CN211426266U - 一种太赫兹波探测装置和太赫兹波探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光谱探测技术领域，提供了一种太赫兹波探测装置和太赫兹波探测仪，太赫兹波探测装置包括飞秒激光器、第一分束器件和第二分束器件、光路调整组件、太赫兹波发射器件和太赫兹波接收器件，飞秒激光器产生的飞秒激光，经过第一分束器件分为太赫兹发生光和抽运光，太赫兹发生光经过第二分束器件分为产生光和探测光。抽运光照射样品，用于使样品处于激发态，产生光和探测光按照一定的延迟分别辐射至太赫兹波发射器件和太赫兹波接收器件，产生的太赫兹波照射样品后被太赫兹波接收器件接收，对样品的瞬态吸收光谱进行探测，进而获得样品中的非平衡载流子分布的动力学过程，同时大大简化了太赫兹波探测装置的光路结构。

Description

一种太赫兹波探测装置和太赫兹波探测仪

技术领域

本实用新型涉及光谱探测技术领域，特别涉及一种太赫兹波探测装置和太赫兹波探测仪。

背景技术

随着科学技术的不断发展，半导体材料在一些高科技产品中被广泛应用，无论是在科学研究还是工业生产领域都将发挥越来越重要的作用。通过对半导体光生载流子动力学特性的研究，可以获得其载流子产生和复合的信息，进一步了解其微观动力学机制，为提高半导体材料与器件性能奠定良好的理论基础，为高速光电器件的设计与研制提供重要的实验参考。

光泵浦太赫兹波探测技术是一项新兴的具有良好应用前景的超快载流子动力学研究技术。该技术是通过太赫兹波频段(0.1THz-10THz)的红外光脉冲泵浦样品，然后利用同步产生的太赫兹波脉冲探测来实现载流子动力学特性测量的。相比传统的基于霍尔效应以及其他光学探测方法，太赫兹波对半导体表面载流子的分布变化极其敏感，很适合用来反应载流子信息，同时又不会损坏样品。利用太赫兹波脉冲探测可以实现亚皮秒量级的时间分辨率，更能详细地观测到半导体样品中载流子运动过程，同时通过调节光路中探测脉冲与泵浦脉冲的时间延迟，能够直观地反应通过样品的太赫兹波信号光致变化所呈现出来的载流子动力学信息。相对于太赫兹波时域光谱技术，光泵浦太赫兹波探测技术更为复杂，前者得到的是样品的静态特性，后者则得到的是物质的动态变化信息。

现有的太赫兹波探测装置，虽然能够对样品接收不同条件的抽运光照射后的太赫兹波吸收率进行探测，但是存在设备庞大而复杂的问题，往往需要延时器和斩波器等对抽运光进行处理。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太赫兹波探测装置，旨在解决传统的太赫兹波探测装置设备庞大复杂，需要大量光学设备对光路进行处理的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种太赫兹波探测装置，包括飞秒激光器、第一分束器件和第二分束器件、光路调整组件、太赫兹波发射器件和太赫兹波接收器件，所述飞秒激光器产生的飞秒激光，经过所述第一分束器件分为太赫兹发生光和抽运光，所述太赫兹发生光经过所述第二分束器件分为产生光和探测光，所述光路调整组件用于引导所述抽运光照射样品、引导所述产生光进入所述太赫兹波发射器件和引导所述探测光进入所述太赫兹波接收器件，所述抽运光直接照射样品，用于激发样品中的载流子以使样品处于激发态，所述太赫兹波发射器件在所述产生光作用下产生太赫兹波，用于照射所述样品并获得样品信息，所述太赫兹波接收器件在所述探测光的作用下探测太赫兹波，用于探测携带有样品信息的太赫兹波。

在本实用新型的一个实施例中，所述光路调整组件包括多个可倒伏面镜，所述可倒伏面镜用于控制所述太赫兹波探测装置在透射探测模式和反射探测模式之间切换。

在本实用新型的一个实施例中，所述可倒伏面镜包括第一可倒伏面镜，所述光路调整组件还包括相对设置的第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜的中心射线轴和所述第二离轴抛物面镜的中心射线轴平行且同向，所述第一离轴抛物面镜的抛物线X轴和所述第二离轴抛物面镜的抛物线X轴处于同一条直线，所述太赫兹波发射器件正对所述第一离轴抛物面镜设置且与其中心射线轴平行，所述太赫兹波接收器件正对所述第二离轴抛物面镜设置且与其中心射线轴平行，所述第一可倒伏面镜设置于所述第一离轴抛物面镜的中心射线轴和所述第二离轴抛物面镜的中心射线轴的中间线上。

在本实用新型的一个实施例中，所述可倒伏面镜还分为第二可倒伏面镜和第三可倒伏面镜，所述第二可倒伏面镜和所述第三可倒伏面镜关于所述中间线对称设置于所述第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜之间的位置。

在本实用新型的一个实施例中，所述光路调整组件还包括第一可移动面镜组、第二可移动面镜组和第三可移动面镜组，所述第一可移动面镜组设置于所述第一分束器件和所述第二分束器件之间的光路上，用于调整所述太赫兹发生光的光程；所述第二可移动面镜组设置于所述第一分束器件和所述第一可倒伏面镜之间的光路上，用于调整所述抽运光的光程；所述第三可移动面镜组设置于所述第二分束透镜和所述太赫兹波发射器件之间的光路上，用于调整所述产生光的光程。

在本实用新型的一个实施例中，所述太赫兹波探测装置还包括扫描控制面镜组，所述扫描控制面镜组设置于所述第二分束器件和所述太赫兹波接收器件之间的光路上，用于控制所述探测光的光程动态变化。

在本实用新型的一个实施例中，所述太赫兹波探测装置还包括锁相放大器，所述锁相放大器与所述太赫兹波接收器件信号连接，用于对所述太赫兹波接收器件接收到的太赫兹波信号进行采集与处理。

本实用新型的另一目的在于提供一种包括了如上所述的太赫兹波探测装置的太赫兹波探测仪，所述太赫兹波探测仪还包括电机，所述电机用于控制所述光路调整组件的姿态。

实施本实用新型的一种太赫兹波探测装置和太赫兹波探测仪，至少具有以下有益效果：

通过第一分束器件和第二分束器件将飞秒激光器发出的飞秒激光分为产生光、探测光和抽运光，利用光路调整组件调整抽运光和太赫兹发生光的光程，进而使得产生光和探测光对同时照射不同时长抽运光激发条件下的样品，对其瞬态吸收光谱进行探测，进而获得样品中的非平衡载流子分布的动力学过程，在保证太赫兹波探测装置对样本的探测效果的基础上，大大简化了太赫兹波探测装置的光路结构。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一提供的太赫兹波探测装置在反射探测模式下的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的太赫兹波探测装置在透射探测模式下的结构示意图；

图3是本实用新型实施例二提供的太赫兹波探测装置在反射探测模式下的结构示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-飞秒激光器；21-第一分束器件；211-第一1/2波片；212-第一分束镜；22-第二分束器件；221-第二1/2波片；222-第二分束镜；301-第一离轴抛物面镜；302-第二离轴抛物面镜；311-第一可倒伏面镜；312-第二可倒伏面镜；313-第三可倒伏面镜；321-第一可移动面镜组；322-第二可移动面镜组；323-第三可移动面镜组；33-扫描控制面镜组；341-第一反射面镜；342-第二反射面镜；41-太赫兹波发射器件；42-太赫兹波接收器件；5-样品。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本实用新型所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1至图3，本实用新型实施例提供一种太赫兹波探测装置，包括飞秒激光器1、第一分束器件21和第二分束器件22、光路调整组件、太赫兹波发射器件41和太赫兹波接收器件42，飞秒激光器1产生的飞秒激光，经过第一分束器件21分为太赫兹发生光和抽运光，太赫兹发生光经过第二分束器件22分为产生光和探测光，光路调整组件用于引导抽运光照射样品5、引导产生光进入太赫兹波发射器件41和引导探测光进入太赫兹波接收器件42，抽运光直接照射样品5，用于激发样品5中的载流子以使样品5处于激发态，太赫兹波发射器件41在产生光作用下产生太赫兹波，用于照射样品5并获得样品5的太赫兹波吸收强度等信息，太赫兹波接收器件42在探测光的作用下探测太赫兹波，用于探测携带有样品5的信息的太赫兹波。

具体而言，本实施例提供的太赫兹波探测装置是这样工作的，飞秒激光器1发出的飞秒激光，在第一分束器件21和第二分束器件22的作用下被分为产生光、探测光和抽运光，进一步的在光路调整组件的作用下分别被引导至太赫兹波发射器件41、太赫兹波接收器件42和样品5，抽运光照射样品5，使样品5产生光生载流子，导带中的电子和价带中的空穴受激并占据更高能态。此时样品5由于更为接近其饱和吸收状态，对太赫兹波光的透过率或者反射率降低，而随着抽运光波长的变化和抽运光照射时长的变化，样品5被激发的程度存在一定不同，这一不同可以通过对产生光和探测光的吸收水平进行观测。因此，在抽运光波长不同和照射时长不同时，用经过太赫兹波发射器件41在产生光的作用下产生的太赫兹波照射样品5，带有样品5的太赫兹波吸收率等信息的太赫兹波，由探测光作用下的太赫兹波接收器件42接收，经进一步分析即可测得样品5在不同波长、不同时长的抽运光照射下，样本在激发过程中各个时间点的瞬态吸收光谱，最终获得样品5中非平衡载流子分布的动力学过程。

本实施例提供的太赫兹波探测装置的优点包括：通过第一分束器件21和第二分束器件22将飞秒激光器1发出的飞秒激光分为产生光、探测光和抽运光，利用光路调整组件调整抽运光和太赫兹发生光的光程，进而使得产生光和探测光对同时照射不同时长抽运光激发条件下的样品5，对其瞬态吸收光谱进行探测，进而获得样品5中的非平衡载流子分布的动力学过程，在保证太赫兹波探测装置对样本5的探测效果的基础上，大大简化了太赫兹波探测装置的光路结构。

作为本实施例的一个具体方案，第一分束器件21包括第一1/2波片211和第一分束镜212，第二分束器件22包括第二1/2波片221和第二分束镜222。

请参阅图1至图3，在本实用新型的一个实施例中，光路调整组件包括多个可倒伏面镜，可倒伏面镜用于控制太赫兹波探测装置在透射探测模式和反射探测模式之间切换。

一般的实验过程中，需要对样品5的透射太赫兹波光谱和反射太赫兹波光谱进行测量，对此，本实施例提供的太赫兹波探测装置设置有多个可倒伏面镜，用于切换太赫兹波探测装置的工作状态，使之能够在透射光探测模式和反射光探测模式之间灵活、快速地切换，而不需在切换模式时反复拆装光学器件并调整光路，极大地简化了太赫兹波探测装置切换探测模式的流程，提高了太赫兹波探测装置的工作效率，同时由于只需要控制多个可倒伏密切面镜的倒伏或者立起的状态即可实现探测模式的切换，可以很容易地通过自动化的控制设备实现探测模式的切换，提高了太赫兹波探测器的自动化水平。

请参阅图1至图3，在本实用新型的一个实施例中，可倒伏面镜包括第一可倒伏面镜311，以及相对设置的第一离轴抛物面镜301和第二离轴抛物面镜302，第一离轴抛物面镜301的中心射线轴和第二离轴抛物面镜302的中心射线轴平行且同向，第一离轴抛物面镜301的抛物线X轴和第二离轴抛物面镜302的抛物线X轴处于同一条直线，太赫兹波发射器件41正对第一离轴抛物面镜301设置且与其中心射线轴平行，太赫兹波接收器件42正对第二离轴抛物面镜302设置且与其中心射线轴平行，第一可倒伏面镜311设置于第一离轴抛物面镜301的中心射线轴和第二离轴抛物面镜302的中心射线轴的中间线上。具体而言，第一可倒伏面镜311竖起时，装置处于反射探测模式，第一可倒伏面镜311倒伏时，装置处于透射探测模式，也就是说，第一可倒伏面镜311能够改变抽运光的入射方向，使得抽运光能够以更小的入射角照射样品5表面，在不同的探测模式中都能高效地激发样品5。

作为本实施例的一个可选方案，第一可倒伏面镜311在竖起时可以将抽运光偏折，并使之向一个方向稍稍偏离第一离轴抛物面镜301和第二离轴抛物面镜302的中心射线轴的中间线，透射探测时的样品5位置向该中间线的另一个方向稍稍偏离，使得反射探测模式下的抽运光不会照射到透射探测模式的样品5台，这样，反射探测模式下的样品5可以设置于该中间线上的任何位置，可以分别设置反射探测样品5台和透射探测样品5台，提高了探测模式切换的效率。

请参阅图3，在本实用新型的一个实施例中，可倒伏面镜还分为第二可倒伏面镜312和第三可倒伏面镜313，第二可倒伏面镜312和第三可倒伏面镜313关于中间线对称设置于第一离轴抛物面镜301和第二离轴抛物面镜302之间的位置。这样，不需要调整太赫兹波发射装置相对于第一离轴抛物面镜301的径向位置，亦不需要调整太赫兹波接收装置相对于第二离轴抛物面镜302的径向位置，即可实现透射探测模式和反射探测模式的切换。

请参阅图1至图3，在本实用新型的一个实施例中，光路调整组件还包括第一可移动面镜组321、第二可移动面镜组322和第三可移动面镜组323，第一可移动面镜组321设置于第一分束器件21和第二分束器件22之间的光路上，用于调整太赫兹发生光的光程；第二可移动面镜组322设置于第一分束器件21和第一可倒伏面镜311之间的光路上，用于调整抽运光的光程；第三可移动面镜组323设置于第二分束透镜和太赫兹波发射器件41之间的光路上，用于调整产生光的光程。

对于太赫兹波探测装置，需要产生光和探测光同时到达样品5处，需要产生光和探测光在系统控制下，以一定的延迟在抽运光之后到达样品5处，设置第一可移动面镜组321、第二可移动面镜组322和第三可移动面镜组323可以对光路进行调整，使得脉冲长度很短的飞秒激光按照预定的时间规律到达和样品5处，并进一步地被太赫兹波接收装置42接受。

请参阅图1至图3，在本实用新型的一个实施例中，太赫兹波探测装置还包括扫描控制面镜组33，扫描控制面镜组33设置于第二分束器件22和太赫兹波接收器件42之间的光路上，用于控制探测光的光程动态变化。扫描控制面镜组33可以控制对照的光程在微小的范围内动态变化，这样，可以对在接收到抽运光在以不同的照射时长照射样本5的条件下样品5的透射与反射特性进行探测。

在本实用新型的一个实施例中，太赫兹波探测装置还包括锁相放大器(途中未示出)，锁相放大器与太赫兹波接收器件42信号连接，用于对太赫兹波接收器件42接收到的太赫兹波信号进行采集与处理，同时能够起到提高信噪比的作用。

本实用新型的另一目的在于提供一种包括了如上所述的太赫兹波探测装置的太赫兹波探测仪，太赫兹波探测仪还包括电机(图中未示出)，电机用于控制光路调整组件的姿态。作为本实施例的一个具体方案，太赫兹波探测仪设置有多个电机，分别用于调整第一可倒伏透镜311、第二可倒伏透镜312和第三可倒伏透镜313的姿态，以及第一可移动面镜组321、第二可移动面镜组322、第三可移动面镜组323和扫描控制面镜组33的位置。

下面以几个具体的实施方式对本实用新型提供的太赫兹波探测装置和探测仪的优点进行说明。应当理解，以下所述仅为本实用新型的可选实施例而已，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。

实施例一

请参阅图1和图2，本实施例提供了一种太赫兹波探测装置，包括飞秒激光器1、第一分束器件21和第二分束器件22、光路调整组件、太赫兹波发射器件41和太赫兹波接收器件42，飞秒激光器1产生的飞秒激光，经过第一分束器件21分为太赫兹发生光和抽运光，太赫兹发生光经过第二分束器件22分为产生光和探测光，光路调整组件用于引导抽运光照射样品5、引导产生光进入太赫兹波发射器件41和引导探测光进入太赫兹波接收器件42，抽运光直接照射样品5，用于激发样品5中的载流子以使样品5处于激发态，产生光经太赫兹波发射器件41整流并照射样品5后，被太赫兹波接收器件42接收，太赫兹波接收器件42用于接收探测光和产生光；光路调整组件还包括第一可倒伏面镜311，以及相对设置的第一离轴抛物面镜301和第二离轴抛物面镜302，第一离轴抛物面镜301的中心射线轴和第二离轴抛物面镜302的中心射线轴平行且同向，第一离轴抛物面镜301的抛物线X轴和第二离轴抛物面镜302的抛物线X轴处于同一条直线，太赫兹波发射器件41正对第一离轴抛物面镜301设置且与其中心射线轴平行，太赫兹波接收器件42正对第二离轴抛物面镜302设置且与其中心射线轴平行，第一可倒伏面镜311设置于第一离轴抛物面镜301的中心射线轴和第二离轴抛物面镜302的中心射线轴的中间线上。

在本实施例中，光路调整组件还包括第一可移动面镜组321、第二可移动面镜组322和第三可移动面镜组323，第一可移动面镜组321设置于第一分束器件21和第二分束器件22之间的光路上，用于调整太赫兹发生光的光程；第二可移动面镜组322设置于第一分束器件21和第一可倒伏面镜311之间的光路上，用于调整抽运光的光程；第三可移动面镜组323设置于第二分束透镜和太赫兹波发射器件41之间的光路上，用于调整产生光的光程。

在透射探测模式下，第一可倒伏面镜311倒伏，抽运光从第一离轴抛物面镜301的左侧射入并照射样品5，产生光在第一离轴抛物面镜301的作用下准直并从左侧射入样品5，并经第二离轴抛物面镜302的反射射入太赫兹波接受器件；在反射探测模式下，第一可倒伏面镜311，抽运光从上方射入并照射样品5，产生光在第一离轴抛物面镜301的作用下准直并从左侧射入，经第一反射面镜341反射后照射样品5，经样品5反射后经第二反射面镜342反射，射入第二离轴抛物面镜302。第一反射面镜341和第二反射面镜342不会在透射探测模式下阻挡产生光。

在本实施例中，太赫兹波探测装置还包括扫描控制面镜组33，扫描控制面镜组33设置于第二分束器件22和太赫兹波接收器件42之间的光路上，用于控制探测光的光程动态变化。

实施例二

请参阅图3，本实施例中的太赫兹波探测装置的布置于实施例一类似，不同之处在于：第一反射面镜341和第二反射面镜342设置于透射模式探测时产生光的光路上，第一反射面镜341和第二反射面镜342采用可倒伏面镜，也就是说，分别以第二可倒伏面镜312和第三可倒伏面镜313代替第一反射面镜341和第二反射面镜342，这样可以在切换探测模式时不需要对太赫兹波发射器件41和太赫兹波接收器件42的距离进行调整，提高了模式切换的效率，方便自动化切换探测模式。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例而已，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 (8)

1.一种太赫兹波探测装置，其特征在于，包括飞秒激光器、第一分束器件和第二分束器件、光路调整组件、太赫兹波发射器件和太赫兹波接收器件，所述飞秒激光器产生的飞秒激光，经过所述第一分束器件分为太赫兹发生光和抽运光，所述太赫兹发生光经过所述第二分束器件分为产生光和探测光，所述光路调整组件用于引导所述抽运光照射样品、引导所述产生光进入所述太赫兹波发射器件和引导所述探测光进入所述太赫兹波接收器件，所述抽运光直接照射样品，用于激发样品中的载流子以使样品处于激发态，所述太赫兹波发射器件在所述产生光作用下产生太赫兹波，用于照射所述样品并获得样品信息，所述太赫兹波接收器件在所述探测光的作用下探测太赫兹波，用于探测携带有样品信息的太赫兹波。

2.如权利要求1所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述光路调整组件包括多个可倒伏面镜，所述可倒伏面镜用于控制所述太赫兹波探测装置在透射探测模式和反射探测模式之间切换。

3.如权利要求2所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述可倒伏面镜包括第一可倒伏面镜，所述光路调整组件还包括相对设置的第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜的中心射线轴和所述第二离轴抛物面镜的中心射线轴平行且同向，所述第一离轴抛物面镜的抛物线X轴和所述第二离轴抛物面镜的抛物线X轴处于同一条直线，所述太赫兹波发射器件正对所述第一离轴抛物面镜设置且与其中心射线轴平行，所述太赫兹波接收器件正对所述第二离轴抛物面镜设置且与其中心射线轴平行，所述第一可倒伏面镜设置于所述第一离轴抛物面镜的中心射线轴和所述第二离轴抛物面镜的中心射线轴的中间线上。

4.如权利要求3所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述可倒伏面镜还分为第二可倒伏面镜和第三可倒伏面镜，所述第二可倒伏面镜和所述第三可倒伏面镜关于所述中间线对称设置于所述第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜之间的位置。

5.如权利要求4所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述光路调整组件还包括第一可移动面镜组、第二可移动面镜组和第三可移动面镜组，所述第一可移动面镜组设置于所述第一分束器件和所述第二分束器件之间的光路上，用于调整所述太赫兹发生光的光程；所述第二可移动面镜组设置于所述第一分束器件和所述第一可倒伏面镜之间的光路上，用于调整所述抽运光的光程；所述第三可移动面镜组设置于所述第二分束透镜和所述太赫兹波发射器件之间的光路上，用于调整所述产生光的光程。

6.如权利要求5所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述太赫兹波探测装置还包括扫描控制面镜组，所述扫描控制面镜组设置于所述第二分束器件和所述太赫兹波接收器件之间的光路上，用于控制所述探测光的光程动态变化。

7.如权利要求1-6任一项所述的太赫兹波探测装置，其特征在于，所述太赫兹波探测装置还包括锁相放大器，所述锁相放大器与所述太赫兹波接收器件信号连接，用于对所述太赫兹波接收器件接收到的太赫兹波信号进行采集与处理。

8.一种太赫兹波探测仪，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的太赫兹波探测装置，所述太赫兹波探测仪还包括电机，所述电机用于控制所述光路调整组件的姿态。

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