CN115825001A - 一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，涉及太赫兹波材料参数测量领域，包括太赫兹波产生系统、样品测量系统、太赫兹波探测系统和数据采集处理系统；太赫兹波产生系统辐射出的太赫兹波入射到样品测量系统中与待测样品发生衰减全反射作用,样品测量系统将携带样品介电特性的出射太赫兹波信号传输到探测天线进行探测,太赫兹波探测系统将探测到的原始太赫兹波信号传输到数据采集处理系统，以得到样品的材料参数特性，本发明具有保证太赫兹波传输过程中的波束完整性，确保待测样品材料参数测量过程中发生衰减全反射现象的优点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波材料参数测量技术领域，尤其涉及一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)是指频率在0.1-10THz，波长为0.03-3mm，介于毫米波与红外光之间的电磁波，该频段处于传统电子学和光子学研究的边缘频谱区域，同时也是经典宏观理论向量子微观理论的过渡区域。太赫兹波频段范围处于多种物质的振动与转动能级，包含了丰富的物理化学信息，以其独特的波段位置和物理特性，在雷达、制导、对抗隐身目标、目标探测与识别等方面等领域有着巨大的发展潜力和广阔的应用范围。
材料介电特性具有很强的频率依赖性，其在微波频段(低频)和光学频段(高频)的研究起步较早，测量技术相对成熟，但是在太赫兹频段受限于有效的测量手段，材料介电特性的研究还处于快速发展阶段。近年来发展的太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术弥补了太赫兹频段材料参数提取技术手段的空白。THz-TDS技术获取材料介电特性的方式主要分为透射式和反射式，针对不同测量方式建立相应的材料参数反演模型，通过获取样品信息解析出材料的介电特性，为太赫兹频段雷达目标散射特性研究提供理论分析基础。但是，透射式和反射式测量方法对于太赫兹频段高吸收固体、液体以及粉末等材料介电参数的获取相对困难，测量动态范围大大降低。衰减全反射技术(attenuated total internalreflection，ATR)是利用电磁波发生衰减全反射时产生的倏逝波与样品之间的相互作用来获取被测样品的介电特性，相比于透射式和反射式测量技术，其灵敏度更高，尤其适用于太赫兹波高吸收固体、液体以及粉末等材料介电特性的测量，具有高灵敏度，操作简单等优点，是高效、准确、快速获取液体、粉末等高吸收材料太赫兹频段介电特性的有效手段。现有太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统一般采用固定水平方向入射，无法调整太赫兹波入射到衰减全反射棱镜上表面的角度，导致部分待测样品无法发生衰减全反射现象，测量系统的普适性降低。
因此，针对以上不足，需要提供一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有测量系统无法调整太赫兹波入射到衰减全反射棱镜上表面的角度的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，包括太赫兹波产生系统、样品测量系统、太赫兹波探测系统和数据采集处理系统；太赫兹波产生系统辐射出的太赫兹波入射到样品测量系统中与待测样品发生衰减全反射作用样品测量系统将携带样品介电特性的出射太赫兹波信号传输到探测天线进行探测，太赫兹波探测系统将探测到的原始太赫兹波信号传输到数据处理系统内进行整理分析，以得到样品的材料参数特性。
作为对本发明的进一步说明，优选地，太赫兹波产生系统包括飞秒激光器、整形透镜、分束器、主反射镜、主聚焦透镜和发射天线，整形透镜架设在飞秒激光器输出端外，分束器架设在整形透镜输出端外，分束器的分束比例为1:1；多个主反射镜架设在分束器输出端外，主聚焦透镜布置在主反射镜输出端外，发射天线布置在主聚焦透镜输出端外。
作为对本发明的进一步说明，优选地，太赫兹波测量系统包括入射旋转抛物面镜、全反射棱镜和出射旋转抛物面镜，多个入射旋转抛物面镜间隔布置在发射天线输出端外，全反射棱镜布置在旋转抛物面镜输出端外，样品放置在全反射棱镜上，多个出射旋转抛物面镜间隔布置在全反射棱镜输出端外，出射旋转抛物面镜输出端朝向探测天线。
作为对本发明的进一步说明，优选地，入射旋转抛物面镜和出射旋转抛物面镜上分别设有电机，以使入射旋转抛物面镜和出射旋转抛物面镜进行俯仰旋转以及平行运动。
作为对本发明的进一步说明，优选地，发射天线由蒸镀在半导体材料上的两个平行金属电极组成，以形成偶极天线结构，发射天线外加有偏置电压。
作为对本发明的进一步说明，优选地，全反射棱镜有高阻硅切割而成的倒等腰三角形结构，样品放置在全反射棱镜顶部平面上，太赫兹波通过全反射棱镜下部一侧的斜面折射到样品处，样品反射太赫兹波通过全反射棱镜下部另一侧的斜面折射至出射旋转抛物面镜处。
作为对本发明的进一步说明，优选地，探测天线内布置有能产生载流子的半导体材料。
作为对本发明的进一步说明，优选地，探测天线与数据处理系统之间设有锁相放大器以将探测天线输出的电信号放大。
作为对本发明的进一步说明，优选地，探测天线与副反射镜之间布置有副聚焦透镜。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明可以根据待测样品的预估介电特性调整太赫兹波的入射角度，保证了太赫兹波传输过程中的波束完整性，确保待测样品材料参数测量过程中发生衰减全反射现象，解决测量过程中不确定误差对结果准确性的影响，提高了测试系统的普适性。
附图说明
图1是本发明的可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统结构示意图；
图2是本发明的硅基衰减全反射棱镜图。
图中：1、飞秒激光器；2、整形透镜；3、分束器；4、主反射镜；5、主聚焦透镜；6、发射天线；7、入射旋转抛物面镜；8、全反射棱镜；9、样品；10、出射旋转抛物面镜；11、探测天线；12、副反射镜；13、副聚焦透镜；14、数据处理系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，如图1所示，包括太赫兹波产生系统、样品测量系统、太赫兹波探测系统和数据采集处理系统；
如图1所示，太赫兹波产生系统包括飞秒激光器1、整形透镜2、分束器3、主反射镜4、主聚焦透镜5和发射天线6，飞秒激光器1选用波长为800nm，脉冲宽度为80fs，输出功率为800mW的飞秒激光器当做泵浦源，整形透镜2架设在飞秒激光器1输出端外，分束器3架设在整形透镜2输出端外，分束器3的分束比例为1:1以使通过分束器3的光路分为发射光路和探测光路，发射光路通过主反射镜4到达发射天线6，探测光路通过副反射镜12到达探测天线11。多个主反射镜4架设在分束器3输出端外，主聚焦透镜5布置在主反射镜4输出端外，主聚焦透镜5焦距为50mm，发射天线6布置在主聚焦透镜5输出端外。发射天线6以高速光电导材料作为瞬态电流源，以天线的机制向外辐射太赫兹波。发射天线6由蒸镀在半导体材料上的两个平行金属电极组成，形成偶极天线结构，在发射天线6两极加上偏置电压，当飞秒激光脉冲照射到发射天线6半导体材料时，会在其表面产生大量的电子-空穴对，在外加电压的作用下，电子-空穴对会加速运动，在光电导天线表面形成瞬态光生电流，向外辐射宽频太赫兹波。
如图1所示，样品测量系统包括入射旋转抛物面镜7、全反射棱镜8和出射旋转抛物面镜10，两个入射旋转抛物面镜7间隔布置在发射天线6输出端外，全反射棱镜8布置在入射旋转抛物面镜7输出端外，样品9放置在全反射棱镜8上，两个出射旋转抛物面镜10间隔布置在全反射棱镜8输出端外，出射旋转抛物面镜10输出端朝向探测天线11。入射旋转抛物面镜7和出射旋转抛物面镜10上分别设有电机，以使入射旋转抛物面镜7和出射旋转抛物面镜10进行俯仰旋转以及平行运动。
结合图1、图2，全反射棱镜8有高阻硅切割而成的倒等腰三角形结构，其两个底角为38.4°，顶角为103.2°，宽度和长度都为50.8mm，高度为20.1mm。为了固定衰减全反射棱镜8，采用不锈钢材料加工一个棱镜加持装置，用于水平放置衰减全反射棱镜8，将设计好的硅基衰减全反射棱镜8放置在棱镜支架上，经调节支架调节水平后放入太赫兹波传输系统中，测量时将待测样品9放置在衰减全反射棱镜8的上表面即可。太赫兹波通过全反射棱镜8下部一侧的斜面折射到样品9处，样品9反射太赫兹波通过全反射棱镜8下部另一侧的斜面折射至出射旋转抛物面镜10处。入射旋转抛物面镜7主要用于辐射太赫兹波的整形与入射角度调节，通过预估待测样品9的折射率可以计算出该样品9测量时发生衰减全反射的临界角，通过控制每一个抛物面镜上的独立电机输入电压调整抛物面镜的角度，使得入射到衰减全反射棱镜中的太赫兹波能够发射衰减全反射效应，从而进行样品9的测量。
如图1所示，太赫兹波探测系统包括探测天线11、副反射镜12和副聚焦透镜13，探测天线11内布置有能产生载流子的半导体材料，探测天线11与数据处理系统14之间设有锁相放大器以将探测天线11输出的电信号放大。探测天线11与副反射镜12之间布置有副聚焦透镜13，样品测量系统将携带样品介电特性的出射太赫兹波信号传输到探测天线11，太赫兹波探测系统将探测到的原始太赫兹波信号传输到数据处理系统14内进行整理分析，以得到样品9的材料参数特性。
数据采集处理系统主要是对探测到的太赫兹脉冲强度信号进行收集、存储、处理、显示。太赫兹脉冲宽度为皮秒量级，而探测脉冲是飞秒量级，若要实现探测，需进行时域扫描，通过改变泵浦激光和探测激光的相对时间延迟来完成太赫兹时域波形的逐点扫描，这就需要借助光路中的机械延迟线来实现，用电控平移台予以控制。扫描软件会将扫描时间延迟和锁相放大器读取的电流数据组成的二维数组描点画图，给出太赫兹时域脉冲形状，同时对时域脉冲进行傅里叶变换，可以得到携带样品介电特性的太赫兹波频谱信息。
在系统外还可以设有氮气填充保障装置，氮气填充保障装置用来减少测量环境中的水蒸气对太赫兹波的影响，提高系统信噪比。太赫兹波易被水蒸气吸收、为了减少传播路径上的能量损耗，需将传播路径上的水蒸气及其它吸收太赫兹波的气体分子排除掉以提高太赫兹波的传输效率，氮气填充保障系统通过向测试环境中输入氮气，来减少水蒸气对太赫兹波的吸收，提高系统信噪比。为此氮气填充保障分系统在整个测试过程中不间断进行氮气填充，使得整个测试过程的环境湿度控制在4％以下。
综上所述，本发明采用紧凑型、小型化的飞秒激光器1为泵浦源，飞秒激光器1出射的超短激光脉冲通过整形透镜2整形后经分束器3按1:1比例分为两束，其中一路为太赫兹波产生光路，另外一路为太赫兹波探测光路。太赫兹波产生光路的超短激光脉冲经时间延迟装置主反射镜4照射到焦距为50mm的主聚焦透镜5上，聚焦后的超短激光脉冲入射到发射天线6，由于飞秒激光脉冲的单光子能量大于发射天线6上半导体材料的能隙宽度，因此，半导体材料表面产生电子空穴对，在外加70V偏置电压的作用下，电子空穴对发生定向移动，形成瞬间变化的光生电流，向外辐射出功率约为50μW，频率范围为0.1-2.5THz的太赫兹波。太赫兹波探测光路的超短激光脉冲通过副反射镜12改变光路后经副聚焦透镜13入射到光电导探测天线11上进行出射太赫兹时域波形的扫描和探测。发射天线6辐射出的太赫兹波经入射旋转抛物面镜7改变入射角度后，进入衰减全反射棱镜8与待测样品9发生相互作用，携带样品信息的出射太赫兹波经出射旋转抛物面镜10入射到光电导探测天线11进行探测，所得数据传输到数据采集处理分系统14进行整理、分析。氮气填充保障装置在整个测试过程中不间断进行氮气填充，使得整个测试过程的环境湿度控制在4％以下。通过上述设置可以根据待测样品的预估介电特性调整太赫兹波的入射角度，保证了太赫兹波传输过程中的波束完整性，确保待测样品材料参数测量过程中发生衰减全反射现象，解决测量过程中不确定误差对结果准确性的影响，提高了系统测量普适性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：包括太赫兹波产生系统、样品测量系统、太赫兹波探测系统和数据采集处理系统；太赫兹波产生系统辐射出的太赫兹波入射到样品测量系统中与待测样品发生衰减全反射作用,样品测量系统将携带样品介电特性的出射太赫兹波信号传输到探测天线(11)进行探测，太赫兹波探测系统将探测到的原始太赫兹波信号传输到数据处理系统(14)内进行整理分析，以得到样品的材料参数特性。
2.根据权利要求1所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：太赫兹波产生系统包括飞秒激光器(1)、整形透镜(2)、分束器(3)、主反射镜(4)、主聚焦透镜(5)和发射天线(6)，整形透镜(2)架设在飞秒激光器(1)输出端外，分束器(3)架设在整形透镜(2)输出端外，分束器(3)的分束比例为1:1；多个主反射镜(4)架设在分束器(3)输出端外，主聚焦透镜(5)布置在主反射镜(4)输出端外，发射天线(6)布置在主聚焦透镜(5)输出端外。
3.根据权利要求2所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：样品测量系统包括入射旋转抛物面镜(7)、全反射棱镜(8)和出射旋转抛物面镜(10)，多个入射旋转抛物面镜(7)间隔布置在发射天线(6)输出端外，全反射棱镜(8)布置在旋转抛物面镜(7)输出端外，样品(9)放置在全反射棱镜(8)上，多个出射旋转抛物面镜(10)间隔布置在全反射棱镜(8)输出端外，出射旋转抛物面镜(10)输出端朝向探测天线(11)。
4.根据权利要求3所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：入射旋转抛物面镜(7)和出射旋转抛物面镜(10)上分别设有电机，以使入射旋转抛物面镜(7)和出射旋转抛物面镜(10)进行俯仰旋转以及平行运动。
5.根据权利要求4所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：发射天线(6)由蒸镀在半导体材料上的两个平行金属电极组成，以形成偶极天线结构，发射天线(6)外加有偏置电压。
6.根据权利要求5所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：全反射棱镜(8)有高阻硅切割而成的倒等腰三角形结构，样品(9)放置在全反射棱镜(8)顶部平面上，太赫兹波通过全反射棱镜(8)下部一侧的斜面折射到样品(9)处，样品(9)反射太赫兹波通过全反射棱镜(8)下部另一侧的斜面折射至出射旋转抛物面镜(10)处。
7.根据权利要求1所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：探测天线(11)内布置有能产生载流子的半导体材料。
8.根据权利要求1所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：探测天线(11)与数据处理系统(14)之间设有锁相放大器以将探测天线(11)输出的电信号放大。
9.根据权利要求1所述的一种可变角度的太赫兹频段衰减全反射材料参数测量系统，其特征在于：探测天线(11)与副反射镜(12)之间布置有副聚焦透镜(13)。
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