CN204346910U - 一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于太赫兹成像技术领域，具体涉及一种多幅太赫兹瞬态时域光谱成像仪。本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，通过将飞秒激光脉冲分割，各个脉冲之间具有一定的时间延迟。然后将此序列分为两路，一路用于产生太赫兹脉冲序列，另一路通过倾斜前沿脉冲光产生装置，产生具有前沿倾斜的探测光脉冲，实现对太赫兹脉冲的单次瞬态测量；结合信号采集及处理模块，对各个探测脉冲进行成像，就可以获得多个太赫兹脉冲序列的各个子脉冲的波形信息。本实用新型通过飞秒脉冲激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶体、信号采集及处理模块完成太赫兹脉冲序列的多个子脉冲波形信息的测量。

Description

一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪

技术领域

本发明属于太赫兹时域光谱成像系统研究技术领域，具体涉及一种多幅太赫兹瞬态时域光谱成像仪。

背景技术

近年来太赫兹时域光谱技术发展迅速，利用太赫兹时域光谱技术对材料超快动力学的研究取得了丰富的成果。该技术适合于可重复的（可逆的）材料超快动力学过程的研究，但对于单次的不可逆的材料超快动力学行为就无能为力了。原因如下：传统的太赫兹时域光谱系统大多基于电光效应对太赫兹脉冲的时域电场信号进行探测，为了提高信噪比，一般在测量中会使用锁相放大器，使用多次测量取平均的方法，对可逆的超快过程逐点多次测量，以获取完整的材料超快动力学过程的信息。近年来又发明了太赫兹脉冲单次测量的方法,可以实现对单个太赫兹脉冲进行时域信号的测量,不必进行多次重复的测量。但是这些方法也只能实现对单个太赫兹脉冲的测量，无法实现对包含多个太赫兹脉冲的太赫兹脉冲序列进行高速的单次测量。在材料不可逆的（即单次过程）超快动态过程的太赫兹光谱研究中，需要对太赫兹探测脉冲进行连续多次的瞬态测量，上述两种方法不再适用，而且目前尚没有有效的方法实现对太赫兹脉冲的多次瞬态测量。

实用新型内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，通过将飞秒探测激光脉冲分割成多个子脉冲序列，各个脉冲之间具有一定的时间延迟。然后将此序列分为两路，一路用于产生太赫兹脉冲序列，另一路通过倾斜前沿脉冲光产生装置，产生具有倾斜前沿的探测光，实现对太赫兹脉冲的单次瞬态测量；结合信号采集及处理模块，对太赫兹脉冲序列的多个子脉冲的信号波形进行成像。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪包括：飞秒脉冲激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶体、信号采集及处理模块；飞秒激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置输入端依次连接，分光延迟装置输出端分别对应于倾斜前沿脉冲光产生装置输入端、太赫兹产生装置输入端连接，倾斜前沿脉冲光产生装置输出端、太赫兹产生装置输出端与电光效应晶体输入端连接，电光效应晶体输出端与信号采集及处理模块连接。

进一步，所述分光延迟装置包括k+1个分束棱镜和2k个反射镜，k大于等于1；负啁啾脉冲产生装置输出的负线性的啁啾脉冲光通过第一分束棱镜BS1后被分为两路脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第二分束棱镜BS2；另一路脉冲光被第一分束棱镜BS1反射到第一反射镜M1，在经过第二反射镜M2后，到达第二分束棱镜BS2，因此经过第一分束棱镜BS1的两路脉冲光先后到达第二分束棱镜BS2，以此类推，到达第k个分束棱镜的脉冲光被分为两束脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第k+1个分束棱镜BS（k+1）；另一路脉冲光被反射到第（2k-1）个反射镜，再经过第2k个反射镜后，再到达第k+1个分束棱镜BS（k+1）；最后的第k+1个分束棱镜BS（k+1）产生两路脉冲光输出。

进一步，所述负啁啾脉冲光产生装置包括第一光栅对（第一光栅对包括第一光栅G1、第二光栅G2）、第十一反射镜M8、第十二反射镜M9以及第一分束片B1；所述飞秒脉冲激光器产生的飞秒激光脉冲通过第一分束片B1以及第一光栅对（先经过光栅G1、再经过光栅G2）后再通过第一反射镜M8反射回第一光栅对（先经过光栅G2、再经过光栅G1）后,产生负线性的啁啾脉冲光；所述负线性的啁啾脉冲光经过第一分束片B1以及第二反射镜M9后输出至分光延迟装置。

进一步，所述太赫兹脉冲产生装置包括第一聚焦透镜L1、第一非线性晶体C1、聚乙烯平板PE以及第一抛物面反射镜OAP1；所述分光延迟装置经过第k+1个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中一路脉冲光依次经过第一聚焦透镜L1、照射到第一非线性晶体C1上产生太赫兹脉冲序列，然后太赫兹脉冲序列经过聚乙烯平板PE以及第一抛物面反射镜OAP1后，入射到电光效应晶体中。

进一步，所述倾斜前沿脉冲光产生装置包括光栅G3、第十三反射镜M10、第二聚焦透镜L2、第一起偏器P1以及第二抛物面反射镜OAP2；所述分光延迟装置经过第k+1个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中另一路脉冲光经过光栅G3后,其一级衍射光变为具有倾斜前沿的脉冲光,依次经过第十三反射镜M10、第二聚焦透镜L2、第一起偏器P1以及第二抛物面反射镜OAP2上的小孔后，入射到电光效应晶体中。

进一步的，所述电光效应晶体是第二非线性晶体C2。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过分光延迟装置将一个飞秒脉冲调制为具有不同时间延迟的两路飞秒脉冲序列信号，其中一路飞秒脉冲序列用于产生太赫兹脉冲序列,另一路飞秒脉冲序列经过倾斜前沿脉冲产生装置产生具有倾斜前沿的探测脉冲序列,并与太赫兹脉冲序列一同进入非线性晶体,可以实现对太赫兹脉冲序列的瞬态单次测量,结合信号采集及处理模块,可以实现对包含多个太赫兹脉冲的太赫兹脉冲序列的高速多幅测量.本发明可以应用于对不可逆的单次的材料超快动力学过程的太赫兹时域光谱的研究。

附图说明

图1是本发明原理框图。

图2是负啁啾脉冲光产生装置。

图3是本发明实施例一产生8个子脉冲的分光延迟装置。

图4是倾斜前沿脉冲光产生装置以及太赫兹产生装置原理框图。

图5是信号采集及处理模块原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

1、本发明的工作原理为：参考图1所示，将飞秒激光脉冲通过负啁啾脉冲光产生装置，产生具有负线性啁啾的脉冲，然后通过分光延迟装置，产生两路各带有多个子脉冲的飞秒脉冲序列；其中一路飞秒脉冲序列通过太赫兹产生装置（细节：使用聚焦透镜将飞秒脉冲序列聚焦到非线性晶体（如ZnTe、GaP等）上，即可产生太赫兹脉冲序列）产生具有多个子脉冲的太赫兹脉冲序列）；另一路飞秒脉冲序列通过倾斜前沿脉冲光产生装置，将各个子脉冲转化为具有倾斜脉冲前沿的脉冲光，并与待测的太赫兹脉冲序列同时进入电光效应晶体。然后通过信号采集及处理模块进行数据处理。

2、结构：

1、如图2所示，所述负啁啾脉冲光产生装置包括第一光栅对（第一光栅对包括第一光栅G1、第二光栅G2）、第十一反射镜M8、第十二反射镜M9以及第一分束片B1；所述飞秒脉冲激光器产生的飞秒激光脉冲通过第一分束片B1以及第一光栅对（先经过光栅G1、再经过光栅G2）后再通过第一反射镜M8反射回第一光栅对（先经过光栅G2、再经过光栅G1）后,产生负线性的啁啾脉冲光；所述负线性的啁啾脉冲光经过第一分束片B1以及第二反射镜M9后输出至分光延迟装置。

2、如图3所述，分光延迟装置包括k+1个分束棱镜和2k个反射镜，k大于等于1；负啁啾脉冲产生装置输出的负线性的啁啾脉冲光通过第一分束棱镜BS1后被分为两路脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第二分束棱镜BS2；另一路脉冲光被第一分束棱镜BS1反射到第一反射镜M1，在经过第二反射镜M2后，到达第二分束棱镜BS2，因此经过第一分束棱镜BS1的两路脉冲光先后到达第二分束棱镜BS2，以此类推，到达第k个分束棱镜的脉冲光后被分为两束脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第k+1个分束棱镜BS（k+1）；另一路脉冲光被反射到第（2k-1）个反射镜，在经过第2k个反射镜后，再到达第k+1个分束棱镜BS（k+1）；最后的第k+1个分束棱镜BS（k+1）产生两路脉冲光输出；其中脉冲光从第i个分束棱镜到第i+1个分束棱镜之间两种路线之间的时间差设为                                               ，总共有k个时间差，，并且满足，即第i+1个时间差大于前面i个时间差的总和。

3、如图4所示，太赫兹脉冲产生装置包括第一聚焦透镜L1、第一非线性晶体C1、聚乙烯平板PE以及第一剖物面反射镜OAP1。其中第一非线性晶体C1作用是产生太赫兹脉冲。聚乙烯平板PE作用是将飞秒光阻挡住而允许太赫兹脉冲透过。第一抛物面反射镜OAP1作用是将太赫兹脉冲变为准直光。如图4所示，具体工作过程是：飞秒脉冲光序列经过第一聚焦透镜L1后照射到第一非线性晶体C1上，会由于非线性光学作用而产生太赫兹脉冲，聚乙烯平板PE将飞秒脉冲光阻挡住而允许太赫兹脉冲透过。然后第一抛物面反射镜OAP1将太赫兹脉冲变为准直平行光，而后经过第二抛物面反射镜OAP2聚焦到第二非线性晶体C2上。

4、倾斜前沿脉冲光产生装置包括光栅G3、第十三反射镜M10、第二聚焦透镜L2、第一起偏器P1以及第二剖物面反射镜OAP2。如图4所示。具体工作过程是：探测光脉冲序列经过光栅G3后，其一级衍射光产生带有倾斜脉冲前沿的探测脉冲光序列，经过第十三反射镜M10、第二聚焦透镜L2聚焦后通过第一起偏器及第二抛物面反射镜上的小孔，聚焦进入第二非线性晶体（电光效应晶体）上。

5、非线性晶体，为电光效应晶体，如ZnTe等。由太赫兹脉冲产生装置产生的太赫兹脉冲与由倾斜前沿脉冲光产生装置产生的具有倾斜前沿的探测脉冲序列一同进入电光效应晶体。

6、信号采集及处理模块包括第一检偏器P2、高速分幅相机。对携带太赫兹脉冲序列多个子脉冲的信号波形信息的倾斜前沿探测脉冲序列分别进行成像，并对每一个探测脉冲的成像结果进行数据分析和处理。数据分析和处理方法参考由Yoichi Kawada等人2011年在光学快报（Optics Express）上发表的：

（Single-shot terahertz spectroscopy using pulse-front tilting of an ultra-short probe pulse, Optics Express, Vol. 19, No. 12, 11228-11235）《使用倾斜脉冲前沿的超短探测脉冲对太赫兹光谱的单次测量》中的第2-4页内容。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于包括：飞秒脉冲激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶体、信号采集及处理模块；飞秒激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置输入端依次连接，分光延迟装置输出端分别对应于倾斜前沿脉冲光产生装置输入端、太赫兹产生装置输入端连接，倾斜前沿脉冲光产生装置输出端、太赫兹产生装置输出端与电光效应晶体输入端连接，电光效应晶体输出端与信号采集及处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述分光延迟装置包括k+1个分束棱镜和2k个反射镜，k大于等于1；负啁啾脉冲产生装置输出的负线性的啁啾脉冲光通过第一分束棱镜后被分为两路脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第二分束棱镜；另一路脉冲光被第一分束棱镜反射到第一反射镜，再经过第二反射镜后，到达第二分束棱镜，因此经过第一分束棱镜的两路脉冲光先后到达第二分束棱镜，以此类推，到达第k个分束棱镜的脉冲光后被分为两束脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第k+1个分束棱镜；另一路脉冲光被反射到第2k-1个反射镜，再经过第2k个反射镜后，再到达第k+1个分束棱镜；最后的第k+1个分束棱镜产生两路脉冲光输出。

3.根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述负啁啾脉冲光产生装置包括第一光栅对、第十一反射镜、第十二反射镜以及第一分束片；所述飞秒脉冲激光器产生的飞秒激光脉冲通过第一分束片以及第一光栅对后再通过第一反射镜反射回第一光栅对后,产生负线性的啁啾脉冲光；所述负线性的啁啾脉冲光经过第一分束片以及第二反射镜后输出至分光延迟装置。

4.根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述太赫兹脉冲产生装置包括第一聚焦透镜、第一非线性晶体、聚乙烯平板以及第一抛物面反射镜；所述分光延迟装置经过第k+1个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中一路脉冲光依次经过第一聚焦透镜、照射到第一非线性晶体上产生太赫兹脉冲序列，然后产生的太赫兹脉冲序列经过聚乙烯平板PE以及第一抛物面反射镜后，入射到电光效应晶体中。

5.根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述倾斜前沿脉冲光产生装置包括光栅、第十三反射镜、第二聚焦透镜、第一起偏器以及第二抛物面反射镜；所述分光延迟装置经过第k+1个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中另一路脉冲光经过光栅后,其一级衍射光变为具有倾斜前沿的脉冲光,并依次经过第十三反射镜、第二聚焦透镜、第一起偏器以及第二抛物面反射镜上的小孔后，入射到电光效应晶体中。

6.根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述电光效应晶体是第二非线性晶体。