)和e光(非常光)相位长差π/2或其奇数倍，而渥拉斯顿棱镜193产生两个偏振方向垂直的线偏振光束。
飞秒光纤激光器110发射的激光经过偏振分束镜123后形成探测光路和泵浦光路，当泵浦光路上的光从太赫兹发射器130产生太赫兹辐射波后，经过第一抛物面镜141形成平行光，在通过第一透镜142聚焦在被测物质150上，不存在光路和多个焦点在一个平面上需求，实际光路简单，固定方便，聚焦更准确；而当泵浦光路和探测光路的光聚焦到太赫兹探测器上时，经过被测物质150的太赫兹辐射波经过第二抛物面镜161后，通过第二透镜162聚焦在太赫兹探测器上，而探测光路上的探测光也经过第二透镜162聚焦在太赫兹探测器上，保证了两个不同光路的光能够准确地聚焦在一起。而且该装置的光路路径短，便于小型化，且光路中器件少，便于降低成本。
在本实施例中，为了实现对飞秒光纤激光器110发射的飞秒激光进行偏振和旋转，所述飞秒光纤激光器110及偏振分束镜123之间还设有偏振片121及半拨片，所述偏振片121及半波片122依次设置在飞秒光线激光器及偏振分束镜123之间。当飞秒光纤激光器110发射飞秒激光后，经过偏振片121对飞秒激光进行偏振形成偏振光，而偏振光再次经过半波片122进行旋转后，进入到偏振分束镜123进行分束。
在本实施例中，为了增加太赫兹频谱带宽，所述太赫兹发射器130为基于LT-GaAs材料的光导天线的太赫兹发射器130。光导天线是利用超短激光脉冲泵浦光导材料(如GaAs等半导体材料)使在其表面激发载流子，这些载流子在外加电场作用下加速运动，从而辐射出太赫兹辐射波，其中常见的光导材料有Si、GaAs、InP等；基于LT-GaAs的太赫兹光导天线与普通半绝缘SI-GaAs材料相比，在同样激励条件下太赫兹频谱带宽增加近两倍。且LT-GaAs具有的超短载流子寿命特性使之成为适于制作太赫兹光导天线理想材料。
在本实施例中，为了增加太赫兹探测器的探测灵敏度、测试带宽和稳定性，所述太赫兹探测器为基于ZnTe晶体的太赫兹探测器。太赫兹探测器通过光电采样技术可以得到太赫兹辐射波的波形，光电采样技术的时间响应只与所用电光晶体的非线性性质有关，有较大的探测带宽，可采用的电光晶体主要有ZnTe、ZnSe、CdTe、LiTaO3、LiNbO3等，其中采用ZnTe电光晶体进行探测的灵敏度、测试带宽和稳定性等方面均优于其他电光晶体。
请参阅图2，另一个实施例中，一种太赫兹时域光谱分析方法，包括以下步骤：
步骤S210：飞秒光纤激光器发射激光通过偏振分束镜分束分别进入探测光路及泵浦光路；
步骤S220：泵浦光路中的太赫兹发射器接收到激光后产生太赫兹辐射波；
步骤S230：太赫兹辐射波经过第一抛物面镜后通过第一透镜聚焦于被测物质后，通过第二抛物面镜进入第二透镜；
步骤S240：探测光路经过光学延迟线延迟后进入到第二透镜；
步骤S250：第二透镜将泵浦光路和探测光路聚焦到太赫兹探测器；
步骤S260：采集来自太赫兹探测器的光谱；
步骤S270：分析获取采集的光谱的时频轴差异特征，并构建三维域特征分析方法；
步骤S280：将采集的光谱的时频轴差异特征与光谱数据库中的光谱指纹进行比对和模式识别，获取被测物质的成分。
飞秒光纤激光器发射飞秒激光，飞秒激光记过偏振分束镜进行分束，形成探测光和泵浦光，探测光经过探测光路，泵浦光经过泵浦光路，泵浦光经过泵浦光路时，当太赫兹发射器接收到泵浦光时产生太赫兹辐射波，太赫兹发射器产生太赫兹辐射波后照射在第一抛物面镜上形成平行光的太赫兹辐射波，太赫兹辐射波经过第一透镜聚焦在被测物质上，然后太赫兹辐射波经过被测物质照射在第二抛物面镜上再次形成平行光，然后再经过第二透镜聚焦在太赫兹探测器上；而探测光在探测光路中经过光学延迟线延迟后，经过第二透镜聚焦在太赫兹探测器上；太赫兹探测器接收到泵浦光路上的光和探测光路上的光汇合后的光后，形成太赫兹光谱，然后将太赫兹光谱发送给数据采集系统。
当采集到太赫兹探测器上的太赫兹光谱后，构建一种双时频差分和三维时频谱分析方法，分析获取采集的光谱的时频轴差异特征，并依据时间、频率和谱幅值建立三维域特征分析方法，并将其与光谱数据库中光谱指纹进行比对和模式识别，判断物质成分。
在本实施例中，所述“获取被测物质的成分”之后还包括步骤：
根据获取被测物质的成分，分析获得被测物质的物质类型或者物质缺陷。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种小型化的太赫兹时域光谱仪装置，其特征在于，包括飞秒光纤激光器、偏振分束镜、光学延迟线、太赫兹发射器、第一抛物面镜、第一透镜、第二抛物面镜、第二透镜、太赫兹探测器及数据采集系统；
所述偏振分束镜设置在飞秒光纤激光器的发射端，所述飞秒光纤激光器发射的激光通过偏振分束镜形成探测光路及泵浦光路；
所述光学延迟线设置在探测光路上；
所述太赫兹发射器、第一抛物面镜、第一透镜及第二抛物面镜设置在泵浦光路上，所述太赫兹发射器设置在偏振分束镜与第一抛物面镜之间，所述第一透镜设置在第一抛物面镜与第二抛物面镜之间；
所述第二透镜设置在探测光路和泵浦光路及太赫兹探测器之间，所述探测光路和泵浦光路的光线通过第二透镜进入太赫兹探测器；
所述太赫兹探测器设置在第二透镜及数据采集系统之间。
2.根据权利要求1所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置，其特征在于，所述飞秒光纤激光器及偏振分束镜之间还设有偏振片及半拨片，所述偏振片及半波片依次设置在飞秒光线激光器及偏振分束镜之间。
3.根据权利要求1所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置，其特征在于，所述太赫兹发射器为基于LT-GaAs材料的光导天线的太赫兹发射器。
4.根据权利要求1所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置，其特征在于，所述太赫兹探测器为基于ZnTe晶体的太赫兹探测器。
5.根据权利要求1所述小型化的太赫兹时域光谱仪装置，其特征在于，所述数据采集系统与太赫兹探测器之间还包括第三透镜、四分之一波片及渥拉斯顿棱镜，所述第三透镜、四分之一波片及渥拉斯顿棱镜依次设置在太赫兹探测器及数据采集系统之间。
6.一种太赫兹时域光谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
飞秒光纤激光器发射激光通过偏振分束镜分束分别进入探测光路及泵浦光路；
泵浦光路中的太赫兹发射器接收到激光后产生太赫兹辐射波；
太赫兹辐射波经过第一抛物面镜后通过第一透镜聚焦于被测物品后，通过第二抛物面镜进入第二透镜；
探测光路经过光学延迟线延迟后进入到第二透镜；
第二透镜将泵浦光路和探测光路聚焦到太赫兹探测器；
采集来自太赫兹探测器的光谱；
分析获取采集的光谱的时频轴差异特征，并构建三维域特征分析方法；
将采集的光谱的时频轴差异特征与光谱数据库中的光谱指纹进行比对和模式识别，获取被测物质的成分。
7.根据权利要求6所述太赫兹时域光谱分析方法，其特征在于，所述“分析获取采集的光谱的时频轴差异特征”具体包括：
构建双时频差分和三维时频谱分析方法，分析获取采集的光谱的时频轴差异特征。
8.根据权利要求6所述太赫兹时域光谱分析方法，其特征在于，所述“获取被测物质的成分”之后还包括步骤：
根据获取被测物质的成分，分析获得被测物质的物质类型或者物质缺陷。
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