CN212843972U - 一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光系统领域，具体涉及瞬态光谱观测技术，公开了一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块，包括供太赫兹光依次通过的第四离轴抛物面镜、第二气体喷嘴、短通滤光片、第二汇聚透镜和可见光谱仪，所述的第二气体喷嘴处喷出氮气或惰性气体作为非线性介质。本实用新型经过样本的太赫兹光序列和外界来激光进行共线重合以产生四波混频信号，最终进入光谱探测模块进行成像显示。四波混频的产生，在氮气或惰性气体作为非线性介质的环境下进行，有效的提高了太赫兹光的宽谱测量。

Description

一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块

技术领域

本实用新型涉及激光系统领域，具体涉及瞬态光谱成像观测技术，尤其涉及一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块。

背景技术

传统的太赫兹瞬态光谱技术适合于可逆的超快动力学过程的研究，但无法实现单次的不可逆的超快动力学过程观测。其原因在于传统的太赫兹瞬态光谱技术一方面基于太赫兹脉冲时域信号的逐点测量，另一方面为获取完整的超快动力学信息，在动力学过程探测中还需要另外对时间逐点测量。故此处存在一个技术问题：传统太赫兹瞬态光谱技术无法实现不可逆过程的瞬态光谱的单发探测。

近十几年来单发太赫兹光谱测量技术有了一定发展，可以实现对单个或者两三个太赫兹脉冲的光谱进行单次测量。但是一方面这种技术只能对单个或者两三个太赫兹脉冲进行测量，无法实现对包含几十上百个脉冲的整个太赫兹脉冲序列进行测量，从而仍然无法实现不可逆的超快动力学过程的太赫兹瞬态光谱探测。另一方面，这种技术基于探测光和太赫兹在非线性晶体中发生的和频效应，然而非线性晶体自身对太赫兹光会有吸收，这就导致了这种技术不能实现宽谱探测。此处还存在另外一个技术问题：传统单发探测太赫兹光谱的方法所依赖的非线性晶体媒介，导致了探测光普范围受限。

因此现有的单发太赫兹瞬态测量技术存在亟待改进的地方，需要对其进行研究优化以得到更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。

实用新型内容

为了克服上述内容中提到的现有技术存在的缺陷，本实用新型提供了一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块，旨在改进探测模块的组成结构，采用惰性气体作为非线性介质，实现太赫兹的宽谱探测。

为了实现上述目的，本实用新型具体采用的技术方案是：

一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块，用于太赫兹光的光谱成像观测，包括供太赫兹光依次通过的第四离轴抛物面镜、第二气体喷嘴、短通滤光片、第二汇聚透镜和可见光谱仪，所述的第二气体喷嘴处喷出氮气或惰性气体作为非线性介质。

上述公开的探测模块，通过第二气体喷嘴喷出的氮气或惰性气体作为非线性介质，减少了太赫兹光的损耗，可提高单发太赫兹光的探测谱宽。

进一步的，对上述技术方案中公开的第四离轴抛物面镜进行优化，所述的第四离轴抛物面镜为柱面镜。

进一步的，所述的光谱探测模块还包括第一延时组件，第一延时组件包括若干反射镜和第一汇聚透镜，第一延时组件用于外界来激光经过第一延时组件和第一汇聚透镜后传播至第四离轴抛物面镜并与太赫兹光汇合共线。外界来激光经过第一延时组件后，与太赫兹光的时间延迟为零。当外界来激光与太赫兹光汇合共线后并经过第二气体喷嘴处的非线性介质时，形成四波混频信号；经过短波滤光片时可滤除多余的外界来激光，剩余的四波混频信号经过第二汇聚透镜作用后最终进入可见光谱仪进行成像得到可见光谱，可见光谱可通过反演得到太赫兹光谱。

进一步的，为了促进外界来激光与太赫兹光的汇合共线，对第四离轴抛物面镜的结构进行优化，具体的，所述的第四离轴抛物面镜上设置有小孔，外界来激光通过小孔与太赫兹光汇合共线。

再进一步，对第四离轴抛物面镜的结构继续优化，所述的小孔为方孔。所述的小孔形状并不唯一确定，必要时也可采用除方形孔以外的形状。

进一步的，上述第一延时组件中，所述的反射镜数量为三，三个反射镜之间距离活动可调并将外界来激光进行三次90°偏转调整。

进一步的，所述的第一汇聚透镜为柱面透镜。

再进一步，所述的第二汇聚透镜为柱面透镜。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型经过样本的太赫兹光序列和外界来激光进行共线重合以产生四波混频信号，最终进入光谱探测模块进行成像显示。四波混频的产生，在氮气或惰性气体作为非线性介质的环境下进行，有效的提高了太赫兹光的宽谱测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本实用新型的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1是光谱系统的组成模块示意图；

图2是太赫兹产生模块的组成模块示意图；

图3是样品模块的组成模块示意图；

图4是光谱探测模块的组成模块示意图；

图5是激发光模块的组成模块示意图；

图6是空间分离脉冲序列产生原理俯视图；

图7是空间分离脉冲序列产生原理侧视图；

图8是啁啾激光四波混频原理图；

图9是单发探测瞬态光谱原理图。

附图中的标号所对应的含义为：110、啁啾皮秒光产生模块；120、脉冲压缩模块；130、太赫兹产生模块；132、倍频晶体；133、相位延迟片；134、双色波片；135、第一平面反射镜；136、第一凹面反射镜；137、第一气体喷嘴；140、样品模块；142、高阻硅片；143、第一离轴抛物面镜；144、闪耀光栅；145、第二离轴抛物面镜；146、样品；147、第三离轴抛物面镜；150、光谱探测模块；152、第一延时组件；153、第一汇聚透镜；154、第四离轴抛物面镜；155、第二气体喷嘴；156、短通滤光片；157、第二汇聚透镜；158、可见光谱仪；160、激发光模块；162、光参量放大器；163、第一偏向反射镜；164、第二延时组件；165、第二偏向反射镜；166、第三汇聚透镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

实施例1

如图4所示，本实施例公开了一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块150，用于太赫兹光的光谱成像观测，其特征在于：包括供太赫兹光依次通过的第四离轴抛物面镜154、第二气体喷嘴155、短通滤光片156、第二汇聚透镜157和可见光谱仪158，所述的第二气体喷嘴155处喷出氮气或惰性气体作为非线性介质。

上述公开的探测模块，通过第二气体喷嘴155喷出的氮气或惰性气体作为非线性介质，减少了太赫兹光的损耗，可提高单发太赫兹光的探测谱宽。

对上述技术方案中公开的第四离轴抛物面镜154进行优化，所述的第四离轴抛物面镜154为柱面镜。

本实施例中，所述的光谱探测模块150还包括第一延时组件152，第一延时组件152包括若干反射镜和第一汇聚透镜153，第一延时组件152用于外界来激光经过第一延时组件152和第一汇聚透镜153后传播至第四离轴抛物面镜154并与太赫兹光汇合共线。外界来激光经过第一延时组件152后，与太赫兹光的时间延迟为零。当外界来激光与太赫兹光汇合共线后并经过第二气体喷嘴155处的非线性介质时，形成四波混频信号；经过短波滤光片时可滤除多余的外界来激光，剩余的四波混频信号经过第二汇聚透镜157作用后最终进入可见光谱仪158进行成像得到可见光谱，可见光谱可通过反演得到太赫兹光谱。

为了促进外界来激光与太赫兹光的汇合共线，对第四离轴抛物面镜154的结构进行优化，具体的，所述的第四离轴抛物面镜154上设置有小孔，外界来激光通过小孔与太赫兹光汇合共线。

优选的，对第四离轴抛物面镜154的结构继续优化，所述的小孔为方孔。所述的小孔形状并不唯一确定，必要时也可采用除方形孔以外的形状。

上述第一延时组件152中，所述的反射镜数量为三，三个反射镜之间距离活动可调并将外界来激光进行三次90°偏转调整。

优选的，所述的第一汇聚透镜153为柱面透镜。

优选的，所述的第二汇聚透镜157为柱面透镜。

实施例2

本实施例还针对太赫兹光的产生及用于对样品146的光谱成像观测进行说明，公开了一种经过改进的光谱系统，应用实施例1中的光谱探测模块150，可实现单发太赫兹瞬态光谱观测。

具体的，如图1所示，本实施例公开的一种单发太赫兹瞬态光谱系统，包括啁啾皮秒光产生模块110，该啁啾皮秒光产生模块110产生激光并通过一路电磁波传播路径依次传播至脉冲压缩模块120、太赫兹产生模块130、样品模块140和光谱探测模块150，啁啾皮秒光产生模块110还通过另一路电磁波传播路径将激光传播至光谱探测模块150用于产生四波混频信号；所述的脉冲压缩模块120分出单独的一路激光传播至激发光模块160，激光泵浦激发光模块160之后产生激发脉冲序列并传播至样品模块140用于激发样品146；所述的太赫兹产生模块130和光谱探测模块150都包括有氮气传播介质或惰性气体传播介质。

如图9所示，上述公开的单发太赫兹瞬态光谱系统，利用四波混频的方式对太赫兹光进行处理，并利用氮气或惰性气体作为非线性介质，不仅大大提高了太赫兹光的宽频探测，还实现了单发太赫兹光的瞬态观测；在光谱探测模块150，将太赫兹光进行成像处理，以分别对不同点的光谱进行探测。

上述技术方案中公开了啁啾皮秒光产生模块110，所述的啁啾皮秒光产生模块110包括激光器。

优选的，本实施例中可采用钛宝石激光器，并可采用激光放大器配合激光输出。

所述的脉冲压缩模块120包括脉冲压缩盒。所述的脉冲压缩盒得到来自啁啾皮秒光产生模块110的50％激光，并进行处理后输出100飞秒的激光脉冲，该激光脉冲一部分传播至太赫兹产生模块130用于产生太赫兹光，另一部分传播至激发光模块160用于产生激发光序列。

太赫兹产生模块130用于产生太赫兹光，本实用新型中采用了更新的太赫兹产生模块130结构，此处举出具体可行的方案：如图2所示，所述的太赫兹产生模块130包括依次用于激光通过或反射的倍频晶体132、相位延迟片133、双色波片134、第一平面反射镜135及第一凹面反射镜136，第一平面反射镜135与激光的传播路径呈一定夹角设置并将激光偏向反射至第一凹面反射镜136，第一凹面反射镜136对激光进行反射并聚焦，太赫兹产生模块130还包括第一气体喷嘴137，第一气体喷嘴137对反射后聚焦的激光提供氮气传播介质或惰性气体传播介质，太赫兹光经过传播介质后传播至样品模块140。这样设置时，通过倍频晶体132对激光进行处理得到倍频光脉冲，此后经过相位延迟片133调节基频光和倍频光脉冲的时间延迟，再经过双色波片134改变基频光的偏振使其和倍频光偏振平行，经过第一平面反射镜135和第一凹面反射镜136后激光通过第一气体喷嘴137处，第一气体喷嘴137向外喷发氮气或惰性气体作为激光通过的介质，在介质中产生太赫兹光超连续，此后传播至样品模块140。

样品模块140处放置待测样品146，到达样品模块140处的太赫兹光产生空间分离脉冲序列，具体的，如图5所示，所述的样品模块140包括用于生成空间分离脉冲序列的闪耀光栅144，太赫兹光经过闪耀光栅144后与激发光模块160产生的激发脉冲序列在样品146处重合，激发光脉冲用于激发样品146。

所述的样品模块140还包括高阻硅片142，太赫兹光到达闪耀光栅144之前先经过高阻硅片142，高阻硅片142与闪耀光栅144之间以及闪耀光栅144与样品146之间分别设置有第一离轴抛物面镜143和第二离轴抛物面镜145。高阻硅片142用于滤除太赫兹光中的残余的基频光和倍频光，经过第一离轴抛物面镜143准直为平行光后到达闪耀光栅144，闪耀光栅144进行太赫兹光的空间分离并产生空间分离脉冲序列，空间分离脉冲序列经过第二离轴抛物面镜145之后传播至样品146并在样品146处与激发脉冲序列重合。

优选的，本实施例中，如图6、图7和图8所示，闪耀光栅144刻线水平放置，太赫兹光经过闪耀光栅144反射后在竖直方向引入阶梯状的时间延迟。

所述的样品模块140还包括第三离轴抛物面镜147，经过样品146后的太赫兹光经过第三离轴抛物面镜147准直后传播至光谱探测模块150。

到达光谱探测仪模块的太赫兹光经过处理后显示成像，便于进行各点处的观测，具体的，举出如下具体可行的方案：如图6、图8和图9所示，所述的光谱探测模块150包括可见光谱仪158，来自样品模块140的太赫兹光和来自啁啾皮秒光产生模块110发出的啁啾激光在第四离轴抛物面镜154处汇合共线，经过第二气体喷嘴155处的氮气传播介质或惰性气体传播介质后产生四波混频信号，四波混频信号依次经过短通滤光片156和第二汇聚透镜157后进入可见光谱仪158。在短通滤波片处，滤去啁啾激光，剩余的四波混频信号最终进入可见光谱仪158进行成像得到可见光谱，可见光谱可通过反演得到太赫兹光谱。

对光谱探测模块150进行优化，举出如下具体可行的方案：所述的光谱探测模块150还包括第一延时组件152，第一延时组件152包括若干反射镜和第一汇聚透镜153，来自啁啾激光经过第一延时组件152和第一汇聚透镜153后传播至第四离轴抛物面镜154。所述的第四离轴抛物面镜154上设置有小孔，啁啾激光通过小孔与太赫兹光发生汇合共线。

优选的，本实施例中的第一延时组件152包括三个反射镜，并将太赫兹光进行三次90°转向调节。

对上述技术方案中公开的激发光模块160进行说明，所述的激发光模块160包括光参量放大器162和第三汇聚透镜166，光参量放大器162与第三汇聚透镜166之间设置有第二延时组件164，第二延时组件164包括若干反射镜，经过光参量放大器162的啁啾激光经过偏向反射镜的调节后进入第二延时组件164，再经过偏向反射镜的调节经过汇聚透镜后传播至样品模块140。

优选的，本实施例中的第二延时组件164包括两个反射镜，并将激光进行两次90°转向调节。

优选的，本实施例中设置了第一偏向反射镜163和第二偏向反射镜165，第一偏向反射镜163将经过光参量放大器162的激光调节后传播至第二延时组件164，第二延时组件164传播处出的激光经过第二偏向反射镜165后传播至样品模块140。

以上即为本实用新型列举的实施方式，但本实用新型不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种单发太赫兹瞬态光谱探测模块，用于太赫兹光的光谱成像观测，其特征在于：包括供太赫兹光依次通过的第四离轴抛物面镜(154)、第二气体喷嘴(155)、短通滤光片(156)、第二汇聚透镜(157)和可见光谱仪(158)，所述的第二气体喷嘴(155)处喷出氮气或惰性气体作为非线性介质。

2.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的第四离轴抛物面镜(154)为柱面镜。

3.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：还包括第一延时组件(152)，第一延时组件(152)包括若干反射镜和第一汇聚透镜(153)，第一延时组件用于外界来激光经过第一延时组件(152)和第一汇聚透镜(153)后传播至第四离轴抛物面镜(154)并与太赫兹光汇合共线。

4.根据权利要求3所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的第四离轴抛物面镜(154)上设置有小孔，外界来激光通过小孔与太赫兹光汇合共线。

5.根据权利要求4所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的小孔为方孔。

6.根据权利要求3所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的反射镜数量为三，三个反射镜之间距离活动可调并将外界来激光进行三次90°偏转调整。

7.根据权利要求3所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的第一汇聚透镜(153)为柱面透镜。

8.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱探测模块，其特征在于：所述的第二汇聚透镜(157)为柱面透镜。

Images