太赫茲時域光譜系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太赫茲時域光譜系統(tǒng)。太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，飛秒激光器輻射的飛秒激光經(jīng)第一光闌準(zhǔn)直，再由分束鏡將飛秒激光分為泵浦光和探測光。泵浦光經(jīng)第一光路組件產(chǎn)生太赫茲脈沖；探測光經(jīng)第一光路組件產(chǎn)生與泵浦光等光程的線偏振探測光，且線偏振探測光和太赫茲脈沖經(jīng)合束片合束，得到攜帶太赫茲脈沖信息的待檢測光束。同時在探測裝置中使用了兩塊等厚的電光晶體，調(diào)節(jié)兩塊電光晶體之間晶軸的夾角，對通過第一電光晶體的探測光的兩個分量o光和e光的相位延遲有相應(yīng)的相位補償，從而實現(xiàn)對強太赫茲脈沖的線性探測，提升了測量精度。
【專利說明】
太赫茲時域光譜系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及太赫茲時域光譜系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)頻段是指頻率從0.1 THz到10THZ、波長介于微波與紅外 光之間的電磁輻射區(qū)間。太赫茲輻射因其時間尺度短，因此可以提供超快時間分辨光譜的 能力，可以用于透過生物體、電介質(zhì)材料、氣相物質(zhì)等一些材料，通過分析樣品材料的透反 射太赫茲信號便可以獲得關(guān)于材料的成分，以及物理、化學(xué)、生物學(xué)狀態(tài)等信息。還因為太 赫茲波的頻帶較廣，以及其光子能量小，不會對檢測物質(zhì)造成損害，使得太赫茲技術(shù)可以應(yīng) 用于成像、光譜分析、無損檢測以及高速無線通信等諸多領(lǐng)域。
[0003] 光電導(dǎo)采樣和電光采樣是兩種常用的太赫茲檢測技術(shù)。其中電光采樣需要的脈沖 能量低，并且具有較高的靈敏度和探測帶寬。但該技術(shù)也存在一定的缺陷，電光采樣是基于 電光效應(yīng)，太赫茲脈沖在通過雙折射電光晶體時會改變晶體的折射率使得探測光的偏振態(tài) 發(fā)生改變，經(jīng)過調(diào)制光路后，測得探測光兩分量的光強差，從而計算出太赫茲脈沖的強度。 但是這種方法只適用于低強度的太赫茲信號，對于高強度的太赫茲脈沖信號使用這種方法 會導(dǎo)致信號畸變、失真等而得到錯誤的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要針對上述問題，提供結(jié)構(gòu)簡單、太赫茲脈沖信號測量精度高的太赫 茲時域光譜測試系統(tǒng)。
[0005] -種太赫茲時域光譜系統(tǒng)，包括飛秒激光器、第一光闌、分束鏡，所述飛秒激光器 輻射的飛秒激光經(jīng)所述第一光闌準(zhǔn)直，再由所述分束鏡將所述飛秒激光分為栗浦光和探測 光;還包括第一光路組件、第二光路組件、合束片和探測裝置；
[0006] 所述栗浦光經(jīng)第一光路組件產(chǎn)生太赫茲脈沖;所述探測光經(jīng)第二光路組件產(chǎn)生與 所述栗浦光等光程的線偏振光；
[0007] 所述探測光和太赫茲脈沖經(jīng)合束片合束，得到攜帶太赫茲脈沖信息的待檢測光 束；
[0008] 所述探測裝置用于探測所述待檢測光束，沿所述待檢測光束傳播方向依次包括第 一電光晶體、第二電光晶體、四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡、光電探測器、鎖相放大器和信息 處理裝置;所述第一電光晶體與第二電光晶體的厚度相等，且所述第一電光晶體與第二電 光晶體晶軸夾角能夠調(diào)節(jié)。
[0009] 在其中一個實施例中，所述第一電光晶體和第二電光晶體均為閃鋅礦晶體。
[0010] 在其中一個實施例中，所述第一電光晶體晶軸與第二電光晶體晶軸的夾角為180 度。
[0011] 在其中一個實施例中，所述信息處理裝置包括具體用于按照如下公式確定所述太 赫茲脈沖的振幅：
[0012]
[0013] 兵〒，η定嬸詳瞄評木艾A赫纮吻忭用叮的不?止折射率，γ 41是碲化鋅晶體的電 光張量，L是碲化鋅晶體的厚度，λ是飛秒激光器的中心波長，△ I是光電探測器測得探測光 的O光與e光的光強差，I是光電探測器測得的〇光與e光的光強和。
[0014] 在其中一個實施例中，所述第一光路組件沿所述栗浦光傳播方向依次包括多個反 射鏡、第二光闌、第一透鏡、太赫茲脈沖發(fā)射裝置、第一拋物面鏡和第二拋物面鏡；
[0015] 所述太赫茲發(fā)射裝置用于輻射產(chǎn)生太赫茲脈沖；
[0016] 所述第一拋物面鏡、第二拋物面鏡相對設(shè)置，且所述第一拋物面鏡用于將太赫茲 脈沖進(jìn)行準(zhǔn)直處理;所述第二拋物面鏡用于將太赫茲脈沖進(jìn)行聚焦處理。
[0017]在其中一個實施例中，所述第一光路組件中還包括硅片，用于濾除雜光，僅讓所述 太赫茲脈沖透過;所述硅片設(shè)置在所述太赫茲發(fā)射裝置與所述第一拋物面鏡之間。
[0018] 在其中一個實施例中，所述太赫茲發(fā)射裝置為有源的光電導(dǎo)天線或無源的非線性 光學(xué)整流晶體中的一種。
[0019] 在其中一個實施例中，所述無源的非線性光學(xué)整流晶體為偏硼酸鋇晶體。
[0020] 在其中一個實施例中，所述第二光路組件沿所述探測光傳播的方向依次包括延遲 線裝置、斬波器、二分之一波片、格蘭棱鏡、第二透鏡和第三光闌；
[0021] 所述斬波器用于為所述鎖相放大器提供調(diào)制頻率;所述二分之一波片、格蘭棱鏡 用于調(diào)節(jié)所述探測光的偏振性。
[0022] 在其中一個實施例中，所述光電探測器為差分光電探測器。
[0023] 上述太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，栗浦光經(jīng)第一光路組件產(chǎn)生太赫茲脈沖;探測光經(jīng) 第一光路組件產(chǎn)生與栗浦光等光程的線偏振探測光，且線偏振探測光和太赫茲脈沖經(jīng)合束 片合束，得到攜帶太赫茲脈沖信息的待檢測光束。同時在探測裝置中使用了兩塊等厚的電 光晶體，改變這兩塊電光晶體之間晶軸的夾角，對探測光的兩個分量O光和e光，有一個相位 補償，實現(xiàn)對強太赫茲脈沖的線性探測，提升了測量精度。
【附圖說明】
[0024] 圖1為太赫茲時域光譜系統(tǒng)光路圖。
[0025]圖中標(biāo)號：飛秒激光器1、第一光闌2、第四光闌3、分束鏡4、反射銀鏡5、6、13、20、第 二光闌7、第一透鏡8、偏硼酸鋇晶體9、硅片10、第一拋物面鏡11、第二拋物面鏡12、延遲線裝 置14、斬波器15、二分一波片16、格蘭棱鏡17、第二透鏡18、第三光闌19、合束片21、第一電光 晶體(碲化鋅晶體)22、第二電光晶體(碲化鋅晶體)23、四分之一波片24、沃拉斯頓棱鏡25、 差分探測器26、鎖相放大器27和信息處理裝置28。
【具體實施方式】
[0026]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所 描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹 全面。
[0027] 除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具 體的實施例的目的，不是旨在限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān) 的所列項目的任意的和所有的組合。
[0028] 如圖1所示的為太赫茲時域光譜儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括:飛秒激光器1、第一光 闌2、第四光闌3、分束鏡4、反射銀鏡5、6、13、20、第二光闌7、第一透鏡8、偏硼酸鋇晶體9、硅 片10、第一拋物面鏡11、第二拋物面鏡12、延遲線裝置14、斬波器15、二分一波片16、格蘭棱 鏡17、第二透鏡18、第三光闌19、合束片21、第一電光晶體(碲化鋅晶體)22、第二電光晶體 (碲化鋅晶體)23、四分之一波片24、沃拉斯頓棱鏡25、差分探測器26(D1、D2分別為光電探 頭）、鎖相放大器27和信息處理裝置28。
[0029] 其工作的過程如下：飛秒激光器1為鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，該鈦藍(lán)寶石飛秒激光器 可以輻射出800納米(nm)、40飛秒(fs)的脈沖激光。脈沖激光光源通過第一光闌2、第四光闌 3將光路準(zhǔn)直，進(jìn)而保證后續(xù)光路的穩(wěn)定性。被準(zhǔn)直的光路接下來被分束鏡4分為二束光路， 一路為栗浦光，另一路為探測光，其中栗浦光對應(yīng)的光路為第一光路組件A，探測光對應(yīng)的 光路為第二光路組件B。
[0030] 在本實施例中，由于空間上的局限，在第一光路組件A和第二光路組件B中，設(shè)有若 干個反射銀鏡5、6、13、20，對相應(yīng)的光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折，使得第一光路組件4中的栗浦光和第二 光路組件B中的探測光的光路等光程。在其他實施例中，可以根據(jù)空間的大小，其反射銀鏡 的數(shù)量、位置的擺放可以根據(jù)實際的需求來設(shè)定，可以通過合理的設(shè)計及布局實現(xiàn)栗浦光 和探測光的光路等光程。
[0031] 第一光路組件A中依次設(shè)置有第二光闌7、第一透鏡8、偏硼酸鋇晶體9、硅片10、第 一拋物面鏡11、第二拋物面鏡12。栗浦光在經(jīng)過反射銀鏡5、6轉(zhuǎn)折后經(jīng)過第二光闌7,進(jìn)一步 準(zhǔn)直栗浦光，栗浦光經(jīng)過第一透鏡8(第一透鏡8為聚焦透鏡），栗浦光(飛秒脈沖光)聚焦后 電離空氣形成一段等離子體細(xì)絲，經(jīng)偏硼酸鋇晶體(Ba(BO 2)2, ΒΒ0)輻射出太赫茲脈沖。在本 實施例中，偏硼酸鋇晶體(BB0)9放置在偏離第一透鏡8的焦點位置，防止聚焦光太強，損壞 偏硼酸鋇晶體(BB0)9。
[0032] 硼酸鋇晶體（BB0)9是一種新型的紫外倍頻晶體，具有較寬的透光波段（190nm-3500nm)和位相匹配范圍（409.6nm-3500nm)、大的非線性光學(xué)系數(shù)，高的抗光損傷閾值、較 寬的溫度帶寬及優(yōu)越的光學(xué)均勻性。由于鈦藍(lán)寶石飛秒激光器1輻射出的為SOOnm的飛秒激 光脈沖，800nm的飛秒激光脈沖經(jīng)偏硼酸鋇晶體倍頻之后產(chǎn)生400nm的倍頻光，同時有800nm 的基頻光聚焦電離空氣形成等離子體，同時400nm的倍頻光作用在等離子體細(xì)絲上，驅(qū)動等 離子體從而輻射太赫茲脈沖。太赫茲場的產(chǎn)生是由于聚焦飛秒脈沖激發(fā)氣體電離形成等離 子體細(xì)絲輻射而來，不存在材料的損傷閾值限制，可以使用高功率激光產(chǎn)生強的太赫茲輻 射，通過轉(zhuǎn)動偏硼酸鋇晶體角度實現(xiàn)對太赫茲輻射的優(yōu)化。
[0033]在其他實施例中，偏硼酸鋇晶體(BBO)還可以為其他的非線性光學(xué)整流晶體，例 如:銀酸釔(YVO4)或冰洲石(Calcite)相類似的雙折射材料。
[0034]在其他實施例中，偏硼酸鋇晶體9用有源的光電導(dǎo)天線來代替。光電導(dǎo)天線是由基 片和蒸鍍在上面的兩根金屬電極組成的。在兩金屬電極之間加上偏置電壓后，當(dāng)激發(fā)光為 飛秒激光時，所福射的電磁波即為太赫茲福射。一般，使用低溫生長的砷化鎵(LT-GaAs)光 電導(dǎo)天線。
[0035] 經(jīng)偏硼酸鋇晶體(Ba (BO2) 2，BBO)輻射出太赫茲脈沖透過硅片10過濾掉800nm的基 頻光以及400nm倍頻光，只透過太赫茲脈沖。由于太赫茲脈沖是一種錐形輻射，在硅片10后 方設(shè)置有第一拋物面鏡11和第二拋物面鏡12，且第一拋物面鏡11和第二拋物面鏡12相對設(shè) 置。第一拋物面鏡11用于將錐形太赫茲脈沖進(jìn)行準(zhǔn)直處理;第二拋物面鏡12用于將準(zhǔn)直處 理后的平行太赫茲脈沖進(jìn)行聚焦處理。
[0036] 第二光路組件B包括依次設(shè)置的延遲線裝置14、斬波器15、二分之一波片16、格蘭 棱鏡17、第二透鏡18和第三光闌19。探測光在經(jīng)過反射銀鏡13轉(zhuǎn)折后經(jīng)過延遲線裝置14,延 遲線裝置14包括光學(xué)延遲線控制裝置和光學(xué)延遲線，信息處理裝置28通過光學(xué)延遲線控制 裝置控制光學(xué)延遲線移動，延遲線裝置14使用步進(jìn)掃描的方式對太赫茲脈沖在空間上進(jìn)行 逐點探測，得到太赫茲時域波形。經(jīng)延遲線裝置14處理的探測光經(jīng)過斬波器15為后面的鎖 相放大器27提供調(diào)制頻率。接著探測光經(jīng)過二分之一波片16以及格蘭棱鏡17調(diào)節(jié)探測光的 偏振，使其探測光為線偏振光。具有線性偏振的探測光經(jīng)過第二透鏡18聚焦、第三光闌19準(zhǔn) 直后，與經(jīng)過第二拋物面鏡12聚焦后的太赫茲脈沖在合束片21處合束。合束片21，用于把產(chǎn) 生的太赫茲脈沖和探測光合束，并且保證分束鏡產(chǎn)生栗浦光和探測光的光路等光程。
[0037] 合束后的攜帶太赫茲脈沖信息的待檢測光束由探測裝置C來探測待檢測光束。合 束后的太赫茲脈沖和線性偏振的探測光同時共線的經(jīng)過第一電光晶體22;由于光電效應(yīng)， 太赫茲脈沖會對碲化鋅晶體的折射率有所調(diào)制，使之發(fā)生普克爾效應(yīng)(Pockels Effect)， 通過第一電光晶體22的探測光就會發(fā)生雙折射，又線性偏振變?yōu)闄E圓偏振。經(jīng)過調(diào)制之后 的折射率會對探測光的分量〇光和e光產(chǎn)生相位延時。緊接著，合束后的光場經(jīng)過第二電光 晶體23,其中，第一電光晶體22和第二電光晶體23的厚度相等，且兩個電光晶體無縫整合在 一起。經(jīng)過第二電光晶體23后，對之前相位延時的〇光和e光有一個相位補償，通過調(diào)節(jié)第一 電光晶體(碲化鋅晶體)22、第二電光晶體(碲化鋅晶體)23的晶軸的夾角，使探測光的兩個 分量〇光和e光的相位延遲盡量減至最小。其中，第一電光晶體22和第二電光晶體23均為閃 鋅礦晶體，在本實施例中，第一電光晶體22和第二電光晶體23均為(001)晶軸導(dǎo)向的碲化鋅 晶體。在其他實施例中，第一電光晶體22和第二電光晶體23還可以為同類型的閃鋅礦晶體。
[0038] 在本實施例中，第一電光晶體(碲化鋅晶體)22、第二電光晶體(碲化鋅晶體)23的 晶軸的夾角為180度(π)，兩塊碲化鋅晶體之間有了 π夾角后，即使太赫茲脈沖的場強達(dá)到幾 十毫瓦每厘米也不會使〇光和e光完全分離，就可以避免由于太赫茲脈沖的場強太高而使太 赫茲信號出現(xiàn)飽和。同時通過調(diào)節(jié)第一電光晶體(碲化鋅晶體)22、第二電光晶體(碲化鋅晶 體)23的晶軸的夾角實現(xiàn)對太赫茲脈沖的線性探測，提高測量精度。
[0039]待檢測光束經(jīng)過兩塊碲化鋅晶體調(diào)制后，再經(jīng)過四分之一波片24以及沃拉斯頓棱 鏡25在空間上分離開偏振方向垂直的〇光和e光。在空間上分離開〇光和e光分別由差分探測 器26的兩個光電探頭(D1、D2)接收，由差分探測器26完成光電信號轉(zhuǎn)換，輸出的小信號。其 輸出的小信號由與斬波器同步的鎖相放大器進(jìn)行必要的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。信息處理裝置通 過數(shù)據(jù)接口接收和存儲鎖相放大器處理后的太赫茲信號的離散數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)快速傅里葉 變換，將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號。利用上述的頻域和時域太赫茲信號，依據(jù)相應(yīng)的物理模型 或原理處理后的信號數(shù)據(jù)反推出太赫茲時域光譜。具體按照如下公式確定太赫茲時域光場 的振幅：
[0040]
[0041] 式中，η是碲化鋅晶體未受太赫茲場作用時的本征折射率，γ?是碲化鋅晶體的電 光張量，L是一塊碲化鋅晶體的厚度，λ是飛秒激光器的光源波長，△ I是光電探測器測得的〇 光與e光的光強差，I是光電探測器測得的〇光與e光的光強和。傳統(tǒng)的探測裝置推導(dǎo)出的一 階近似的太赫茲時域光場振幅公式：
[0042]
[0043] 與一階近似的太赫茲時域光場振幅公式相比，二階近似太赫茲時域光場的振幅公 式進(jìn)一步的提升了太赫茲信號的還原精度以及可探測的范圍。
[0044] 以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實 施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存 在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。
[0045] 以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù) 范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種太赫茲時域光譜系統(tǒng)，包括飛秒激光器、第一光闊、分束鏡，所述飛秒激光器福 射的飛秒激光經(jīng)所述第一光闊準(zhǔn)直，再由所述分束鏡將所述飛秒激光分為累浦光和探測 光;其特征在于，所述太赫茲時域光譜系統(tǒng)還包括第一光路組件、第二光路組件、合束片和 探測裝置； 所述累浦光經(jīng)第一光路組件產(chǎn)生太赫茲脈沖;所述探測光經(jīng)第二光路組件產(chǎn)生與所述 累浦光等光程的線偏振探測光； 所述探測光和太赫茲脈沖經(jīng)合束片合束，得到攜帶太赫茲脈沖信息的待檢測光束； 所述探測裝置用于探測所述待檢測光束，沿所述待檢測光束傳播方向依次包括第一電 光晶體、第二電光晶體、四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡、光電探測器、鎖相放大器和信息處理 裝置;所述第一電光晶體與第二電光晶體的厚度相等，且所述第一電光晶體與第二電光晶 體晶軸夾角能夠調(diào)節(jié)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電光晶體和第二 電光晶體均為閃鋒礦晶體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電光晶體晶軸與 第二電光晶體晶軸的夾角為180度。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述信息處理裝置包括具 體用于按照如下公式確定所述太赫茲脈沖的振幅：其中，η是蹄化鋒晶體未受太赫茲場作用時的本征折射率，γ 41是蹄化鋒晶體的電光張 量，L是蹄化鋒晶體的厚度，λ是飛秒激光的中屯、波長，Δ I是光電探測器測得探測光的0光與 e光的光強差，I是光電探測器測得的0光與e光的光強和。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光路組件沿所述 累浦光傳播方向依次包括多個反射鏡、第二光闊、第一透鏡、太赫茲脈沖發(fā)射裝置、第一拋 物面鏡和第二拋物面鏡； 所述太赫茲發(fā)射裝置用于福射產(chǎn)生太赫茲脈沖； 所述第一拋物面鏡、第二拋物面鏡相對設(shè)置，且所述第一拋物面鏡用于將太赫茲脈沖 進(jìn)行準(zhǔn)直處理;所述第二拋物面鏡用于將太赫茲脈沖進(jìn)行聚焦處理。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光路組件中還包 括娃片，用于濾除雜光，僅讓所述太赫茲脈沖透過;所述娃片設(shè)置在所述太赫茲發(fā)射裝置與 所述第一拋物面鏡之間。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲發(fā)射裝置為有 源的光電導(dǎo)天線或無源的非線性光學(xué)整流晶體中的一種。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述無源的非線性光學(xué)整 流晶體為偏棚酸領(lǐng)晶體。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光路組件沿所述 探測光傳播的方向依次包括延遲線裝置、斬波器、二分之一波片、格蘭棱鏡、第二透鏡和第 Ξ光闊； 所述斬波器用于為所述鎖相放大器提供調(diào)制頻率;所述二分之一波片、格蘭棱鏡用于 調(diào)節(jié)所述探測光的偏振性。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測器為差分 光電探測器。
【文檔編號】G01J3/42GK105841816SQ201610338618
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】彭世昌, 潘奕, 李辰, 丁慶
【申請人】深圳市太赫茲系統(tǒng)設(shè)備有限公司, 深圳市太赫茲科技創(chuàng)新研究院有限公司