CN115236026A - 一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法，属于太赫兹光谱技术领域，解决了现有技术中太赫兹光谱系统功能单一、产生的太赫兹脉冲的强度不能控制且强度低的问题。本发明的太赫兹二维光谱系统利用两个延时模块，能够产生两个具有可控时间延时的强场太赫兹脉冲，可以分析激发‑探测二维光谱中的频率非线性信息，可用于材料的电子和振动激发等；另外，将第二分束镜和合束镜可拆装的设置，可产生多条光路传输方式，使得系统多功能性强，且转变简单易操作。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹光谱技术领域，涉及一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方法。
背景技术
太赫兹光谱技术近年来飞速发展，被广泛地应用于材料分析、频谱分析、无损检测、成像和医疗检测等领域，在此基础之上，还逐渐开发出来光泵浦-太赫兹探测系统、太赫兹泵浦-太赫兹探测系统等系统，然而随着对强场太赫兹波和材料间相互作用的非线性过程的研究深入，对太赫兹光谱系统提出了更高要求。
但是，传统的太赫兹时域光谱仪产生的太赫兹脉冲强度弱，与材料发生相互作用时，不会产生非线性过程，而太赫兹泵浦-太赫兹探测系统中一个激光泵浦脉冲仅产生一个强场太赫兹脉冲，可以提供的非线性响应信息有限，不能提供激发-探测两个频率上的非线性信息，限制了对强场太赫兹与材料间相互作用的研究。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种太赫兹二维光谱系统非线性分析方法，用以解决现有太赫兹光谱系统功能单一、产生的太赫兹脉冲的强度不能控制且强度低的问题。其特征在于，包括飞秒激光器、第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第一延时模块、合束镜、斩波器、连续衰减片、铌酸锂倾斜波前太赫兹模块、第三反射镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜、碲化锌晶体、第二延时模块、第二二分之一玻片、第一凸透镜、第二凸透镜、四分之一玻片、沃拉斯顿棱镜、平衡探测器和锁相放大器；其中，第二分束镜和合束镜可拆装的设置，用于产生多条光路传输方式；
飞秒激光器用于产生飞秒激光；
第一分束镜设置于飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分为第一泵浦光束和探测光束；
第二分束镜设置于第一泵浦光束的光路上，用于将第一泵浦光束分为光强等强的第二泵浦光束和第三泵浦光束；
第二分束镜分束的第二泵浦光的光路与合束镜之间设置第一延时模块；第二分束镜分束的第三泵浦光的光路与合束镜之间设置第一反射镜；第二泵浦光束经第一延时模块入射合束镜，第三泵浦光束经第一反射镜入射合束镜；
第一延时模块，用于调整第二泵浦光束的光程或者第二泵浦光束与第三泵浦光束之间的相对时间延时以此控制第二泵浦光束与第三泵浦光束的时间延迟；
斩波器和连续衰减片依次设置于合束镜的出射端；斩波器用于控制光束脉冲的重复频率；连续衰减片用于控制光束的强度；
铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置于连续衰减片的出射端和第一离轴抛物面镜之间，用于将第二泵浦光束和/或第三泵浦光束转化为第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲；
第三反射镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜和碲化锌晶体依次设置于铌酸锂倾斜波前太赫兹模块的出射端；铌酸锂倾斜波前太赫兹模块出射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲经第三反射镜入射至第一离轴抛物面镜后经第二离轴抛物面镜聚焦于第二离轴抛物面镜的焦点处；在样品架上放置样品，调整样品架的位置使样品位于第二离轴抛物面镜的焦点处，同时使得从样品透射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲发散后再经第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜聚焦于碲化锌晶体；
第二延时模块设置于探测光束的光路上，第一分束镜和第二延时模块之间设置有第一反射镜，用以调整探测光束的光程后出射探测光束；
第二二分之一玻片和第一凸透镜依次设置于第二延时模块和第四离轴抛物面镜之间；第二二分之一玻片和第二延时模块之间设置有第一反射镜；
第一凸透镜设置于第二二分之一玻片和第四离轴抛物面镜之间；第四离轴抛物面镜上设置有小孔，探测光束经第一凸透镜从第四离轴抛物面镜上的小孔穿过并被聚焦于碲化锌晶体；
第二凸透镜、四分之一玻片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器依次设置于碲化锌晶体的出射端；
锁相放大器与平衡探测器和斩波器电连接，用以从平衡探测器中提取与斩波器重复频率相同的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲信号，并送至计算机处理。
进一步地，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块包括反射光栅、第二反射镜、第一二分之一玻片、成像系统和铌酸锂晶体。
进一步地，成像系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置于第一二分之一玻片的光入射端和光出射端，用于将光束成像为两倍缩小的像并正入射到铌酸锂晶体。
进一步地，铌酸锂晶体为三棱柱状，横截面为等腰三角形。
进一步地，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置有两组。
进一步地，还包括换镜装置，第二分束镜和合束镜上均设置有换镜装置，换镜装置可拆装的设置于太赫兹二维光谱系统。
进一步地，还包括第一挡光板，合束镜包括第一出射端和第二出射端；第一挡光板设置于合束镜的第二出射端，用于遮挡第二泵浦光束和/或第三泵浦光束经合束镜后不再使用的光束。
进一步地，还包括第二挡光板，第二挡光板设置于第二分束镜分束的第二泵浦光束的光路与合束镜之间和/或第二分束镜分束的第三泵浦光束的光路与合束镜之间。
进一步地，第一延时模块包括平移台和第四反射镜；第二延时模块包括平移台和第五反射镜。
另一方面，本发明还提供了一种太赫兹二维光谱非线性分析方法，采用前述的太赫兹二维光谱系统，具体包括以下步骤：
S1、飞秒激光器发射飞秒激光，飞秒激光由第一分束镜分束为第一泵浦光束和探测光束；第一泵浦光束由第二分束镜分束为第二泵浦光束和第三泵浦光束；第二泵浦光束经第一延时模块射至合束镜，第三泵浦光束经第一反射镜射至合束镜；
S2、挡住第三泵浦光束，此时只有第二泵浦光束入射至合束镜，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块只产生第一太赫兹脉冲；由第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲的波形Mi，其中i为1～n的正整数；
S3、挡住第二泵浦光束，当只有第三泵浦光束入射至合束镜时，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块只产生第二太赫兹脉冲，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到一个第二太赫兹脉冲的波形N；
S4、当第二泵浦光束和第三泵浦光束都入射传播至合束镜时，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块产生第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲；第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，且第一延时模块移动的起点和终点与步骤S2中第一延时模块移动的起点和终点相同，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲都存在的波形MjN，其中j为1～n的正整数，且i＝j；
S5、将波形Mi与波形N的数值相加，得到的波形记为Mi+N，将Mi+N与波形MjN的数值相减，即：Mi+N-MjN，记为SNLij，其中，i＝j；以第二延时模块的延迟时间为x轴，以第一延时模块的延迟时间为y轴，以每个SNLij波形的数值大小为值，组成时域二维数组，记为TNL；
S6、对二维数组TNL进行二维傅里叶变换，得到频域二维数组，记为FNL；将TNL和FNL绘制为二维图像，得到重定相和非重定相信号等非线性信息。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明的光谱系统利用一个泵浦激光脉冲产生两个具有可控时间延时的强场太赫兹脉冲，进行太赫兹二维光谱分析，产生非线性时域响应并将其映射为二维光谱中的频域，相对于泵浦-探测系统和非线性太赫兹光谱系统，可以分析激发-探测二维光谱中的频率非线性信息，可用于材料的电子和振动激发等。
(2)本发明的泵浦激光经分束和不同时间的延迟控制后再合束，泵浦铌酸锂晶体产生两个共线的强场太赫兹脉冲，降低了系统中两个强场太赫兹脉冲共线地入射到样品中的技术难度。
(3)本发明的两个强场太赫兹脉冲均由同一个铌酸锂晶体产生，节约了系统搭建的成本。
(4)本发明的可以利用两个磁吸台快换装置，撤下安装在磁吸台上的合束镜，并将另一个磁吸台上的分束镜换为反射镜，将全部的泵浦激光能量用于产生尽可能强的强场太赫兹，此外还可以利用连续衰减片来调控入射到铌酸锂晶体的泵浦激光功率，控制太赫兹的场强以进行非线性太赫兹光谱分析，使得系统多功能性强，且转变简单易操作。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明太赫兹二维光谱系统的太赫兹二维光谱状态的示意图；
图2为本发明太赫兹二维光谱系统的强场太赫兹光谱状态的示意图；
图3为本发明太赫兹二维光谱非线性分析方法得到的时域二维数组TNL的示意图。
附图标记：
1-光学平台、2-飞秒激光器、3-第一分束镜、4-第二分束镜、5-第一反射镜、6-第一延时模块、7-合束镜、8-第一挡光板、9-斩波器、10-连续衰减片、11-反射光栅、12-第二反射镜、13-第一二分之一玻片、14-成像系统、15-铌酸锂晶体、16-第三反射镜、17-第一离轴抛物面镜、18-样品架、19-第四离轴抛物面镜、20-碲化锌晶体、21-第二延时模块、22-第一凸透镜、23-第二凸透镜、24-四分之一玻片、25-沃拉斯顿棱镜、26-平衡探测器、27-换镜装置、28-第二挡光板、29-锁相放大器、30-第二离轴抛物面镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一个具体实施例，如图1-3，公开了一种太赫兹二维光谱系统，包括飞秒激光器2、第一分束镜3、第二分束镜4、第一反射镜5、第一延时模块6、合束镜7、第一挡光板8、斩波器9、连续衰减片10、铌酸锂倾斜波前太赫兹模块、第三反射镜16、第一离轴抛物面镜17、第二离轴抛物面镜30、样品架18、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜19、碲化锌晶体20、第二延时模块21、第二二分之一玻片、第一凸透镜22、第二凸透镜23、四分之一玻片24、沃拉斯顿棱镜25、平衡探测器26和锁相放大器29；其中，第二分束镜4和合束镜7可拆装的设置于太赫兹二维光谱系统，用于产生多条光路传输方式。
可选地，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块包括反射光栅11、第二反射镜12、第一二分之一玻片13、成像系统14和铌酸锂晶体15。
可选地，还包括换镜装置27，第二分束镜4和合束镜7上均设置有换镜装置27，换镜装置27可拆装的设置于太赫兹二维光谱系统，优选地，换镜装置27为磁吸式底座或翻转镜；使用换镜装置27可快速拆装第二分束镜4和合束镜7；使用时，将第二分束镜4替换为第一反射镜5，并拆下合束镜7。将太赫兹二维光谱系统由如图1的太赫兹二维光谱状态转换为如图2所示的强太赫兹光谱状态，这样可以集中第一泵浦光束能量产生更强的太赫兹脉冲，之后可通过调整连续衰减片10来调整第一泵浦光束的能量，进而产生不同强度的太赫兹脉冲，或者通过可平移的样品架18改变样品的位置，使样品可改变与太赫兹脉冲聚焦位置的相对距离，进行非线性太赫兹光谱测试。
可选地，飞秒激光器2用于产生飞秒激光，优选地，飞秒激光器2产生脉宽为35fs、中心波长为800nm、重复频率为1000Hz的水平偏振飞秒激光。
可选地，第一分束镜3设置于飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分为第一泵浦光束和探测光束，其中第一泵浦光光束的光强较强；优选地，第一泵浦光光束和探测光束的分束比为8:2。
可选地，第二分束镜4设置于第一泵浦光束的光路上，用于将第一泵浦光束分为光强等强的第二泵浦光束和第三泵浦光束。
可选地，第二分束镜4分束的第二泵浦光的光路与合束镜7之间设置第一延时模块6；第二分束镜4分束的第三泵浦光的光路与合束镜7之间设置第一反射镜5；第二泵浦光束经第一延时模块6入射合束镜7，第三泵浦光束经第一反射镜5入射合束镜7；合束镜7包括第一出射端和第二出射端；第二泵浦光束入射合束镜7后形成反射光和透射光，第三泵浦光束入射合束镜7后形成反射光和透射光，第二泵浦光束的反射光和第三泵浦光束的透射光于合束镜7的第一出射端合为合束光，第二泵浦光束的透射光和第三泵浦光束的反射光于合束镜7的第二出射端出射，为不再使用的光束。
可选地，第一延时模块6包括平移台和第四反射镜，第四反射镜设置于平移台上，用于调整第二泵浦光束的光程或者第二泵浦光束与第三泵浦光束之间的相对时间延时以此控制第二泵浦光束与第三泵浦光束的时间延迟。
可选地，第一挡光板8设置于合束镜7的第二出射端，用于遮挡第二泵浦光束和/或第三泵浦光束经合束镜7后不再使用的光束。
可选地，斩波器9和连续衰减片10依次设置于合束镜7的第一出射端；合束光从合束镜7的第一出射端出射后依次经斩波器9至连续衰减片10，斩波器9用于控制合束光脉冲的重复频率，优选地，合束光脉冲的重复频率为500Hz；连续衰减片10用于控制合束光的强度。合束镜7和斩波器9之间还设置有第一反射镜5。
可选地，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置于连续衰减片10的出射端和第一离轴抛物面镜17之间；其中，反射光栅11、第二反射镜12、第一二分之一玻片13、成像系统14和铌酸锂晶体15依次设置于连续衰减片10的出射端和第一离轴抛物面镜17之间；用于将第二泵浦光束和/或第三泵浦光束对应地转化为第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲
优选地，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置有两组，两组铌酸锂倾斜波前太赫兹模块用于分别接收经第二分束镜4分束第一泵浦光束后的第二泵浦光束和第三泵浦光束，第二泵浦光束和第三泵浦光束经过各自的铌酸锂倾斜波前太赫兹模块后对应产生第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲。由此，使得第二泵浦光束和第三泵浦光束不再经过合束镜7的合束，直接进入铌酸锂倾斜波前太赫兹模块，不会损失泵浦能量，还可以减少双泵浦铌酸锂晶体本身产生的非线性。
光束(即：第二泵浦光束和第三泵浦光束)经反射光栅11射出衍射光，衍射光的衍射角θd为：
其中，d为光栅常数，θi为光束入射反射光栅11的入射角，m为衍射阶次，
为光束脉冲的中心波长，θd为衍射光出射反射光栅11的衍射角；
衍射光依次经第二反射镜12、第一二分之一玻片13和成像系统14后入射到铌酸锂晶体15，铌酸锂晶体15向外辐射第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲；两束太赫兹脉冲之间的时间延迟与光束中的第二泵浦光束和第三泵浦光束之间的时间延迟相同；
调整第一二分之一玻片13的方位角，将光束的偏振方向改变为竖直方向；
成像系统14包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置于第一二分之一玻片13的光入射端和光出射端，用于将光束成像为两倍缩小的像并正入射到铌酸锂晶体15，光束在铌酸锂晶体15中的倾斜波前角γ为：
其中，M为成像系统缩放系数，
为光束脉冲的中心波长，m为衍射阶次，ng为群折射率，G为光栅刻线密度，θd为衍射光出射反射光栅11的衍射角；
铌酸锂晶体15为三棱柱状，截面为等腰三角形；铌酸锂晶体15中混合5mol％的MgO，用以提高铌酸锂晶体15的损伤阈值。
优选地，d＝1/1500mm，θi＝21°，m＝-1，
M＝2，ng＝2.36，G＝1500刻线/mm，θd＝57.3°，γ＝62°，即：铌酸锂晶体15的三角形面的截面的等腰角为62°。
可选地，第三反射镜16、第一离轴抛物面镜17、第二离轴抛物面镜30、样品架18、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜19和碲化锌晶体20依次设置于铌酸锂晶体15的出射端；经铌酸锂晶体15出射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲经第三反射镜16入射至第一离轴抛物面镜17后经第二离轴抛物面镜30聚焦于第二离轴抛物面镜30的焦点处，在样品架18上放置样品，调整样品架18的位置使样品位于第二离轴抛物面镜30的焦点处，样品架18设置为可沿第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲的入射方向移动，使得从样品透射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲发散后再经第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜19聚焦于碲化锌晶体20；优选地，所述移动为平移。
当光谱系统中的第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲同时产生时，第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲依次经过第一离轴抛物面镜17和第二离轴抛物面镜30共线的聚焦于样品架18。
可选地，第二延时模块21设置于探测光束的光路上，第一分束镜3和第二延时模块21之间设置第一反射镜5；优选地，第二延时模块21包括平移台和多个第五反射镜，第五反射镜设置于平移台上，用以调整探测光束的光程后出射探测光束。
可选地，第二二分之一玻片和第一凸透镜22依次设置于第二延时模块21和第四离轴抛物面镜19之间；第二二分之一玻片和第二延时模块21之间设置第一反射镜5；探测光束经第二二分之一玻片由水平偏振转换为竖直偏振。
可选地，第一凸透镜22设置于第二二分之一玻片和第四离轴抛物面镜19之间；第四离轴抛物面镜19上设置有小孔，探测光束经第一凸透镜22从第四离轴抛物面镜19上的小孔穿过并被聚焦于碲化锌晶体20；探测光束在碲化锌晶体20的折射率被第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲的电场由线性电光效应改变。
可选地，第二凸透镜23、四分之一玻片24、沃拉斯顿棱镜25和平衡探测器26依次设置于碲化锌晶体20的出射端；探测光束经碲化锌晶体20后发散，经第二凸透镜23后聚焦，无太赫兹电场时，四分之一玻片24将线偏振的探测光束转换为圆偏振，沃拉斯顿棱镜25将探测光束进行两个相互垂直方向上的偏振态分离，经平衡探测器26差分探测的值接近于零；有太赫兹电场时，探测光束由四分之一玻片24转换为椭圆偏振，平衡探测器26差分探测的值与太赫兹电场成正比。配合第二延时模块21改变探测光束的光程，测量第一太赫兹脉冲波形和/或第二太赫兹脉冲波形。优选地，第二延时模块21以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，并测量一次第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲信号，直至将完整的第一太赫兹脉冲波形和/或第二太赫兹脉冲波形描绘出来。
可选地，锁相放大器29与平衡探测器26和斩波器9电连接，用以从平衡探测器26中提取与斩波器9重复频率相同的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲信号，并送至计算机处理。
可选地，还包括第二挡光板28，第二挡光板28设置于第二分束镜4分束的第二泵浦光束的光路与合束镜7之间和/或第二分束镜4分束的第三泵浦光束的光路与合束镜7之间。第二挡光板28用于在太赫兹二维光谱非线性分析方法中，进行泵浦光束的选择。
可选地，还设置有平台1，飞秒激光器2、第一分束镜3、第二分束镜4、第一反射镜5、一延时模块6、合束镜7、第一挡光板8、斩波器9、连续衰减片10、铌酸锂倾斜波前太赫兹模块、第三反射镜16、第一离轴抛物面镜17、第二离轴抛物面镜30、样品架18、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜19、碲化锌晶体20、第二延时模块21、第二二分之一玻片、第一凸透镜22、第二凸透镜23、四分之一玻片24、沃拉斯顿棱镜25、平衡探测器26、换镜装置27、第二挡光板28和锁相放大器29设置于平台1。
本发明的另一个具体实施例，还公开了一种太赫兹二维光谱非线性分析方法，采用上述太赫兹二维光谱系统，具体包括以下步骤：
S1、飞秒激光器2发射飞秒激光，飞秒激光由第一分束镜3分束为第一泵浦光束和探测光束；第一泵浦光束由第二分束镜4分束为第二泵浦光束和第三泵浦光束；第二泵浦光束经第一延时模块6射至合束镜7，第三泵浦光束经第一反射镜5射至合束镜7。
S2、参见图1，调整挡光板28的位置使其挡住第三泵浦光束，此时只有第二泵浦光束入射至合束镜7，铌酸锂晶体15只产生第一太赫兹脉冲；由第一延时模块6以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，第二延时模块21以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲的波形Mi，其中i为1～n的正整数。
S3、参见图1，调整挡光板28的位置使其挡住第二泵浦光束，当只有第三泵浦光束入射至合束镜7时，铌酸锂晶体15只产生第二太赫兹脉冲，第二延时模块21以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到一个第二太赫兹脉冲的波形N。
S4、当第二泵浦光束和第三泵浦光束都入射传播至合束镜7时，铌酸锂晶体15产生第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲；第一延时模块6以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，且第一延时模块6移动的起点和终点与步骤S2中第一延时模块6移动的起点和终点相同，第二延时模块21以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲都存在的波形MjN，其中j为1～n的正整数，且i＝j。
S5、将波形Mi与波形N的数值相加，得到的波形记为Mi+N，将Mi+N与波形MjN的数值相减，即：Mi+N-MjN，记为SNLij，其中，i＝j；以第二延时模块21的延迟时间为x轴，以第一延时模块6的延迟时间为y轴，以每个SNLij波形的数值大小为值，组成时域二维数组，记为TNL。
S6、对二维数组TNL进行二维傅里叶变换，得到频域二维数组，记为FNL；将TNL和FNL绘制为二维图像，得到重定相和非重定相信号等非线性信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，包括飞秒激光器、第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第一延时模块、合束镜、斩波器、连续衰减片、铌酸锂倾斜波前太赫兹模块、第三反射镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜、碲化锌晶体、第二延时模块、第二二分之一玻片、第一凸透镜、第二凸透镜、四分之一玻片、沃拉斯顿棱镜、平衡探测器和锁相放大器；其中，第二分束镜和合束镜可拆装的设置，用于产生多条光路传输方式；
飞秒激光器用于产生飞秒激光；
第一分束镜设置于飞秒激光的光路上，用于将飞秒激光分为第一泵浦光束和探测光束；
第二分束镜设置于第一泵浦光束的光路上，用于将第一泵浦光束分为光强等强的第二泵浦光束和第三泵浦光束；
第二分束镜分束的第二泵浦光的光路与合束镜之间设置第一延时模块；第二分束镜分束的第三泵浦光的光路与合束镜之间设置第一反射镜；第二泵浦光束经第一延时模块入射合束镜，第三泵浦光束经第一反射镜入射合束镜；
第一延时模块，用于调整第二泵浦光束的光程或者第二泵浦光束与第三泵浦光束之间的相对时间延时以此控制第二泵浦光束与第三泵浦光束的时间延迟；
斩波器和连续衰减片依次设置于合束镜的出射端；斩波器用于控制光束脉冲的重复频率；连续衰减片用于控制光束的强度；
铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置于连续衰减片的出射端和第一离轴抛物面镜之间，用于将第二泵浦光束和/或第三泵浦光束转化为第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲；
第三反射镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜和碲化锌晶体依次设置于铌酸锂倾斜波前太赫兹模块的出射端；铌酸锂倾斜波前太赫兹模块出射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲经第三反射镜入射至第一离轴抛物面镜后经第二离轴抛物面镜聚焦于第二离轴抛物面镜的焦点处；在样品架上放置样品，调整样品架的位置使样品位于第二离轴抛物面镜的焦点处，同时使得从样品透射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲发散后再经第三离轴抛物面镜和第四离轴抛物面镜聚焦于碲化锌晶体；
第二延时模块设置于探测光束的光路上，第一分束镜和第二延时模块之间设置有第一反射镜，用以调整探测光束的光程后出射探测光束；
第二二分之一玻片和第一凸透镜依次设置于第二延时模块和第四离轴抛物面镜之间；第二二分之一玻片和第二延时模块之间设置有第一反射镜；
第一凸透镜设置于第二二分之一玻片和第四离轴抛物面镜之间；第四离轴抛物面镜上设置有小孔，探测光束经第一凸透镜从第四离轴抛物面镜上的小孔穿过并被聚焦于碲化锌晶体；
第二凸透镜、四分之一玻片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器依次设置于碲化锌晶体的出射端；
锁相放大器与平衡探测器和斩波器电连接，用以从平衡探测器中提取与斩波器重复频率相同的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲信号，并送至计算机处理。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块包括反射光栅、第二反射镜、第一二分之一玻片、成像系统和铌酸锂晶体。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，成像系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别设置于第一二分之一玻片的光入射端和光出射端，用于将光束成像为两倍缩小的像并正入射到铌酸锂晶体。
4.根据权利要求2所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，铌酸锂晶体为三棱柱状，横截面为等腰三角形。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置有两组。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，还包括换镜装置，第二分束镜和合束镜上均设置有换镜装置，换镜装置可拆装的设置于太赫兹二维光谱系统。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，还包括第一挡光板，合束镜包括第一出射端和第二出射端；第一挡光板设置于合束镜的第二出射端，用于遮挡第二泵浦光束和/或第三泵浦光束经合束镜后不再使用的光束。
8.根据权利要求1-3任一所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，还包括第二挡光板，第二挡光板设置于第二分束镜分束的第二泵浦光束的光路与合束镜之间和/或第二分束镜分束的第三泵浦光束的光路与合束镜之间。
9.根据权利要求1-3任一所述的一种太赫兹二维光谱系统，其特征在于，第一延时模块包括平移台和第四反射镜；第二延时模块包括平移台和第五反射镜。
10.一种太赫兹二维光谱非线性分析方法，采用所述权利要求1-9任一项的太赫兹二维光谱系统，具体包括以下步骤：
S1、飞秒激光器发射飞秒激光，飞秒激光由第一分束镜分束为第一泵浦光束和探测光束；第一泵浦光束由第二分束镜分束为第二泵浦光束和第三泵浦光束；第二泵浦光束经第一延时模块射至合束镜，第三泵浦光束经第一反射镜射至合束镜；
S2、挡住第三泵浦光束，此时只有第二泵浦光束入射至合束镜，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块只产生第一太赫兹脉冲；由第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲的波形Mi，其中i为1～n的正整数；
S3、挡住第二泵浦光束，当只有第三泵浦光束入射至合束镜时，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块只产生第二太赫兹脉冲，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到一个第二太赫兹脉冲的波形N；
S4、当第二泵浦光束和第三泵浦光束都入射传播至合束镜时，铌酸锂倾斜波前太赫兹模块产生第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲；第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束的光程，且第一延时模块移动的起点和终点与步骤S2中第一延时模块移动的起点和终点相同，第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光程，测量得到多个第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲都存在的波形MjN，其中j为1～n的正整数，且i＝j；
S5、将波形Mi与波形N的数值相加，得到的波形记为Mi+N，将Mi+N与波形MjN的数值相减，即：Mi+N-MjN，记为SNLij，其中，i＝j；以第二延时模块的延迟时间为x轴，以第一延时模块的延迟时间为y轴，以每个SNLij波形的数值大小为值，组成时域二维数组，记为TNL；
S6、对二维数组TNL进行二维傅里叶变换，得到频域二维数组，记为FNL；将TNL和FNL绘制为二维图像，得到重定相和非重定相信号等非线性信息。
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| CN115980781A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-04-18 | 北京理工大学 | 超宽带太赫兹调频连续波雷达成像系统 |
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| CN115980781A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-04-18 | 北京理工大学 | 超宽带太赫兹调频连续波雷达成像系统 |
| CN115980781B (zh) * | 2023-03-21 | 2023-05-30 | 北京理工大学 | 超宽带太赫兹调频连续波雷达成像系统 |
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