CN104515748A - 一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪，包含透射式***和反射式***两种模式。飞秒激光聚焦产生的太赫兹波，被第一离轴抛物镜准直后，经第二离轴抛物镜聚焦到样品上，进行透射或者反射模式测量，经过样品的太赫兹波被第三离轴抛物镜收集后，经第四离轴抛物镜聚焦到探测晶体上，得到太赫兹的时域光谱。本发明将第二和第三离轴抛物镜和样品架集成到一块底板上作为一个测量模块。两个短焦距离轴抛物镜和透射样品架集成为透射测量模块。两个长焦距离轴抛物镜和反射样品架集成为反射测量模块。采用五维调整装置夹持第一和第四离轴抛物镜，用于切换透射模块或反射模块时快速恢复第一和第四离轴抛物镜的最优位置。本发明的太赫兹时域光谱仪调整过程简单快速，有利于太赫兹时域光谱仪的集成化和用户操作。

Description

一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪

技术领域

本发明属于光电技术领域，特别涉及太赫兹时域光谱测量领域。

背景技术

电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。

太赫兹波兼具光谱特性和传输特性，使用太赫兹波的检查技术成为一种比X射线更有效和独特的无损检查方法。因为，使用太赫兹波设备的辐射性更小，成像的对比度更清楚，还有可能实现X射线无可比拟的化学识别。太赫兹波的应用范围涉及通信、生物医药、传感领域等。

近十几年来，随着超快激光技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。太赫兹技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质，如太赫兹辐射的瞬态性、宽带性、相干性和低能性等。

太赫兹时域光谱技术是太赫兹技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。常见的太赫兹时域光谱仪***分为透射式***和反射式***。它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置组成。飞秒激光聚焦产生的太赫兹波，被第一离轴抛物镜准直后，经第二离轴抛物镜聚焦到样品上，进行透射或者反射模式测量，经过样品的太赫兹波被第三离轴抛物镜收集后，经第四离轴抛物镜聚焦到探测晶体上，得到太赫兹的时域光谱。

由于在同一套太赫兹时域光谱仪***中既要进行透射样品测量，又要进行反射样品测量，所以需要进行光路的切换。透射样品和反射样品均放置在第二离轴抛物镜和第三离轴抛物镜之间，但透射到反射切换时，需要更换样品及第二和第三离轴抛物镜。透射样品测量时，需要短焦距的第二和第三离轴抛物镜，反射样品测量时，需要长焦距的第二和第三离轴抛物镜。首次调试光路时，还需调试第一和第四离轴抛物镜的位置和姿态。

目前大部分太赫兹时域光谱仪在更换测量方式时，四个离轴抛物镜和样品架的位置和姿态均需要调整，且调整过程繁琐复杂，不利于太赫兹时域光谱仪的集成化和用户操作。本发明正是针对上述问题，提出的一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪。

发明内容

为了简化透射测量模式和反射测量模式切换时的复杂调整过程，确保切换光路精准复位，本发明提出以下方案：

一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪，包含透射测量和反射测量两种模式，飞秒激光聚焦产生的太赫兹波，被第一离轴抛物镜准直后，经第二离轴抛物镜聚焦到样品上，进行透射或者反射模式测量，经过样品的太赫兹波被第三离轴抛物镜收集后，经第四离轴抛物镜聚焦到探测晶体上，得到太赫兹的时域光谱。

其中，第二、第三离轴抛物镜和样品架集成到一块底板上作为一个测量模块，两个短焦距离轴抛物镜和样品架集成为透射测量模块。两个长焦距离轴抛物镜和样品架集成为反射测量模块。测量时，根据需要将不同的模块置于光谱仪中进行测量，模块与光谱仪之间由机械定位销进行定位。

第一和第四离轴抛物镜置于光谱仪中光路中，但为了配合透射测量模块和反射测量模块的切换，第一和第四离轴抛物镜应能保证调整位置和姿态。为此，本发明采用五维调整装置夹持第一和第四离轴抛物镜。此五维调整装置包括一个二维平移台，两个摆角台和一个转台，用于调整离轴抛物镜的前后、左右、俯仰、偏摆及旋转运动。五维调整装置与离轴抛物镜之间用销钉定位来保证离轴抛物镜在光路中的高度。调节手柄均采用可读数装置，用于记录首次装调时最优光路位置的读数。

首次装调光谱仪光路时，先将透射测量模块置于光路中，调整第一和第四离轴抛物镜的位置和姿态，同时用工装夹持第二和第三离轴抛物镜进行调整，待光路达到最优时，用螺钉将第二和第三离轴抛物镜镜架与透射模块底板固定。然后将透射样品架置于光路正确位置，用螺钉与透射模块底板固定。此时，透射测量模块已整体集成，包括第二和第三离轴抛物镜(短焦距)，透射样品架。透射模块底板与光谱仪底板由销钉定位，保证模块在光谱仪中的正确位置。记录第一和第四离轴抛物镜五维调整装置的调节螺杆读数，用于切换反射模块后重新移入透射模块时快速恢复第一和第四离轴抛物镜的最优位置。

待透射测量模块装调和集成完毕后，移出透射模块，利用销钉定位放入反射模块底板，用工装调整第二和第三离轴抛物镜(长焦距)，同时调整光谱仪中的第一和第四离轴抛物镜的五维调节装置，待光路最优后，用螺钉将第二和第三离轴抛物镜镜架与反射模块底板固定。然后将样品架置于光路正确位置，用螺钉与反射模块底板固定。此时，反射测量模块已整体集成，包括第二和第三离轴抛物镜(长焦距)，样品架。反射模块底板与光谱仪底板用透射模块的销钉孔定位，保证模块在光谱仪中的正确位置。记录第一和第四离轴抛物镜五维调整装置的调节螺杆读数，用于切换透射模块后重新移入反射模块时快速恢复第一和第四离轴抛物镜的最优位置。

本发明的五维调节装置包括一个二维平移台、两个摆角台和一个旋转台。二维平移台固定在光谱仪的安装底板上，实现第一、第四离轴抛物镜的前后左右二维平移。二维平移台上安装两个摆角台，实现第一、第四离轴抛物镜的俯仰和偏摆二维角度调整。最后安装一个旋转台，实现第一、第四离轴抛物镜绕光轴旋转运动。旋转台和第一、第四离轴抛物镜之间用销钉定位，保证抛物镜在光谱仪中高度。

考虑到反射测量方式样品需要能准确反射光路，本发明提出的样品架反射基准面由三销钉定位，样品反射面紧贴三销钉端面，样品背面由弹簧施加压紧力保证样品反射面与销钉定位面重合，这样样品就能在样品架中保持准确的安装位置，从而在光路中实现反射太赫兹波。

基于以上提出的方案，本发明能够快速准确地调整第一、第四离轴抛物镜，且能保证各测量模块和样品架在光路中的正确位置，并实现以下效果：

首次装调光谱仪光路完成后，透射测量模块和反射测量模块均已集成，且两种测量模块在光谱仪中的最优测量光路也可以确定。进行透射样品测量时，将透射模块置于光路中，同时输入已确定的第一和第四离轴抛物镜(短焦距)五维调整装置的调节螺杆读数，恢复透射测量最优光路进行测量。进行反射样品测量时，将反射模块置于光路中，同时输入已确定的第一和第四离轴抛物镜(长焦距)五维调整装置的调节螺杆读数，恢复反射测量最优光路进行测量。

附图说明

图1是本发明的太赫兹时域光谱仪透射测量方式的示意图；

101-透射模块底板，102-飞秒脉冲激光，103-THZ辐射源，104-第一离轴抛物镜，105-第二离轴抛物镜(短焦距)，106-销钉定位孔1，107-样品，108-样品架，109-销钉定位孔2，110-第三离轴抛物镜(短焦距)，111-第四离轴抛物镜，112-THZ探测器；

图2是本发明的太赫兹时域光谱仪反射测量方式的示意图；

201-反射模块底板，202-第二离轴抛物镜(长焦距)，203-反射镜1，204-反射镜2，205-第三离轴抛物镜(长焦距)；

图3是本发明用于调节104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜的五维调节装置示意图；

301-前后调节手柄，302-左右调节手柄，303-俯仰调节手柄，304-偏摆调节手柄，305-旋转调节手柄；

图4是本发明的样品架的结构示意图；

401-样品架主体，402-定位销钉，403-压簧，404-样品顶柱；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

实施例：

图1和图2是本发明的太赫兹时域光谱仪透射测量方式和反射测量方式的示意图。飞秒脉冲激光102聚焦到103THZ辐射源产生的太赫兹波，被104第一离轴抛物镜准直后，经105或202第二离轴抛物镜聚焦到样品107上，进行透射或者反射模式测量，经过样品的太赫兹波被110或205第三离轴抛物镜收集后，经111第四离轴抛物镜聚焦到112探测器中的探测晶体上，得到太赫兹的时域光谱。

本发明将两种测量方式集成于一套太赫兹时域光谱仪***中，切换测量方式只须更换相应的测量模块即可。如图1所示，105第二离轴抛物镜(短焦距)、107样品、108样品架和110第三离轴抛物镜(短焦距)集成在101透射模块底板上，组成透射测量模块。如图2所示，202第二离轴抛物镜(长焦距)、203反射镜1、107样品、108样品架、204反射镜2、205第三离轴抛物镜(长焦距)集成在201反射模块底板上，组成反射测量模块。在一套太赫兹时域光谱仪中，透射测量模块和反射测量模块可以切换，用106和109两个销钉定位孔确保模块在光谱仪光路中的正确位置，且可以保证切换测量方式后的重复定位精度。

首次调试太赫兹时域光谱仪光路时，需要调整调整104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜的位置和姿态，同时用工装夹持105第二离轴抛物镜和110第三离轴抛物镜进行调整，待光路达到最优时，用螺钉将105第二离轴抛物镜和110第三离轴抛物镜镜架与101透射模块底板固定。然后将108透射样品架置于光路正确位置，用螺钉与101透射模块底板固定。此时，透射测量模块已整体集成。

同理，利用106和109两个销钉定位孔放入201反射模块底板，用工装调整202第二离轴抛物镜、203反射镜1、204反射镜2、108样品架和205第三离轴抛物镜，同时调整光谱仪中的104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜，待光路最优后，用螺钉将202第二离轴抛物镜镜架和205第三离轴抛物镜镜架与201反射模块底板固定。然后将108反射样品架置于光路正确位置，用螺钉与201反射模块底板固定。此时，反射测量模块已整体集成。

可以看到，两种测量方式所处于光谱仪中的最优光路不同，所以切换模块时需要调节光谱仪光路，而此时，透射测量模块和反射测量模块上的所有镜架和样品架均已固定，那么就需要调节104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜的位置和姿态。为了切换测量模块后，快速的调节104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜并恢复至最优光路，本发明采用了图3所示的五维调整装置来调节104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜。该装置的五维调节螺杆均可以读数，在首次装调光谱仪光路时，记录透射方式最优光路时104第一离轴抛物镜、111第四离轴抛物镜五维调整装置的调节螺杆读数和反射方式最优光路时104第一离轴抛物镜、111第四离轴抛物镜五维调整装置的调节螺杆读数。这两个读数作为光谱仪的输入参数，用于切换透射模块或反射模块后快速恢复104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜的最优位置。

如图3所示，104为第一离轴抛物镜，301和302为实现前后左右移动二维平移台的调节手柄，303为摆角台的调节手柄，实现俯仰调节，304为摆角台的调节手柄，实现俯偏摆调节，305为旋转台的调节手柄，实现离轴抛物镜的旋转运动。104离轴抛物镜与旋转台之间用销钉定位，保证离轴抛物镜高度不用调节。每个调节手柄均带有刻度，可以读出最优光路下的各个调节位置的读数。这样，切换相应的测量模块，调节首次调试时记录的最优光路读数，便可快速恢复至满足测量要求的最优光路。同理，111第四离轴抛物镜的调节方式也是如此。

如图2所示，反射测量方式下，107样品需要反射太赫兹波，这就需要107样品的反射面作为基准面精确定位，为此，本发明提出了如图4所示的样品架结构。在401样品架主体结构上，镶上三个402定位销钉，三个销钉呈360度均布，尖端倒圆，三个圆端点定位一个标准平面P，然后107样品的前表面紧贴在这个标准平面P上。样品背面用404样品顶柱夹持，靠403压簧的压紧力使107样品的前表面与销钉定义的基准平面紧密重合。

由于本发明提出的太赫兹时域光谱仪在测量样品时对样品所处的环境要求较高，为了避免外界环境(温度，湿度，灰尘等)对测量结果造成影响，本发明对两种测量模块及104第一离轴抛物镜和111第四离轴抛物镜进行局部密封。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (6)

1.一种基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪，包含透射测量和反射测量两种模式，飞秒激光聚焦产生的太赫兹波，被第一离轴抛物镜准直后，经第二离轴抛物镜聚焦到样品上，进行透射或者反射模式测量，经过样品的太赫兹波被第三离轴抛物镜收集后，经第四离轴抛物镜聚焦到探测晶体上，得到太赫兹的时域光谱，其特征在于第二、第三离轴抛物镜及样品架固定在一块独立的光学平板上，第一、第四离轴抛物镜分别由一个可读数的五维调整装置固定，五维调整装置可进行前后、左右、俯仰、偏摆及旋转五维调节。

2.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于五维调整装置由一个二维平移台、两个摆角台和一个旋转台组成。

3.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于光学平板与太赫兹时域光谱仪测量模块之间用销钉进行定位。

4.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于第一、第四离轴抛物镜与五维调整台之间由销钉固定。

5.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于反射样品架的反射基准面由三销钉定位，样品反射面紧贴三销钉端面，样品背面由弹簧施加压紧力保证样品反射面与销钉定位面重合。

6.如权利要求1-5所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、第三离轴抛物镜、第四离轴抛物镜、样品架所组成的部分，采用局部密封设计。