CN110108663A - 一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种太赫兹泵浦‑太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源、第一分束镜、硅片和收集系统；飞秒激光光源产生飞秒激光，第一分束镜将飞秒激光分成第一光束和探测光束；第一光束和探测光束分别作为泵浦路和探测路的激光源；硅片收集泵浦路和探测路产生的太赫兹脉冲至收集系统；泵浦路沿光路方向依次设置透射光栅、半波片和铌酸锂晶体；第一光束入射至透射光栅，之后透射光栅的衍射光经半波片后入射至铌酸锂晶体，铌酸锂晶体向外辐射第一太赫兹脉冲至硅片。本发明通过透射光栅倾斜波前，泵浦路上实现第一太赫兹脉冲出射时与飞秒激光的波速匹配，从而产生高强度的太赫兹；同时通过简单调节半波片就可以得到任意偏振态的探测太赫兹场。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统。
背景技术
随着太赫兹技术的飞速发展，太赫兹时域光谱技术作为一种测量表征材料太赫兹特性的有效手段变得越来越重要，并具有无损性、高信噪比、高灵敏度、高带宽等优点。太赫兹时域光谱系统是基于相干探测技术的太赫兹产生和探测系统，能够同时得到太赫兹脉冲的振幅和相位信息，对太赫兹时域波形进行傅里叶变换可以直接得到被测样品的吸收系数、折射率、透射率等光学参数，对其频谱进行分析处理可以得到被测样品的复介电常数、载流子密度和迁移率等物理信息。
现有的太赫兹时域光谱系统，其产生太赫兹脉冲的方式多数采用光电导天线产生太赫兹辐射，这种方式产生的太赫兹脉冲强度比较弱，而且偏振方向很难调节，对于一些样品位置很难改变却需要特定太赫兹偏振态的测量，采用光导天线产生太赫兹辐射的方式就显得不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，透射光栅倾斜波前，泵浦路上实现第一太赫兹脉冲出射时与飞秒激光的波速匹配，从而产生高强度的太赫兹；同时通过简单调节半波片就可以得到任意偏振态的探测太赫兹场。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源、第一分束镜、硅片和收集系统；飞秒激光光源产生飞秒激光，第一分束镜将飞秒激光分成第一光束和探测光束；所述第一光束和探测光束分别作为泵浦路和探测路的激光源；所述硅片收集所述泵浦路和探测路产生的太赫兹脉冲至所述收集系统；
所述泵浦路沿光路方向依次设置透射光栅、半波片和铌酸锂晶体；所述第一光束入射至透射光栅，之后透射光栅的衍射光经半波片后入射至所述铌酸锂晶体，铌酸锂晶体向外辐射第一太赫兹脉冲至所述硅片。
优选地，还包括若干第一反射镜和成像系统；所述第一光束通过第一反射镜反射后入射至透射光栅，透明光栅出射的一级衍射光经半波片发生波前倾斜，经成像系统成像后入射至铌酸锂晶体上。
优选地，进一步包括抛物面镜；所述抛物面镜接收所述第一太赫兹脉冲并将其反射至所述硅片。
优选地，所述成像系统包括至少一个透镜。
优选地，还包括第二分束镜，所述第二分束镜将所述探测光束分成第二光束和第三光束；所述第二光束用于探测太赫兹场的产生；所述第三光束用于驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量。
优选地，还包括第二反射镜和第二碲化锌晶体；所述第二光束通过第二反射镜反射后入射至第二碲化锌晶体，所述第二碲化锌晶体向外辐射第二太赫兹脉冲；所述第二太赫兹脉冲经聚四氟乙烯透射后入射至所述硅片；所述硅片将所述第二太赫兹脉冲反射至所述收集系统。
优选地，还包括平面反射镜延时系统、第一碲化锌晶体、四分之一波片和沃拉斯顿棱镜和平衡放大光电探测器；所述第三光束依次经平面反射镜延时系统、第一碲化锌晶体、四分之一波片和沃拉斯顿棱镜后进入平衡放大光电探测器。
优选地，所述平衡放大光电探测器接收所述第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲。
优选地，所述第一反射镜的数量至少一个。
优选地，所述收集系统中设置样品。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1)将强弱太赫兹结合利用，采用透射光栅实现激发光的波前倾斜，通过实现计算好透射光栅的激发光入射角和衍射角度，再将激发光通过第一反射镜引入透射光栅，利用透射光栅的正/负一级衍射获得最大能量，再通过成像系统将激发光传播到铌酸锂发射晶体上，实现高能太赫兹脉冲辐射；利用碲化锌光整流效应，产生弱太赫兹。
2)由于透射光栅的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易，且能够实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹脉冲发射效率。
3)通过简单半波片就可以得到任意偏振态的探测太赫兹场。
附图说明
图1为本发明一实施例的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统的结构图；
图2为图1中的透射光栅的衍射图样示意图；
图3为图1中的铌酸锂晶体的结构图。
其中，1-飞秒激光光源，2-第一分束镜，3-硅片，4-收集系统，5-透射光栅，6-铌酸锂晶体，7-第一反射镜，8-成像系统，9-抛物面镜，10-第二分束镜，11-第二反射镜，12-第二碲化锌晶体，13-平面反射镜延时系统，14-第一碲化锌晶体，15-四分之一波片，16-沃拉斯顿棱镜，17-平衡放大光电探测器，18-半波片。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1所示，一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，包括飞秒激光光源1、第一分束镜2、硅片3和收集系统4；飞秒激光光源1产生飞秒激光，第一分束镜2将飞秒激光分成第一光束和探测光束；第一光束和探测光束分别作为泵浦路和探测路的激光源；硅片3收集泵浦路和探测路产生的太赫兹脉冲至收集系统4；泵浦路沿光路方向依次设置透射光栅5、半波片18和铌酸锂晶体6；第一光束入射至透射光栅5，之后透射光栅5的衍射光经半波片18后入射至铌酸锂晶体6，铌酸锂晶体6向外辐射第一太赫兹脉冲至硅片3。其中，半波片18的直径25.4mm，应可以接受透射光栅5的正负一级衍射光；收集系统4中设置样品。
在本实施例中，还包括若干第一反射镜7、成像系统8和抛物面镜9。其中，成像系统8的缩像比例为0.6，大小应匹配与实际光路。泵浦路的强太赫兹产生的光路为：第一光束通过第一反射镜7反射后入射至透射光栅5，透明光栅出射的一级衍射光发生波前倾斜，将透射光栅5的正/负一级衍射光入射至半波片18上，经过半波片18改变偏振方向后入射至成像系统8，进行缩小成像；将缩小成像后的光束入射至铌酸锂发射晶体，此时波前与铌酸锂出射面应平行，铌酸锂晶体6向外辐射高达300μJ，电场强度1.2MV/cm的第一太赫兹脉冲；抛物面镜9接收第一太赫兹脉冲并将其反射至硅片3，硅片3将第一太赫兹脉冲收集于收集系统4中的样品位置作为泵浦太赫兹场。其中，飞秒激光器发射的飞秒激光为35fs，波长为800nm，能量为6W，通过7:3的第一分束镜2进行分光，泵浦路为4W。
在本实施例中，所述成像系统8为单个透镜、双透镜组合或柱透镜组合。在本实施例以外的其他实施例中，成像系统8还包括一衍射光反射镜，置透射光栅5和半波片18之间；衍射光反射镜的直径为5.08厘米，应可完全反射衍射光。
在本实施例以外的其他实施例中，透射光栅5之前还包括第三反射镜和准直镜，第三反射镜设于透射光栅5的入射光路上，准直镜设于所述第三反射镜的反射光路上，准直镜用于将第一光束准直的引入透射光栅5。
如图2所示，根据公式，事先计算好透射光栅5的激发光入射角和衍射角度，其中λd为闪耀波长，d＝1/1800mm，φ为光线的衍射角，θb为闪耀角，为光线的入射角；选择透射光栅5的正/负一级衍射光，透射光栅5的正/负一级衍射光与入射光方向夹角小，在光路搭建的过程中更加容易；利用透射光栅5正/负一级衍射获得的最大能量，再通过成像系统8将激发光传播到铌酸锂发射晶体上，保证对实验所用激发光的工作波长实现最高效率的衍射，损失最少的激发光能量。在本实施例中，透射光栅5的闪耀波长为750nm，光栅线为1800g/mm。
如图3所示，c面为出射面，应与铌酸锂晶体6前的波前一致。具体摆放位置为，将a面作为底面，b面为入射面，c面为出射面。铌酸锂发射晶体为直角梯形面中一角为62～63度的直角梯形棱柱铌酸锂晶体6，晶体的各边长长度如图所示，单位为毫米。在本实施例中，铌酸锂发射晶体还可采用铌酸锂晶体6结合结构替代，如铌酸锂晶体6结合结构包括底角为62～63度，顶角为54～56度的Y方向切割的等腰三角形棱柱铌酸锂晶体6以及一个厚度为1～5mm的Y方向切割的铌酸锂晶片，所述铌酸锂晶片通过光学接触的方法完全覆盖于所述等腰三角形棱柱铌酸锂晶体6底边所在的柱面上；铌酸锂晶体6的四个柱面经过光学抛光处理。铌酸锂发射晶体掺杂有1.3mol％的氧化镁。飞秒激光入射至所述铌酸锂发射晶体时，飞秒激光的偏振方向与铌酸锂晶片的晶轴平行。采用本实施例的上述铌酸锂发射晶体或晶体结合结构，对于高能量、大光斑的激发光，克服传统晶体结构无法维持高效率的太赫兹辐射的问题。同时实现方式简单，在相同条件下，比空气击穿等离子体产生强太赫兹，具有更高的可实现性与安全性。在本实施例中，所述飞秒激光入射至所述铌酸锂发射晶体时，飞秒激光的偏振方向为竖直，飞秒激光应垂直射入铌酸锂的62°角，且波前平行于出射面。
在本实施例中，半波片18、成像系统8可以安放在80cm的准直架上，铌酸锂发射晶体通过可旋转调节的支架安装到一工作台上，便于调节角度。通过将透射光栅5与后续成像系统8及铌酸锂晶体6安装在旋转台上，可实现光栅角度的精确调谐，获得更好的太赫兹发射效率。铌酸锂晶体6发出的太赫兹，应尽量贴抛物面镜9，以小于1cm为宜。
在本实施例以外的其他实施例中，泵浦路进一步包括应包括斩波器，斩波器的频率应为光源同相的频率的二分之一。斩波器设置在泵浦路上第一分束镜2与透射光栅5之间光路的任意位置，优选地，放置在透射光栅5之前。
在本实施例中，还包括第二分束镜10、第二反射镜11和第二碲化锌晶体12。第二分束镜10将探测光束分成第二光束和第三光束；第二光束用于探测太赫兹场的产生；第三光束用于驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量。探测的弱太赫兹产生光路为：第二光束通过第二反射镜11反射后入射至第二碲化锌晶体12，第二碲化锌晶体12向外辐射第二太赫兹脉冲；硅片3将第二太赫兹脉冲反射至收集系统4，即硅片3将第二太赫兹脉冲收集于收集系统4中的样品位置作为探测太赫兹场。在本实施例以外的其他实施例中，第二太赫兹脉冲经聚四氟乙烯透射后入射至硅片3；聚四氟乙烯用于遮挡激光、透射第二太赫兹脉冲。
在本实施例中，还包括平面反射镜延时系统13、第一碲化锌晶体14、四分之一波片15和沃拉斯顿棱镜16和平衡放大光电探测器17；第三光束依次经平面反射镜延时系统13、第一碲化锌晶体14、四分之一波片15和沃拉斯顿棱镜16后进入平衡放大光电探测器17。同时，平衡放大光电探测器17还接收第一太赫兹脉冲。其中，平面反射镜延时系统13单程600mm，可调节路径范围应大于一米，便于调节等光程，微调量级为微米。在本实施例中，平面反射镜延时系统13应为电驱动，微可调最小值0.1微米。
在本实施例中，第一碲化锌晶体14和第二碲化锌的厚度为1mm。
在本实施例中，第一反射镜7的数量至少一个。
本发明的工作原理为：利用透射光栅5实现激发光的波前倾斜，衍射光通过第一反射镜7，垂直射入成像系统8，利用透射光栅5的正/负一级衍射获得最大能量，再通过成像系统8将缩像后的光，入射到铌酸锂发射晶体上，实现第一太赫兹脉冲辐射；透射光栅5经成像系统8后至铌酸锂晶体6前的波前应与铌酸锂出射面平行。光栅正/负一级衍射光能量越大，可以获得更好的太赫兹脉冲发射效率。同时泵浦路以相同光程产生弱太赫兹辐射，同时射入平衡放大光电探测器17，最后通过平衡放大光电探测器17收集泵浦路斩波状态下的信号传入锁相放大器，并通过电脑进行太赫兹波形分析。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，包括飞秒激光光源、第一分束镜、硅片和收集系统；飞秒激光光源产生飞秒激光，第一分束镜将飞秒激光分成第一光束和探测光束；所述第一光束和探测光束分别作为泵浦路和探测路的激光源；所述硅片收集所述泵浦路和探测路产生的太赫兹脉冲至所述收集系统；
所述泵浦路沿光路方向依次设置透射光栅、半波片和铌酸锂晶体；所述第一光束入射至透射光栅，之后透射光栅的衍射光经半波片后入射至所述铌酸锂晶体，铌酸锂晶体向外辐射第一太赫兹脉冲至所述硅片。
2.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，还包括若干第一反射镜和成像系统；所述第一光束通过第一反射镜反射后入射至透射光栅，透明光栅出射的一级衍射光经半波片发生波前倾斜，经成像系统成像后入射至铌酸锂晶体上。
3.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，进一步包括抛物面镜；所述抛物面镜接收所述第一太赫兹脉冲并将其反射至所述硅片。
4.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，所述成像系统包括至少一个透镜。
5.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，还包括第二分束镜，所述第二分束镜将所述探测光束分成第二光束和第三光束；所述第二光束用于探测太赫兹场的产生；所述第三光束用于驱动太赫兹时域脉冲的电光采样测量。
6.根据权利要求5所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，还包括第二反射镜和第二碲化锌晶体；所述第二光束通过第二反射镜反射后入射至第二碲化锌晶体，所述第二碲化锌晶体向外辐射第二太赫兹脉冲；所述硅片将所述第二太赫兹脉冲反射至所述收集系统。
7.根据权利要求6所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，还包括平面反射镜延时系统、第一碲化锌晶体、四分之一波片和沃拉斯顿棱镜和平衡放大光电探测器；所述第三光束依次经平面反射镜延时系统、第一碲化锌晶体、四分之一波片和沃拉斯顿棱镜后进入平衡放大光电探测器。
8.根据权利要求7所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，所述平衡放大光电探测器接收所述第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲。
9.根据权利要求2所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，所述第一反射镜的数量至少一个。
10.根据权利要求1所述的太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统，其特征在于，所述收集系统中设置样品。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910460368.9A Pending CN110108663A (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种太赫兹泵浦-太赫兹探测时域光谱系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110108663A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113038678A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-06-25 | 北京环境特性研究所 | 基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法 |
| CN115236026A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-25 | 北京航空航天大学 | 一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105841816A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-08-10 | 深圳市太赫兹系统设备有限公司 | 太赫兹时域光谱系统 |
| CN106153571A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-11-23 | 南京大学 | 太赫兹泵浦‑太赫兹探测时域光谱系统 |
| CN107561818A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-01-09 | 北京航空航天大学 | 一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法 |
-
2019
- 2019-05-30 CN CN201910460368.9A patent/CN110108663A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105841816A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-08-10 | 深圳市太赫兹系统设备有限公司 | 太赫兹时域光谱系统 |
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| CN107561818A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-01-09 | 北京航空航天大学 | 一种基于透射光栅倾斜波前的太赫兹脉冲产生装置及方法 |
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| CN115236026A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-25 | 北京航空航天大学 | 一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法 |
| CN115236026B (zh) * | 2022-07-21 | 2024-04-09 | 北京航空航天大学 | 一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法 |
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