CN109374571A - 一种光探测集成系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光探测集成系统。该系统包括飞秒激光器和倍频器，飞秒激光器经过倍频器后，能够获得多波长，用于后续的飞秒激光探测、光泵浦以及太赫兹波的产生和探测。所述光探测集成系统还包括飞秒激光光路、光泵浦光路、太赫兹产生光路、太赫兹探测光路以及样品和探测单元，由于将多个光路集成在一起，从而能够在一个系统中，通过控制不同光路的断开和通过，实现不同功能，包括飞秒激光探测、光泵浦、太赫兹产生以及太赫兹波的探测等功能，将多波长超快激光探测、多波长超快光泵浦‑可见光探测、太赫兹时域光谱测量、多波长超快光泵浦‑太赫兹探测等结构集成在一起，为科研人员提供一种更方便、更全面的样品物性测试系统。

Description

一种光探测集成系统

技术领域

本发明涉及光探测技术领域，尤其涉及一种光探测集成系统。

背景技术

多波长指的是多种波长范围，频率从100GHz到30000GHz波段的电磁波谱，其中包含了0.1THz到10THz的太赫兹波段。此波段具有很高的时间和空间相干性。结合太赫兹波时域脉冲特性发展起来的时域光谱技术可以直接方便地，测试电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子以及超导材料等，记录其电场的振幅时间波形，由傅里叶变换同时得到其振幅和相位的光谱分布，一次成像可以得到这些被测样品的多种信息。

超快光泵浦-太赫兹波探测光谱，也称为时间分辨太赫兹波光谱，是在太赫兹波时域光谱的基础上发展而来，通过泵浦光激发样品中载流子，会发生载流子的产生和复合过程，通过改变泵浦激光和太赫兹波之间的时间延迟，则可以测出样品在不同阶段的瞬时时域信号值，通过对复合的过程进行指数拟合，则可以得到载流子的寿命。时间分辨太赫兹波光谱的能够探测的载流子寿命范围大概在100fs量级到2ns量级，具有高时间分辨率、宽探测范围等优良特性。

随着飞秒激光的发展，其能量高、可变波长范围广、在倍频器或差频器的作用下可实现不同波长调节，并且有足够的能量激发样品，能够更精确、更快速的得到样品的信息。

现有的系统技术中，大多数使用波长较为单一的频段，频段较窄，覆盖范围比较有限。并且，现在的测试系统中，功能较为单一，即测试方式比较单一，不能在一个系统中实现不同的测试，更不能同时实现几个测试。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光探测集成系统，以解决现有技术中波长单一、频段较窄、测试系统功能单一，无法满足人们需求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光探测集成系统，包括：

飞秒激光器、倍频器、分束单元、飞秒激光光路、光泵浦光路、太赫兹波产生光路、太赫兹波探测光路、样品和探测单元；

飞秒激光器发出的光经过倍频器后，再经过分束单元分为至少4路光，分别为第一束光、第二束光、第三束光和第四束光；

其中，所述第一束光进入所述飞秒激光光路照射至所述样品上，经过所述样品反射后被探测单元探测，进行飞秒激光探测；

所述第二束光进入所述光泵浦光路照射至所述样品上，实现光泵浦；

所述第三束光进入所述太赫兹波产生光路用于产生太赫兹波，所述太赫兹波聚焦至所述样品上，经过所述样品透射后被探测单元探测；

所述第四束光进入所述太赫兹波探测光路，直接被探测单元探测，用于探测太赫兹波信息。

优选地，所述分束单元包括第一光学分束镜、第二光学分束镜和第三光学分束镜；

其中，所述第一光学分束镜、所述第二光学分束镜和所述第三光学分束镜均用于将入射至光学分束镜的一束光分为反射光和透射光两束光；

所述第一光学分束镜、所述第二光学分束镜和所述第三光学分束镜沿所述倍频器出射光轴依次分布；

所述第一光学分束镜将倍频器出射的光进行分束，得到所述第一束光；

所述第二光学分束镜接收经过所述第一分束镜的出射的光，并进行分束，得到所述第二束光；

所述第三光学分束镜接收经过所述第二分束镜的出射的光，并进行分束，得到所述第三束光和所述第四束光。

优选地，所述飞秒激光光路包括：第一反射镜、第二反射镜；所述探测单元包括激光探测器；

所述第一反射镜和所述第二反射镜将所述第一束光反射至所述样品的表面，经过所述样品的反射后，再经过第三反射镜反射至激光探测器中。

优选地，所述光泵浦光路包括：第一时间延迟线、第一斩波器和锁相放大器，所述探测单元包括激光探测器；

所述锁相放大器将所述第一斩波器与所述激光探测器电性连接，用于采用所述第一斩波器的频率输出作为参考信号，记录由所述激光探测单元探测的电流信号或电压信号；

所述第二束光经过所述第一时间延迟线和所述第一斩波器后照射至所述样品的表面，实现光泵浦。

优选地，所述太赫兹波产生光路包括：第二时间延迟线、第二斩波器、锁相放大器、太赫兹波产生单元、第一聚焦单元和第二聚焦单元；所述探测单元包括：太赫兹波探测单元；

所述锁相放大器将所述第二斩波器与所述太赫兹波探测单元电性连接，用于采用所述第二斩波器的频率输出作为参考信号，记录由所述太赫兹波探测单元探测的电流信号或电压信号；

所述第三束光经过所述第二时间延迟线和所述第二斩波器入射至所述太赫兹波产生单元，产生太赫兹波；

所述太赫兹波经过所述第一聚焦单元聚焦至所述样品表面，与所述样品发生作用，透射的太赫兹波携带着样品信息，经过所述第二聚焦单元汇聚至所述太赫兹波探测单元，所述太赫兹波探测单元用于探测所述透射的太赫兹波。

优选地，所述第一聚焦单元包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第一离轴抛物面镜组，所述第二聚焦单元包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第二离轴抛物面镜组。

优选地，所述太赫兹波探测单元包括：共轴且沿光轴依次设置的太赫兹波探测子单元、λ/4波片、沃拉斯顿棱镜和光电平衡探测器；其中，所述光电平衡探测器与所述锁相放大器电性相连。

优选地，所述太赫兹波探测光路包括：第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜，

所述第四反射镜、所述第五反射镜和所述第六反射镜将所述第四束光反射至所述太赫兹波探测单元，用于对所述太赫兹波进行采样探测。

优选地，还包括变温变电场变磁场系统和样品台；

所述样品台用于承载所述样品，所述样品台为三维扫描位移台；

所述变温变电场变磁场系统包括：变温装置、变电场装置和变磁场装置；

其中，所述变温装置包括液氦杜瓦、加热装置及温度反馈装置，所述温度反馈装置连接所述液氦杜瓦和所述加热装置，用于反馈温度，所述样品台位于所述变温装置中，所述变温装置为所述样品台上的所述样品提供可变温度场；

所述变电场装置包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述样品台表面，并分别与外部电源电性连接，用于为所述样品台上的所述样品提供可变电场；

所述变磁场装置包括线圈或超导磁体，所述线圈或所述超导磁体为所述样品台上的所述样品提供可变磁场。

优选地，还包括封闭的真空系统，所述真空系统用于为所述太赫兹波产生光路和太赫兹波探测光路，以及变温变电场变磁场系统提供真空环境。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的光探测集成系统，包括飞秒激光器和倍频器，飞秒激光器经过倍频器后，能够获得多波长，用于后续的飞秒激光探测、光泵浦以及太赫兹波的产生和探测。所述光探测集成系统还包括飞秒激光光路、光泵浦光路、太赫兹波产生光路、太赫兹波探测光路以及样品和探测单元，由于将多个光路集成在一起，从而能够在一个系统中，通过控制不同光路的断开和通过，实现不同功能，包括飞秒激光探测、光泵浦、太赫兹波产生以及太赫兹波的探测等功能，为科研人员提供一种更方便、更全面的样品物性测试系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光探测集成系统框架结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光探测集成系统的具体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种变温变电场变磁场系统和样品台结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种光探测集成系统，包括：飞秒激光器1、倍频器2、分束单元3、飞秒激光光路4、光泵浦光路5、太赫兹波产生光路6、太赫兹波探测光路7、样品9和探测单元10；飞秒激光器1发出的光经过倍频器2后，再经过分束单元3分为至少4路光，分别为第一束光、第二束光、第三束光和第四束光；其中，第一束光进入飞秒激光光路4照射至样品9上，经过样品9反射后被探测单元10探测，进行飞秒激光探测；第二束光进入光泵浦光路5照射至样品9上，实现光泵浦；第三束光进入太赫兹波产生光路6用于产生太赫兹波，太赫兹波聚焦至样品9上，经过样品9透射后被探测单元10探测；第四束光进入太赫兹波探测光路7，直接被探测单元10探测，用于探测太赫兹波信息。

其中，倍频器2在飞秒激光器1之后，可对飞秒激光器1发出的飞秒激光进行调制。本实施例中对飞秒激光器1的具体结构和型号不作限定，在本发明的一个实施例中，飞秒激光器1的型号可以是Spitfire ACE的飞秒激光器，可以产生中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs的超短飞秒激光脉冲。使用倍频器，可产生波长400nm、266nm的飞秒激光脉冲。

需要说明的是，本实施例中不限定分束单元3的具体结构，在本发明的一个实施例中，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种光探测集成系统结构示意图。

如图2中所示，本实施例中分束单元3包括第一光学分束镜3a、第二光学分束镜3b和第三光学分束镜3c；其中，第一光学分束镜3a、第二光学分束镜3b和第三光学分束镜3c均用于将入射至光学分束镜的一束光分为反射光和透射光两束光；第一光学分束镜3a、第二光学分束镜3b和第三光学分束镜3c沿倍频器2出射光轴依次分布；第一光学分束镜3a将倍频器2出射的光进行分束，得到第一束光；第二光学分束镜3b接收经过第一分束镜3a的出射的光，并进行分束，得到第二束光；第三光学分束镜3c接收经过第二分束镜3b的出射的光，并进行分束，得到第三束光和第四束光。

具体地，本实施例中第一光学分束镜3a，位于谐波产生倍频器2之后，谐波产生倍频器2射出的激光经过该第一光学分束镜3a后分成两部分光路，一部分作为飞秒激光探测，一部分作为后续功能激光光源；第二光学分束镜3b，位于第一光学分束镜3a的后方，将从第一光学分束镜3a透射的激光分成两个部分，一部分作为泵浦光，一部分作为后续功能的激光光源；第三光学分束镜3c，位于第二光学分束镜3b的后方，将从第二光学分束镜3b透射的激光分成两部分，一部分作为激发太赫兹波的激发光源，另一部分作为探测光。

需要说明的是，若以上光学分束镜为能够将一束光分为多束光的分束镜，则可以相对减少光学分束镜的个数，本发明实施例中不限定光学分束镜的具体个数，只要能够将倍频器2中发出的光进行分束得到至少四束光即可。

为了实现飞秒激光的探测，探测单元10中包括激光探测器101，通过将第一光束照射到样品9上，再经过样品9进行反射，反射至激光探测器101内，进行飞秒激光探测，为了方便后续其他光学元件的设置，本实施例中飞秒激光光路4包括：第一反射镜5d、第二反射镜5e，其中，第一反射镜5d和第二反射镜5e将第一束光反射至样品9的表面，经过样品9的反射后，再经过第三反射镜5f反射至激光探测器101中。

本实施例中第一光束可以以45°角照射在样品9表面，以反射光反射出去，该反射光携带样品信息经位于激光探测器101和样品9之间的第三反射镜5f反射，进入激光探测器101，被该激光探测器101探测到。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，飞秒激光光路还可以包括其他改变光路的光元件，如反射镜等，而且，在其他实施例中，飞秒激光光路也可以不包括第一反射镜、第二反射镜，第三反射镜也可以不设置，具体根据实际光路进行设计即可，本实施例中仅提供一种具体实施方式，但对本申请所保护技术方案不做限定。

为了实现光泵浦，请参见图2，本实施例中光泵浦光路5包括：第一时间延迟线4a、第一斩波器6a和锁相放大器11，探测单元10包括激光探测器101；锁相放大器11将第一斩波器6a与激光探测器101电性连接，用于采用第一斩波器6a的频率输出作为参考信号，记录由激光探测单元101探测的电流信号或电压信号；第二束光经过第一时间延迟线4a和第一斩波器6a后照射至样品9的表面，实现光泵浦。本实施例中不限定泵浦光的波长范围，可选的，所述泵浦光波长范围在266nm-800nm内；探测光波长范围在266nm-800nm内，以及在60μm-3mm内。

其中，第一时间延迟线4a位于第二光学分束镜3b的反射光路后，用于控制泵浦光的时间延迟；第一斩波器6a位于第一时间延迟线4a光路的后方，泵浦光经过第一斩波器6a后形成预设长度和周期的脉冲。

请继续参见图2，本实施例中太赫兹波产生光路6包括：第二时间延迟线4b、第二斩波器6b、锁相放大器11、太赫兹波产生单元7a、第一聚焦单元和第二聚焦单元；探测单元10包括：太赫兹波探测单元7b；锁相放大器11将第二斩波器6b与太赫兹波探测单元7b电性连接，用于采用第二斩波器6b的频率输出作为参考信号，记录由太赫兹波探测单元7b探测的电流信号或电压信号；第三束光经过第二时间延迟线4b和第二斩波器6b入射至太赫兹波产生单元7a，产生太赫兹波；太赫兹波经过第一聚焦单元聚焦至样品9表面，与样品9发生作用，透射的太赫兹波携带着样品信息，经过第二聚焦单元汇聚至太赫兹波探测单元7b，太赫兹波探测单元7b用于探测透射的太赫兹波。

其中，第二时间延迟线4b位于第三光学分束镜3c的反射光路后，用于控制激发太赫兹波的激发光源的时间延迟。第二斩波器6b，位于第二时间延迟线4b光路的后方，太赫兹波激发光源经过第二斩波器6b后形成预设长度和周期的脉冲；太赫兹波产生单元7a位于第二斩波器6b的光路后方，作为太赫兹波发射单元，第二斩波器6b后形成预设长度和周期的激光脉冲与之作用，从而产生太赫兹波。需要说明的是，第二斩波器6b后形成预设长度和周期的激光脉冲与第一斩波器6a形成预设长度和周期的脉冲的预设长度和周期可以相同，也可以不相同，本实施例中对此不作限定。

需要说明的是，本实施例中第一时间延迟线4a和第二时间延迟线均可以由四个反射镜和电动位移台组成，电动位移台的行程为300μm，最小移动距离为4μm。在本发明的其他实施例中还可以采用其他延时光学元件实现时间延时，本实施例中对此不作限定。第一时间延迟线、第二时间延迟线用于改变探测光相对于泵浦光的时间延迟，以采集多波长信号时域波形。

本实施例中不限定太赫兹波产生单元7a和太赫兹波探测单元7b的具体结构，可以是但不仅限于光电导天线、非线性晶体、铁磁金属/非磁金属异质结。太赫兹波探测单元7b可以但不仅限于非线性晶体。本实施例中可选的，太赫兹发散和探测用的是碲化锌晶体，厚度为500μm，产生太赫兹频率在0.1THz-4THz。

需要说明的是，本实施例中不限定第一聚焦单元和第二聚焦单元的具体结构，在本发明的一个实施例中，如图2中所示，第一聚焦单元可以为包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第一离轴抛物面镜组(8a、8b)，第二聚焦单元包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第二离轴抛物面镜组(8c、8d)。其中，第一离轴抛物面镜组(8a和8b)位于太赫兹波产生单元7a光路的后方，产生的太赫兹波在该第一离轴抛物面面镜组的作用下，聚集于样品9的表面上；所述太赫兹波透过样品，与样品发生作用，透射的太赫兹波携带着样品信息；第二离轴抛物面镜组(8c和8d)，位于样品9的后方，携带样品信息的透射的太赫兹波经由第二离轴抛物面镜组(8c和8d)收集和聚焦。

本实施例中对太赫兹波探测单元7b的具体结构不作限定，在本发明的一个实施例中，如图2中所示，太赫兹波探测单元7b包括：共轴依次设置的太赫兹波探测子单元7b’、λ/4波片12、沃拉斯顿棱镜13和光电平衡探测器14；其中，光电平衡探测器14与锁相放大器11电性相连。也即太赫兹波探测子单元7b’、λ/4波片12、沃拉斯顿棱镜13和光电平衡探测器14，依次位于第二离轴抛物面镜组8c和8d后方。

需要说明的是，当太赫兹波探测单元7b包括：共轴依次设置的太赫兹波探测子单元7b’、λ/4波片12、沃拉斯顿棱镜13和光电平衡探测器14时，锁相放大器11用于将第二斩波器6b与太赫兹波探测单元7b中的光电平衡探测器14电性连接，用于采用第二斩波器6b的频率输出作为参考信号，记录由光电平衡探测器14探测的电流信号或电压信号。

为实现太赫兹波探测，本实施例中还必须包括太赫兹波探测光路7，太赫兹波探测光路7包括：第四反射镜5a、第五反射镜5b和第六反射镜5c，第四反射镜5a、第五反射镜5b和第六反射镜5c将第四束光反射至太赫兹波探测单元7b，用于对太赫兹波进行采样探测。也即，由第三光学分束镜3c分开的探测光经光学反射镜组5a、5b、5c反射后，照射到太赫兹波探测单元7b上，太赫兹波探测单元7b同时探测由第二离轴抛物面镜组8c和8d收集和聚焦的透射太赫兹波，以及由光学反射镜组5a、5b、5c反射的探测光。

在同时进行光泵浦和太赫兹波产生及探测时，本实施例中锁相放大器11同时与所述第一斩波器6a、第二斩波器6b、激光探测器101和光电平衡探测器14电性相连接，用于采用所述第一斩波器6a、第二斩波器6b的频率输出作为参考信号，记录由激光探测器101和光电平衡探测器14的电流信号或电压信号。具体的，锁相放大器11采用第一斩波器6a、第二斩波器6b的频率输出作为参考信号，记录由激光探测器101和光电平衡探测器14的电流信号或电压信号；锁相放大器只能探测到与参考信号频率一致的光电流信号，能有效滤除噪音信号，有助于提高信噪比。通过改变第一时间延迟线4a的相对距离来改变时间延迟，探测脉冲就会对多波长脉冲的电场进行取样并记录下多波长脉冲的波形；通过改变第二时间延迟线4b的相对距离来改变时间延迟，探测脉冲就会对太赫兹波的电场进行取样并记录下太赫兹波的波形。

本发明实施例提出了一套集多波长频段的多波长超快飞秒激光探测、多波长超快光泵浦-光探测、太赫兹波时域光谱探测、多波长超快光泵浦-太赫兹波探测的多种探测方式。

以下对本实施例提供的光探测集成系统，也即多波长超快光泵浦-探测扫描分析系统的各个组成部分的工作原理进行详细说明。

本实施例多波长超快光泵浦-探测扫描分析系统集多种测试方式于一身，其工作有以下四种测试方式之一或几个同时：多波长超快飞秒激光探测、多波长超快光泵浦-光探测、太赫兹波时域光谱探测、超快光泵浦-太赫兹波探测：

当工作于多波长超快飞秒激光探测时，飞秒激光器1、倍频器2打开，第一光学分束镜3a透射的光路断开，激光探测器101直接探测不同波长下的反射激光；

当工作于多波长超快光泵浦-光探测时，飞秒激光器1、倍频器2打开，第二光学分束镜3b反射光路通路，透射光路断开，锁相放大器11，采用第一斩波器6a的频率输出作为参考信号；

当工作于太赫兹波时域光谱探测时，飞秒激光器1、倍频器2打开，第一光学分束镜3a反射光路断路，第二光学分束镜3b反射光路断路，其他光路正常通路，锁相放大器11，采用第二斩波器6b的频率输出作为参考信号；

当工作于超快光泵浦-太赫兹波探测时，飞秒激光器1、倍频器2打开，第一光学分束镜3a反射光路断路，其他光路正常通路，关闭第一斩波器6a或第二斩波器6b其中之一，锁相放大器11，采用未关闭的第一斩波器6a或第二斩波器6b的频率输出作为参考信号。

或同时工作于不同测试方式，适当调制光路的通和闭，即可实现不同测试方式同时工作。

需要说明的是，在实际研究中，对材料的研究不仅仅局限于研究某一个参量的变化对材料性质、结构等的影响，更多是研究多参量多变量作用对材料的影响。比如说电场、磁场和温度场等对材料性质、结构等有比较直接的影响。因而，发展一个集可变电场、可变磁场和可变温度场于一身的系统作为新型测试手段是有必要的。

为探测样品在变温、变磁、电场中的信息，本发明还提供一种变温变电场变磁场系统和样品台，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种变温变电场变磁场系统和样品台的俯视结构示意图；所述样品台9’用于承载样品，样品台9’为三维扫描位移台；如图3所示，变温变电场变磁场系统15包括：变温装置、变电场装置和变磁场装置；其中，变温装置(图中未示出)包括液氦杜瓦、加热装置及温度反馈装置，温度反馈装置连接液氦杜瓦和加热装置，用于反馈温度，样品台位于变温装置中，变温装置为样品台上的样品9提供可变温度场；变电场装置包括第一电极171和第二电极172，第一电极171和第二电极172位于样品台表面，并分别与外部电源V电性连接，用于为样品台上的样品9提供可变电场；变磁场装置包括线圈或超导磁体18，当变磁场装置为线圈时，线圈围绕样品台设置，为样品台上的样品9提供可变磁场。

本实施例中，变温装置通过控制液氦和加热装置之间的反馈和平衡，至少能够将样品温度控制在20K-500K范围内变化，得到可变温度场；本实施例中可变磁场可以是线圈或者超导磁体，改变线圈或超导磁体内的电流，可提供0-9特斯拉范围内的可调磁场，从而实现可变磁场条件。

另外，为了使得样品探测避免受到外界环境影响，本实施例中光探测集成系统还包括真空系统，如图2中的16所示，其中，太赫兹波产生光路和太赫兹波探测光路，以及变温变电场变磁场系统15放置在真空系统16中。这样，在变温变电场变磁场系统15中，便可实现可变电场、可变磁场和可变温度场，使得样品处于可变电场、可变磁场和可变温度场的测试条件下。而样品固定在该三维扫描位移台9’上，样品可随着三维扫描位移台9’移动，可以获得样品表面不同区域在不同温度不同电场不同磁场条件下的信息。

为了方便设置，请参见图2，本实施例中将太赫兹波产生光路和太赫兹波探测光路中的部分光学元件，如第一斩波器6a、第二斩波器6b、太赫兹波产生单元7a、第一离轴抛物面镜组(8a和8b)、样品台9’、第二离轴抛物面镜组(8c和8d)、太赫兹波探测单元(7b’、12、13和14)都设置在真空系统16之中。真空系统16通过抽真空从而实现真空环境。

其中，飞秒激光探测光、泵浦光通过真空系统16上预留的窗口进入该系统，泵浦光经过第一斩波器6a、穿过第二抛物面镜8b照射到样品上，对样品产生光泵浦激发，同时，探测光照射到样品上，携带信息的反射光经预留的窗口离开该系统，在第三反射镜5f引导下进入激光探测器101。

另一方面，第三分束镜3c分开向下的飞秒激光、第三光学分束镜3c分开向右的探测光通过真空系统16上预留的窗口进入该系统，第三分束镜3c分开向下的飞秒激光经过第二斩波器6b照射到太赫兹波产生单元7a，产生太赫兹波，同时，第三分束镜3c分开向右的探测光在第三光学反射镜5c引导下照射到太赫兹波探测单元7b上。

由第四抛物面镜8d聚焦的太赫兹透射光聚焦在太赫兹波探测单元7b上，同时第三光学分束镜3c分开向右的探测光在第六反射镜5c引导下也照射到该太赫兹波探测单元7b上。透射太赫兹波和探测支路的飞秒脉冲共线的通过太赫兹波探测单元7b，太赫兹波的电场改变探测单元晶体的折射系数，使该晶体具有双折射的性质，当线偏振的飞秒脉冲通过晶体时，通过λ/4波片12，变为椭圆偏振光，通过沃拉斯顿棱镜13可以将椭圆偏振光分为水平偏振光p光和垂直偏振光s光，然后输入到光电平衡探测器14中。

本实施案例多波长超快光泵浦-探测扫描分析系统工作时，当处于超快光泵浦-光探测模式时，泵浦激光照射到样品上，对样品产生激发，探测光经光学反射镜组5d和5e照射到样品表面与样品作用并反射，携带样品信息的反射光经光学反射镜5f达到激光探测器101上，产生光电流，该电流输入到锁相放大器11中进行锁相放大。当处于光泵浦-太赫兹探测模式时，太赫兹波产生单元产生的太赫兹波经第一离轴抛物面面镜组8a和8b的作用下，聚集于样品的表面；太赫兹波透过样品，与样品发生作用，透射太赫兹波携带着样品信息；并由第二离轴抛物面镜组8c和8d收集和聚焦；探测光经光学反射镜组5a、5b和5c作用与透射太赫兹波共线的通过第二碲化锌晶体7b，太赫兹波的电场改变晶体的折射系数，使该晶体具有双折射的性质，线偏振的飞秒脉冲光通过晶体时，通过λ/4波片12，变为椭圆偏振光，通过沃拉斯顿棱镜13可以将椭圆偏振光分为水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)，然后输入到光电平衡探测器14中，产生光电流，该电流输入到锁相放大器11中进行锁相放大。

本实施例多波长超快光泵浦-探测扫描分析系统的测试过程具体如下：

(1)移动三维扫描位移台，带动样品做三维扫描，每移动一个位置采集不同波长的时域光谱，通过傅里叶变换以及菲涅尔公式、Kramers-Kroni关系式等理论公式，便可推导出样品材料的复介电常数、电导率、磁导率、折射率、透射率等物理参数。

(2)样品移动采集了一系列光谱，提取每一幅光谱图的强度或者相位信息就可以得到样品表面的三维强度图或相衬图。

(3)通过每一幅光谱图推导出的复介电常数、电导率、磁导率、折射率、透射率等物理参数，就可以通过扫描获得样品表面各物理常数的分布图。

(4)改变样品所处的电场磁场和温度场等条件，就可以得到不同外场条件下的多波长光谱图，便可以研究外场对样品的多波长信号的影响，样品做三维扫描，可以获得外场条件下的样品表面的强度图，相衬图以及各个物理参数的分布图像。

(5)运用光泵浦技术，可以研究样品内载流子激发和复合超快动力学过程。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明多波长超快光泵浦-探测扫描分析系统集成了多波长激光探测系统、多波长超快光泵浦探测系统、真空或氮气气氛系统、可变电场磁场和温度场系统、样品三维自动扫描系统和软件控制系统，可提供样品在低温、强磁场、电场、真空极端条件作用下的多波长激光探测信息，进一步对材料进行物性分析。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光探测集成系统，其特征在于，包括：

飞秒激光器(1)、倍频器(2)、分束单元(3)、飞秒激光光路(4)、光泵浦光路(5)、太赫兹波产生光路(6)、太赫兹波探测光路(7)、样品(9)和探测单元(10)；

飞秒激光器(1)发出的光经过倍频器(2)后，再经过分束单元(3)分为至少4路光，分别为第一束光、第二束光、第三束光和第四束光；

其中，所述第一束光进入所述飞秒激光光路(4)照射至所述样品(9)上，经过所述样品(9)反射后被探测单元(10)探测，进行飞秒激光探测；

所述第二束光进入所述光泵浦光路(5)照射至所述样品(9)上，实现光泵浦；

所述第三束光进入所述太赫兹波产生光路(6)用于产生太赫兹波，所述太赫兹波聚焦至所述样品(9)上，经过所述样品(9)透射后被探测单元(10)探测；

所述第四束光进入所述太赫兹波探测光路(7)，直接被探测单元(10)探测，用于探测太赫兹波信息。

2.根据权利要求1所述的光探测集成系统，其特征在于，所述分束单元(3)包括第一光学分束镜(3a)、第二光学分束镜(3b)和第三光学分束镜(3c)；

其中，所述第一光学分束镜(3a)、所述第二光学分束镜(3b)和所述第三光学分束镜(3c)均用于将入射至光学分束镜的一束光分为反射光和透射光两束光；

所述第一光学分束镜(3a)、所述第二光学分束镜(3b)和所述第三光学分束镜(3c)沿所述倍频器(2)出射光轴依次分布；

所述第一光学分束镜(3a)将倍频器(2)出射的光进行分束，得到所述第一束光；

所述第二光学分束镜(3b)接收经过所述第一分束镜(3a)的出射的光，并进行分束，得到所述第二束光；

所述第三光学分束镜(3c)接收经过所述第二分束镜(3b)的出射的光，并进行分束，得到所述第三束光和所述第四束光。

3.根据权利要求1所述的光探测集成系统，其特征在于，所述飞秒激光光路(4)包括：第一反射镜(5d)、第二反射镜(5e)；所述探测单元(10)包括激光探测器(101)；

所述第一反射镜(5d)和所述第二反射镜(5e)将所述第一束光反射至所述样品(9)的表面，经过所述样品(9)的反射后，再经过第三反射镜(5f)反射至激光探测器(101)中。

4.根据权利要求1所述的光探测集成系统，其特征在于，所述光泵浦光路(5)包括：第一时间延迟线(4a)、第一斩波器(6a)和锁相放大器(11)，所述探测单元(10)包括激光探测器(101)；

所述锁相放大器(11)将所述第一斩波器(6a)与所述激光探测器(101)电性连接，用于采用所述第一斩波器(6a)的频率输出作为参考信号，记录由所述激光探测单元(101)探测的电流信号或电压信号；

所述第二束光经过所述第一时间延迟线(4a)和所述第一斩波器(6a)后照射至所述样品(9)的表面，实现光泵浦。

5.根据权利要求1所述的光探测集成系统，其特征在于，所述太赫兹波产生光路(6)包括：第二时间延迟线(4b)、第二斩波器(6b)、锁相放大器(11)、太赫兹波产生单元(7a)、第一聚焦单元和第二聚焦单元；所述探测单元(10)包括：太赫兹波探测单元(7b)；

所述锁相放大器(11)将所述第二斩波器(6b)与所述太赫兹波探测单元(7b)电性连接，用于采用所述第二斩波器(6b)的频率输出作为参考信号，记录由所述太赫兹波探测单元(7b)探测的电流信号或电压信号；

所述第三束光经过所述第二时间延迟线(4b)和所述第二斩波器(6b)入射至所述太赫兹波产生单元(7a)，产生太赫兹波；

所述太赫兹波经过所述第一聚焦单元聚焦至所述样品(9)表面，与所述样品(9)发生作用，透射的太赫兹波携带着样品信息，经过所述第二聚焦单元汇聚至所述太赫兹波探测单元(7b)，所述太赫兹波探测单元(7b)用于探测所述透射的太赫兹波。

6.根据权利要求5所述的光探测集成系统，其特征在于，所述第一聚焦单元包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第一离轴抛物面镜组(8a、8b)，所述第二聚焦单元包括抛物面相对设置的两个离轴抛物面镜组成的第二离轴抛物面镜组(8c、8d)。

7.根据权利要求5所述的光探测集成系统，其特征在于，所述太赫兹波探测单元(7b)包括：共轴且沿光轴依次设置的太赫兹波探测子单元(7b’)、λ/4波片(12)、沃拉斯顿棱镜(13)和光电平衡探测器(14)；其中，所述光电平衡探测器(14)与所述锁相放大器(11)电性相连。

8.根据权利要求5所述的光探测集成系统，其特征在于，所述太赫兹波探测光路(7)包括：第四反射镜(5a)、第五反射镜(5b)和第六反射镜(5c)，

所述第四反射镜(5a)、所述第五反射镜(5b)和所述第六反射镜(5c)将所述第四束光反射至所述太赫兹波探测单元(7b)，用于对所述太赫兹波进行采样探测。

9.根据权利要求1所述的光探测集成系统，其特征在于，还包括变温变电场变磁场系统(15)和样品台；

所述样品台用于承载所述样品(9)，所述样品台为三维扫描位移台；

所述变温变电场变磁场系统(15)包括：变温装置、变电场装置和变磁场装置；

其中，所述变温装置包括液氦杜瓦、加热装置及温度反馈装置，所述温度反馈装置连接所述液氦杜瓦和所述加热装置，用于反馈温度，所述样品台位于所述变温装置中，所述变温装置为所述样品台上的所述样品(9)提供可变温度场；

所述变电场装置包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述样品台表面，并分别与外部电源电性连接，用于为所述样品台上的所述样品(9)提供可变电场；

所述变磁场装置包括线圈或超导磁体，所述线圈或所述超导磁体为所述样品台上的所述样品(9)提供可变磁场。

10.根据权利要求9所述的光探测集成系统，其特征在于，还包括封闭的真空系统(16)，所述真空系统(16)用于为所述太赫兹波产生光路(6)和太赫兹波探测光路(7)，以及变温变电场变磁场系统(15)提供真空环境。