CN116067494B - 太赫兹单发测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹单发测量系统，该系统使用红外飞秒脉冲探测单发太赫兹脉冲的时域波形，其包括：太赫兹单元，探测光单元，合束镜，电光晶体，分束镜，第一成像单元以及第二成像单元。特别地，探测光单元包括阶梯式反射镜，用于使入射的探测光脉冲转变为间隔时间均匀的探测光脉冲序列。分束镜将探测光脉冲序列分成第一脉冲序列和第二脉冲序列两束，分别入射至第一成像单元和第二成像单元，通过差分处理得到单发太赫兹脉冲的时域波形。本发明提供的技术方案不仅探测速度快，时间分辨率高，而且探测信噪比高，系统稳定性好，可用于探测不可逆过程，获得样品诸多特性参数。

Description

太赫兹单发测量系统
技术领域
本发明属于太赫兹光谱领域，尤其涉及一种太赫兹光谱单发测量系统。
背景技术
太赫兹时域光谱(THz-TDS，terahertz time-domain spectroscopy缩写)技术广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检、无损检测等诸多领域。传统THz-TDS技术采用探测光延时逐点扫描的方式探测并重构太赫兹波的时域波形。这种方式虽然测量精度较高，但耗时较长，通常需要几分钟甚至几十分钟才能获取一个完整的太赫兹时域波形。中国专利CN202021648807.3公开了一种单发太赫兹瞬态光谱探测系统，该系统通过空间分离技术产生太赫兹脉冲序列，利用啁啾脉冲作为探测光，实现单发太赫兹脉冲的全时域探测。虽然该系统解决了传统方案的耗时问题，但由于采用了啁啾脉冲进行探测以及对太赫兹脉冲进行分离，降低了太赫兹光谱探测的时间分辨率和信噪比。
本发明公开了一种太赫兹光谱单发测量系统，目的是为了解决现有技术信噪比较低的问题。
发明内容
基于此，本发明的目的是通过阶梯式反射镜对探测光脉冲进行空间分离，并使用双臂探测差分原理提高太赫兹单发测量的信噪比。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种太赫兹单发测量系统，该测量系统使用探测光脉冲测量单发太赫兹脉冲的时域波形，所述探测光脉冲为飞秒红外激光，所述测量系统包括：太赫兹单元，探测光单元，合束镜，电光晶体，分束镜，第一成像单元以及第二成像单元；其中，所述太赫兹单元，包括抛物面镜，用于使入射的单发太赫兹脉冲在所述电光晶体聚焦；所述探测光单元，包括延迟组件，阶梯式反射镜以及透镜，用于使入射的探测光脉冲转变为间隔时间均匀的探测光脉冲序列，所述探测光脉冲序列与所述单发太赫兹脉冲的飞行时间重合，且在所述电光晶体聚焦；所述合束镜，用于将所述太赫兹单元出射的所述单发太赫兹脉冲和所述探测光单元出射的所述探测光脉冲序列共线传播至所述电光晶体；所述电光晶体，设置于所述合束镜和所述分束镜之间；所述分束镜，将电光晶体出射的所述探测光脉冲序列按照光强比50/50分成第一脉冲序列和第二脉冲序列两束，分别入射至所述第一成像单元和所述第二成像单元；以及所述第一成像单元和所述第二成像单元，分别包括第一相机和第二相机，所述第一相机对所述第一脉冲序列成像获取第一图像，所述第二相机对所述第二脉冲序列成像获取第二图像，所述第一图像和所述第二图像通过差分技术得到所述单发太赫兹脉冲的时域波形。
进一步地，所述阶梯式反射镜的反射表面为阶梯形状，当所述探测脉冲的波长为800nm时，所述阶梯形状各阶梯设置高度h＝5um，阶梯宽度D＝20um。
具体地，所述太赫兹单元还包括太赫兹线栅，所述探测光单元还包括主偏振片，所述太赫兹线栅和所述主偏振片使所述单发太赫兹脉冲和所述探测光脉冲为偏振方向一致的线偏光。
优选地，所述探测光脉冲序列中，相邻两个脉冲的时间间隔为30fs。
进一步地，所述合束镜反射所述单发太赫兹脉冲，透射所述探测光脉冲序列。
优选地，所述合束镜为Indium Tin Oxide透明导电膜。
进一步地，所述第一相机与所述分束镜之间设置第一偏振片，所述第二相碲机与所述分束镜之间设置第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振方向均与所述主偏振片的偏振方向相互垂直。
进一步地，所述第一偏振片与所述分束镜之间设置第一四分之一波片，所述第二偏振片与所述分束镜之间设置第二四分之一波片。
进一步地，所述第一四分之一波片的主光轴偏转角为α1＝2°，所述第二四分之一波片的主光轴偏转角为α2＝-2°。
优选地，所述电光晶体为碲化锌晶体。
本发明公开的上述技术方案具有如下的有益效果：
1)采用阶梯式反射镜将入射的红外飞秒脉冲分离为脉冲序列，相比于太赫兹脉冲空间分离技术，本发明技术方案具有更高的时间分辨率。
2)采用双臂差分原理探测，通过调节四分之一波片的主光轴偏转角，提高太赫兹单发时域光谱测量的信噪比。
3)采用红外相机拍摄红外光脉冲序列在空间上的强度分布，获取单发太赫兹脉冲一个完整的时域波形，从而获得样品的时域谱、频域谱、介电常数、折射率谱、相位谱、吸收谱、电导率等特性参数，测量重复性高，稳定可靠，适用于不可逆过程的动力学研究。
附图说明
图1是本发明实施例的太赫兹单发测量系统结构示意图；
图2是本发明实施例第一相机和第二相机得到的红外光强空间分布图；
图3是本发明实施例根据附图3差分计算得到的太赫兹时域波形图以及对应的太赫兹频谱图；
图4是本发明实施例阶梯式反射镜的表面结构示意图。
图中各标号分别表示：
1、太赫兹单元；2、探测光单元；3、合束镜；4、电光晶体；5、分束镜；8、单发太赫兹脉冲；9、探测光脉冲；11、抛物面镜；12、反射镜；13、太赫兹线栅；21、延迟组件；22、阶梯式反射镜；23、透镜；24、主偏振片；61、第一成像单元；62、第二成像单元；611、第一相机；621、第二相机；612、第一偏振片；622、第二偏振片；613、第一四分之一波片；623、第二四分之一波片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。
请参阅附图1，本发明实施例的太赫兹单发测量系统结构示意图，由图可知，一种太赫兹单发测量系统，该测量系统使用探测光脉冲9测量单发太赫兹脉冲8的时域波形，探测光脉冲9在本发明实施例采用800nm飞秒红外激光，测量系统包括：太赫兹单元1，探测光单元2，合束镜3，电光晶体4，分束镜5，第一成像单元61以及第二成像单元62；其中，太赫兹单元1包括抛物面镜11和反射镜12，使入射的单发太赫兹脉冲8在电光晶体4聚焦；探测光单元2，包括延迟组件21，阶梯式反射镜22以及透镜23，用于使入射的探测光脉冲9转变为间隔时间均匀的探测光脉冲序列，探测光脉冲序列与单发太赫兹脉冲8的飞行时间重合，且在电光晶体4聚焦；合束镜3，用于将太赫兹单元1出射的单发太赫兹脉冲8和探测光单元2出射的探测光脉冲序列共线传播至电光晶体4；电光晶体4，设置于合束镜3和分束镜5之间；分束镜5，将电光晶体4出射的探测光脉冲序列按照光强比50/50分成第一脉冲序列和第二脉冲序列两束，分别入射至第一成像单元61和第二成像单元62；以及第一成像单元61和第二成像单元62，分别包括第一相机611和第二相机621，第一相机611对第一脉冲序列成像获取第一图像，第二相机621对第二脉冲序列成像获取第二图像，第一图像和第二图像通过差分技术得到单发太赫兹脉冲8的时域波形。具体地，太赫兹单元1还包括使单发太赫兹脉冲8起偏的13，本发明实施例中使用了一个太赫兹线栅13，在其他实施例中，为了增强起偏度，可以使用多个太赫兹线栅13。探测光单元2还包括使探测光脉冲9起偏的主偏振片24，太赫兹线栅13和主偏振片24使单发太赫兹脉冲8和探测光脉冲9偏振方向一致。电光晶体4为碲化锌晶体。合束镜3反射单发太赫兹脉冲8，并透射探测光脉冲序列，合束镜3优选为Indium TinOxide透明导电膜。第一相机611与分束镜5之间设置第一偏振片612，第二相机621与分束镜5之间设置第二偏振片622，第一偏振片612和第二偏振片622的偏振方向均与主偏振片24的偏振方向相互垂直。
特别地，当移除电光晶体4，探测光脉冲序列不再受到电光晶体4调制，这种情况下，由于第一偏振片612与主偏振片24相互垂直，第一相机611为消光的情况。同样的原理适用第二相机621。当如附图1设置电光晶体4，由于晶体散射和应变引起的双折射，主偏振片24和第一偏振片612(或第二偏振片622)的消光比被削弱，使得探测系统的背景噪声增强。实验测量结果显示，消光比可从105下降为300。为了减小系统测量的背景噪声，本发明实施例在第一偏振片612与分束镜5之间设置第一四分之一波片613，在第二偏振片622与分束镜5之间设置第二四分之一波片623。
探测光脉冲序列经过电光晶体4调制，分束后入射至第一成像单元61和第二成像单元62的光矢量模型描述如下：
假设入射的探测光脉冲9的琼斯矢量
电光晶体4的琼斯矩阵为
其中,Δθ是太赫兹脉冲引起的x方向和y方向的相位差。偏转角为α的四分之一波片带来的相位偏移为
其中，偏转角α＝0对应在没有太赫兹脉冲入射情况下，消光比达到最大时四分之一波片主光轴的偏转位置。经过主偏振片24、电光晶体4、四分之一波片和第一偏振片612或第二偏振片622的探测光琼斯矢量表示为：
入射到第一相机611或第二相机621的探测光脉冲9信号强度为:
假设第一四分之一波片613偏转角为α1,第二四分之一波片623偏转角为α2,调节第一四分之一波片613和第二四分之一波片623，使得α1＝-α2＝α,则对第一相机611和第二相机621进行差分处理后，得到
其中，I(α,0)是第一相机611或第二相机621在没有太赫兹脉冲条件下探测到的背景信号。由上式可知，差分处理后的信号强度和太赫兹脉冲电场强度一一对应。而且，本发明实施例的探测系统可以不采集背景信号。
实验上，通过设置第一四分之一波片613和第二四分之一波片623的偏转角可以提高探测到的信号信噪比。优选地，本发明实施例第一四分之一波片613和第二四分之一波片623的偏转角设置为±2°。
本发明实施例实验结果请参阅附图2-图3，附图2中，(a)和(b)分别表示第一相机611和第二相机621在偏转角为±2°的情况下测得的经过太赫兹脉冲调制的探测光脉冲序列图像。附图3中，是由附图2的两个图像进行差分后获取的完整太赫兹时域波形图以及对应的傅立叶变换得到的太赫兹频谱图(除去反射峰之后的频谱图)。
由图可知，在相机550像素点区域附近，第一相机611和第二相机621分别出现了太赫兹脉冲的正调制和负调制，这表明采用双臂探测可以探测到更多的调制信号。
请参阅附图4，本发明实施例阶梯式反射镜22的表面结构示意图，由图可知，阶梯式反射镜22的反射表面为阶梯形状，由很多小的阶梯组成。如图所示，当探测脉冲的波长为800nm时，阶梯形状各阶梯设置高度h＝5um，阶梯宽度D＝20um。阶梯式反射镜22各阶梯通过镜面反射可以将入射的单个探测光脉冲9分为多个彼此分离的探测光脉冲序列。假设各阶梯的宽度和高度之比则从延迟组件21出射的探测光脉冲9的入射角为β,相邻两个阶梯反射的探测光脉冲序列的飞行时间差则为/>其中c为光在真空中的传播速度。在本发明实施例的探测光脉冲序列中，相邻两个脉冲的时间间隔为30fs。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种太赫兹单发测量系统，该测量系统使用探测光脉冲测量单发太赫兹脉冲的时域波形，所述探测光脉冲为飞秒红外激光，其特征在于，所述测量系统包括：太赫兹单元，探测光单元，合束镜，电光晶体，分束镜，第一成像单元以及第二成像单元；
所述太赫兹单元，包括抛物面镜，用于使入射的单发太赫兹脉冲在所述电光晶体聚焦；
所述探测光单元，包括延迟组件，阶梯式反射镜以及透镜，用于使入射的探测光脉冲转变为间隔时间均匀的探测光脉冲序列，所述探测光脉冲序列与所述单发太赫兹脉冲的飞行时间重合，且在所述电光晶体聚焦；
所述合束镜，用于将所述太赫兹单元出射的所述单发太赫兹脉冲和所述探测光单元出射的所述探测光脉冲序列共线传播至所述电光晶体；
所述电光晶体，设置于所述合束镜和所述分束镜之间；
所述分束镜，将电光晶体出射的所述探测光脉冲序列按照光强比50/50分成第一脉冲序列和第二脉冲序列两束，分别入射至所述第一成像单元和所述第二成像单元；
所述第一成像单元和所述第二成像单元，分别包括第一相机和第二相机，所述第一相机对所述第一脉冲序列成像获取第一图像，所述第二相机对所述第二脉冲序列成像获取第二图像，所述第一图像和所述第二图像通过差分技术得到所述单发太赫兹脉冲的时域波形；
其中，所述太赫兹单元还包括太赫兹线栅，所述探测光单元还包括主偏振片，所述太赫兹线栅和所述主偏振片使所述单发太赫兹脉冲和所述探测光脉冲为偏振方向一致的线偏光；所述第一相机与所述分束镜之间设置第一偏振片，所述第二相机与所述分束镜之间设置第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振方向均与所述主偏振片的偏振方向相互垂直；所述第一偏振片与所述分束镜之间设置第一四分之一波片，所述第二偏振片与所述分束镜之间设置第二四分之一波片；所述第一四分之一波片的主光轴偏转角和所述第二四分之一波片的主光轴偏转角满足的关系为大小相等方向相反。
2.根据权利要求1所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述阶梯式反射镜的反射表面为阶梯形状，当所述探测光脉冲的波长为800nm时，所述阶梯形状各阶梯设置高度h＝5um，阶梯宽度D＝20um。
3.根据权利要求1所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述探测光脉冲序列中，相邻两个脉冲的时间间隔为30fs。
4.根据权利要求1所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述合束镜反射所述单发太赫兹脉冲，透射所述探测光脉冲序列。
5.根据权利要求4所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述合束镜为IndiumTinOxide透明导电膜。
6.根据权利要求1所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片的主光轴偏转角分别为±2°。
7.根据权利要求1所述的太赫兹单发测量系统，其特征在于，所述电光晶体为碲化锌晶体。
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