CN206945533U - 小型化太赫兹时域光谱仪 - Google Patents

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曾和平
南君义
李敏
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Abstract

本实用新型提供了一种小型化太赫兹时域光谱仪，其包括飞秒脉冲光纤激光器模块(1)、太赫兹辐射模块(2)、光路扫描模块(3)、仪器控制模块(4)和电源模块(5)，所述飞秒脉冲光纤激光器模块包括两路同步输出的飞秒脉冲光纤激光器；所述太赫兹辐射模块包括透镜、平面反射镜、第一光电导天线、样品平台和镀金离轴抛物面镜；所述光路扫描模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片、直角棱镜、回形反射镜、音圈电机、0°平面反射镜、透镜和第二光电导天线。与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：小型化太赫兹时域光谱仪器采用模块化设计，且各模块均可用同一软件控制，操作便捷。

Description

小型化太赫兹时域光谱仪
技术领域
本实用新型涉及一种小型化太赫兹时域光谱仪，属于太赫兹光谱技术领域。
背景技术
太赫兹(THz)波是介于红外线和毫米波之间的一个特殊频段，通常是指频率在0.1THz到10THz(1THz＝1012Hz)之间。太赫兹波的特殊的性质，给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。太赫兹脉冲光源相比于传统光源主要具有瞬态性、相干性、宽带性、低能性、部分材料穿透性、指纹谱等特点。在过去十几年里，太赫兹应用已经逐渐渗透到物理、传感、通讯、生命科学等领域。
太赫兹时域光谱技术是太赫兹的主要应用之一，在无损检测、毒品检测、粮食选种和安全检查方面有其独特的优势。目前，太赫兹时域光谱技术大多采用光电导天线发射太赫兹波，用光电导天线或者电光采样的方式探测太赫兹波。前者具有结构小巧、探测信噪比高的优点；后者所需的探测脉冲能量低、高灵敏度和探测带宽等优点。为了适应市场的应用需求，太赫兹时域光谱仪需要往小型化、高测量精度、快速测量等方向优化。然而，目前太赫兹时域光谱测量系统大多是建立在实验室里面，系统体积大，便携性差，并且光谱检测速度慢、操作复杂等缺陷。
实用新型内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于光路优化设计的小型化太赫兹时域光谱仪装置。该装置只需将样品放入测量模块中即可对实现对样品快速测量其透射太赫兹光谱，同时采用音圈电机和回形反射镜作为光学延迟线，以及利用飞秒脉冲激光的线偏振特性设计的新型光路优化设计结构，不仅极大节省了空间结构，还可以缩短太赫兹单个信号的测量时间，为太赫兹时域光谱仪的小巧性和实用性设计提供新的方法。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型提供一种小型化太赫兹时域光谱仪，其包括飞秒脉冲光纤激光器模块、太赫兹辐射模块、光路扫描模块、仪器控制模块和电源模块，所述飞秒脉冲光纤激光器模块包括两路同步输出的飞秒脉冲光纤激光器；所述太赫兹辐射模块包括平面反射镜、置于所述平面反射镜后端的透镜、置于所述透镜后端的第一光电导天线、置于所述第一光电导天线后端的样品平台和镀金离轴抛物面镜；所述光路扫描模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片、直角棱镜、回形反射镜、音圈电机、0°平面反射镜、透镜和第二光电导天线，所述四分之一波片设置于偏振分束棱镜的后端，所述直角棱镜设置于四分之一波片的后端，所述回形反射镜设置于直角棱镜的后端，所述音圈电机与回形反射镜固定连接，所述0°平面反射镜置于光路末端，所述透镜置于偏振分束棱镜的另一偏振光路输出端，所述第二光电导天线置于偏振分束棱镜后端。
本实用新型的基本原理为：从飞秒脉冲光纤激光器输出的飞秒脉冲应是线性偏振光，电场矢量既可以是水平方向偏振，也可以是竖直方向偏振。两路同步输出的小型飞秒脉冲光纤激光器出射的飞秒脉冲激光被分成等功率的泵浦光和探测光两部分。泵浦光被聚焦透镜耦合进第一光电导天线上后，在外静电场的作用下辐射出太赫兹波。镀金离轴抛物面镜可以改变太赫兹波的传输方向，使其入射在样品表面。从样品上透射而过的太赫兹波载有一定的样品信息，最后被光路扫描模块中的太赫兹探测器接收。从分束片透射的探测光进入光路扫描模块的偏振分束棱镜中。从偏振分束棱镜反射(或透射)的线性偏振光脉冲经过四分之一波片后变成圆偏振光脉冲，并被直角棱镜的其中一个直角边的前表面反射，通过调整直角棱镜的俯仰，使光束保持准直的入射进固定在音圈电机上的回形反射镜中。光束被回形反射镜以0°反射回后入射在直角棱镜的另一个直角边上，然后入射在一面0°平面反射镜上。控制0°平面反射镜的角度，使探测光束恰好沿原光路返回，经过直角棱镜、回形反射镜以及四分之一波片后，探测光由圆偏振态变成与初始线性偏振方向相正交的线偏振态，最后从偏振分束棱镜中透射(或反射)而出，耦合进第二光电导天线的半导体层。通过控制音圈电机的位置，改变探测光与泵浦光之间的光程差，即可扫描探测出耦合进第二光电导天线中的太赫兹信号。从光路扫描模块中的第二光电导天线中输出的弱电信号经过小型锁相放大器优化放大和数据采集卡A/D转换后送入计算机中进行傅里叶变换、频谱分析等数据处理，即可得到样品的太赫兹时域光谱信息。此外，计算机上有控制全套仪器工作的软件，图形化控制界面，操作简单。
作为优选方案，所述仪器控制模块包括锁相放大器，数据采集卡和计算机。
作为优选方案，所述电源模块包括飞秒脉冲光纤激光器的电源，锁相放大器的电源和电机控制盒及电源。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
1、利用音圈电机和回形反射镜作为光学延迟线，不仅具有结构小巧、器件使用量少等优点，而且音圈电机的移动速度相比机械电机更快，可以提高单个太赫兹脉冲信号的测量速度。此外，由于探测光往返两次经过光学延迟线，所以音圈电机的实际移动光程是音圈电机位移的四倍，因此可以探测到时域更长的太赫兹信号，可提高频谱分辨率。
2、如光路扫描模块中所述的光路优化设计结构，不仅所使用到的器件相比一般的光路中要少，而且结构更加紧凑，可极大节省仪器内部的空间，缩小仪器的平面尺寸。
3、如光路扫描模块中所述的光路优化设计结构，利用了飞秒脉冲激光的线性偏振特性，使光束往返两次通过四分之一波片，偏振态旋转90°后从偏振分束棱镜的另一方向通过。这种光路优化设计方式使得探测光往返两次经过光学延迟线后的功率损耗很小，可以降低对飞秒脉冲光纤激光器的输出功率要求。
4、小型化太赫兹时域光谱仪器采用模块化设计，且各模块均可用同一软件控制，操作便捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型基于光路优化设计的小型化太赫兹时域光谱仪的内部结构示意图；
图2为太赫兹辐射模块组装结构示意图；
图3为光路扫描模块组装结构示意图。
图中：1、飞秒脉冲光纤激光器模块；2、太赫兹辐射模块；21、平面反射镜；22、透镜；23、第一光电导天线；24、镀金离轴抛物面镜；25、样品平台；3、光路扫描模块；4、仪器控制模块；5、电源模块；31、偏振分束棱镜；32、四分之一波片；33、直角棱镜；34、回形反射镜；35、音圈电机；36、0°平面反射镜；37、第二光电导天线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
如图1和图2所示，本实用新型基于光路优化设计的小型化太赫兹时域光谱仪由飞秒脉冲光纤激光器模块1，太赫兹辐射模块2，光路扫描模块3，仪器控制模块4和电源模块5等组成。
飞秒脉冲光纤激光器模块1包括：两路同步输出的小型飞秒脉冲光纤激光器。其中，从飞秒脉冲光纤激光器输出的飞秒脉冲应是线性偏振光，电场矢量既可以是水平方向偏振，也可以是竖直方向偏振，本实例中以激光器输出激光脉冲的偏振方向为水平方向偏振为例。从两路同步输出的小型飞秒脉冲光纤激光器出射的飞秒脉冲激光，被分成等功率的泵浦光和探测光两部分。泵浦光用于产生太赫兹辐射，被入射到太赫兹辐射模块2中；探测光用于辅助探测太赫兹辐射，被入射到光路扫描模块3中。
如图2所示，太赫兹辐射模块2包括：平面反射镜21，透镜22，第一光电导天线23，镀金离轴抛物面镜24和样品平台25。泵浦光平面反射镜21和透镜22被耦合进第一光电导天线23上后，在外静电场的作用下辐射出太赫兹波。镀金离轴抛物面镜24可以改变太赫兹波的传输方向，使其入射在样品25表面。从样品上透射而过的太赫兹波载有一定的样品信息，最后被光路扫描模块3中的太赫兹探测器接收。
如图3所示，光路扫描模块3包括：偏振分束棱镜31，四分之一波片32，直角棱镜33，回形反射镜34，音圈电机35，0°平面反射镜36、透镜22和第二光电导天线37。四分之一波片32设置于偏振分束棱镜31的后端，直角棱镜33设置于四分之一波片32的后端，回形反射镜34设置于直角棱镜33的后端，音圈电机35与回形反射镜34固定连接，0°平面反射镜36置于光路末端，透镜22置于偏振分束棱镜31的另一偏振光路输出端，第二光电导天线37置于偏振分束棱镜31后端。
从小型飞秒脉冲光纤激光器模块1出射的飞秒脉冲激光经过1:1分束片后被分成等功率的泵浦光和探测光两部分。其中透射部分作为探测光，进入光路扫描模块3的偏振分束棱镜31中。由于入射激光脉冲是电场矢量偏振方向水平，因此被偏振分束棱镜以90°角反射，然后经过四分之一波片32变成圆偏振光脉冲，并被直角棱镜33的其中一个直角边的前表面反射，通过调整直角棱镜33的俯仰，使光束保持准直的入射进固定在音圈电机35上的回形反射镜34中。光束被回形反射镜34以0°反射回后入射在直角棱镜33的另一个直角边上，然后入射在一面0°平面反射镜36上。控制0°平面反射镜36的角度，使探测光束恰好沿原光路返回，经过直角棱镜33、回形反射镜34以及四分之一波片32后，探测光由圆偏振态再次变成线偏振态，且偏振方向竖直，最后从偏振分束棱镜31中透射而出，被透镜22聚焦耦合进第二光电导天线37的半导体层。通过计算机上的控制软件可以设置音圈电机的位移和移动速度，改变探测光与泵浦光之间的光程差，即可扫描探测出耦合进第二光电导天线37中的太赫兹的时域信号。
仪器控制模块4包括：小型锁相放大器，数据采集卡和一台计算机。从光路扫描模块3中的第二光电导天线37中输出的弱电信号经过小型锁相放大器优化放大和数据采集卡A/D转换后送入计算机中进行傅里叶变换、频谱分析等数据处理，即可得到样品的太赫兹时域光谱信息。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (3)

1.一种小型化太赫兹时域光谱仪，其特征在于，包括飞秒脉冲光纤激光器模块、太赫兹辐射模块、光路扫描模块、仪器控制模块和电源模块，所述飞秒脉冲光纤激光器模块包括两路同步输出的飞秒脉冲光纤激光器；所述太赫兹辐射模块包括平面反射镜、置于所述平面反射镜后端的透镜、置于所述透镜后端的第一光电导天线、置于所述第一光电导天线后端的样品平台和镀金离轴抛物面镜；所述光路扫描模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片、直角棱镜、回形反射镜、音圈电机、0°平面反射镜、透镜和第二光电导天线，所述四分之一波片设置于偏振分束棱镜的后端，所述直角棱镜设置于四分之一波片的后端，所述回形反射镜设置于直角棱镜的后端，所述音圈电机与回形反射镜固定连接，所述0°平面反射镜置于光路末端，所述透镜置于偏振分束棱镜的另一偏振光路输出端，所述第二光电导天线置于偏振分束棱镜后端。
2.如权利要求1所述的小型化太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述仪器控制模块包括锁相放大器，数据采集卡和计算机。
3.如权利要求1所述的小型化太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述电源模块包括飞秒脉冲光纤激光器的电源，锁相放大器的电源和音圈电机控制盒及音圈电机电源。
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CN109632694A (zh) * 2018-12-26 2019-04-16 深圳市太赫兹科技创新研究院有限公司 太赫兹光谱测试设备及系统
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WO2020135699A1 (zh) * 2018-12-29 2020-07-02 深圳市太赫兹科技创新研究院 一种直线音圈电机

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