CN106248616A - 太赫兹全偏振态检测光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹全偏振态检测光谱仪，包括太赫兹波发生器、起偏器、偏振分光片、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器；太赫兹波发生器产生太赫兹波，并通过起偏器对该太赫兹波进行纯度优化，被测对象将进行纯度优化后的太赫兹波进行调制得到太赫兹调制波，通过偏振分光片将该太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波，用两个对应的太赫兹探测器分别对这两个太赫兹波进行检测，进而根据该检测的结构对被测样品进行特征分析；该太赫兹全偏振态检测光谱仪能够快速地对各种全偏振态的太赫兹波进行准确的检测，提高了被测样品的检测精度和检测效率。
Description
技术领域
本发明涉太赫兹波检测领域，尤其涉及一种太赫兹全偏振态检测光谱仪。
背景技术
太赫兹全偏振态检测可以应用于多领域的研究，如太赫兹光学器件的检测，包括太赫兹棱镜、波片和对偏振态敏感的光电导天线。也可应用于生物领域，如氨基酸和蛋白质等具有手性特征的生物分子的检测，具有手性特征的分子对太赫兹的左旋或右旋圆偏振光的吸收不同，此现象又叫做圆二色性。广泛的应用领域使得太赫兹全偏振态检测光谱仪的研究具有重要的价值。
为了测量由圆二色性或光学活性器件引入的多偏振态，太赫兹全偏振态检测光谱仪必须能够测量太赫兹波正交场分量的振幅和相位。该测量可以使用电光晶体或常规光电导天线接收器，但必须旋转电光晶体或光电导天线对各偏振态进行独立检测，这种机械性调整不仅测量时间长，而且会造成极大的测量误差。
发明内容
基于此，有必要提供一种太赫兹全偏振态检测光谱仪，能够快速地对各种全偏振态的太赫兹波进行准确的检测，提高被测样品的检测精度和检测效率。
一种太赫兹全偏振态检测光谱仪，包括：
太赫兹波发生器，用于利用激光产生线性偏振态的太赫兹波；
起偏器，位于所述太赫兹发生器的辐射端，用于接收所述太赫兹波辐射并滤除所述太赫兹波中的杂散光，将所述太赫兹波转化为偏振态纯度更高的线性偏振光；经所述起偏器输出的线性偏振光用于照射被测样品后产生太赫兹调制波；
偏振分光片，位于所述太赫兹调制波的传输路径中，用于将所述太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波；
水平太赫兹探测器，位于所述水平太赫兹波的传输路径中，用于检测所述水平太赫兹波；
垂直太赫兹探测器，位于所述垂直太赫兹波的传输路径中，用于检测所述垂直太赫兹波。
在其中一个实施例中，所述起偏器包括两个结构相同的多层硅片，两个所述多层硅片相对倾斜呈V字型，每个所述多层硅片与所述太赫兹波形成的光束的夹角为布儒斯特角。
在其中一个实施例中，所述多层硅片为四层硅片。
在其中一个实施例中，其特征在于所述太赫兹波发生器为砷化镓光电导天线。
在其中一个实施例中，所述偏振分光片为金属线栅分光片。
在其中一个实施例中，还包括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用于将所述起偏器产生的线性偏振光聚焦到被测样品上，所述第二离轴抛物面镜用于将所述太赫兹调制波进行准直后发送给所述偏振分光片。
在其中一个实施例中，还包括激光光源，所述激光光源用于产生激光。
在其中一个实施例中，还包括置于激光光路上的分光片，所述分光片包括第一分光片和第二分光片，所述第一分光片用于将所述激光分为第一光束和第二光束，所述第一光束用于泵浦所述太赫兹波发生器产生所述太赫兹波，所述第二光束由所述第二分光片分成第三光束和第四光束，第三光束用于激发所述水平太赫兹探测器对所述水平太赫兹波进行检测，第四光束用于激发所述垂直太赫兹探测器对所述垂直太赫兹波进行检测。
在其中一个实施例中，还包括第一延迟线、第二延迟线和第三延迟线，所述第一延迟线对所述第一光束进行延时处理后发送给所述太赫兹波发生器，所述第二延迟线对所述第三光束进行延时处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第三延迟线对所述第四光束进行延时处理后发送给所述垂直太赫兹探测器，使得经所述分光片处理后的激光到达所述太赫兹波发生器、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器的时间一致。
在其中一个实施例中，还包括三组透镜和聚焦透镜，分别为第一透镜和第一聚焦透镜、第二透镜和第二聚焦透镜，第三透镜和第三聚焦透镜，所述太赫兹波发生器、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器分别连接在一组透镜和聚焦透镜之间，所述第一透镜对所述第一光束进行聚焦处理后发送给所述太赫兹波发生器，所述第一聚焦透镜将所述太赫兹波发生器产生的太赫兹波进行准直后发送给所述起偏器，所述第二透镜对所述第三光束进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第二聚焦透镜将所述水平太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第三透镜对所述第四光束进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器，所述第三聚焦透镜将所述垂直太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器。
上述太赫兹全偏振态检测光谱仪，包括太赫兹波发生器、起偏器、偏振分光片、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器；太赫兹波发生器产生太赫兹波，并通过起偏器对该太赫兹波进行纯度优化，被测对象将进行纯度优化后的太赫兹波进行调制得到太赫兹调制波，通过偏振分光片将该太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波，用两个对应的太赫兹探测器分别对这两个太赫兹波进行检测，进而根据该检测的结构对被测样品进行特征分析；该太赫兹全偏振态检测光谱仪能够快速地对各种全偏振态的太赫兹波进行准确的检测，提高了被测样品的检测精度和检测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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实施例的附图。
图1是一实施例中太赫兹全偏振态检测光谱仪的结构图；
图2是一实施例中被测样品对太赫兹波进行调制的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，图1是一实施例中太赫兹全偏振态检测光谱仪的结构图。
在本实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪包括太赫兹波发生器10、起偏器11、偏振分光片12、水平太赫兹探测器13和垂直太赫兹探测器14。
太赫兹波发生器10用于利用激光产生线性偏振态的太赫兹波。该太赫兹波发生器10为砷化镓光电导天线，该砷化镓光电导天线为共平面天线，在激光的泵浦作用下产生太赫兹辐射，即发出太赫兹波，且该太赫兹波为线性偏振光。
起偏器11位于所述太赫兹发生器10的辐射端，用于滤除所述太赫兹波中的杂散光，将所述太赫兹波转化为偏振态纯度更高的线性偏振光，经起偏器11输出的线性偏振光用于照射被测样品50后产生太赫兹调制波。太赫兹波发生器10产生的太赫兹波主要为线性偏振光，存在少量偏振态不同于该线性偏振光的杂散光，需要将这些杂散光滤除，以得到纯度更高的线性偏振光，提高样品检测的精度。该起偏器11可以让需要的线性偏振光通过，同时将不需要的杂散光反射出去，使得杂散光不会进入到后续的检测***中。
在其中一个实施例中，该起偏器11包括两个结构相同的多层硅片，两个所述多层硅片相对倾斜呈V字型，每层硅片均为高电阻率，单层硅片呈矩形，大小可以为长100mm、宽30mm，厚度可以为0.5mm，该多层硅片可以为四层。每个所述多层硅片与所述太赫兹波形成的光束的夹角为布儒斯特角。杂散光经该起偏器11反射后，反射光转化为线性偏振光，且该线性偏振光的传播方向与上述沿水平方向传输的线性偏振光垂直，被该起偏器11反射出去，不会进入后续的检测***，需要的线性偏振光，即沿水平方向传播的线性偏振的太赫兹波则能顺利通过，该起偏器11的消光比可达104，可以获得偏振态纯度更高的线性偏振光，消光效果好。
偏振分光片12位于所述太赫兹调制波的传输路径中，用于将所述太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波。
参见图2，图2是一实施例中被测样品50对太赫兹波进行调制的示意图。该被测样品50为一种超材料结构，其表面独有一层周期结构的金属万字符，该万字符具有光学活性。该三维坐标系为太赫兹波经被测样品50调制前后所在的三维坐标系，黑色箭头表示该太赫兹波被调制之前的光矢量，圆圈表示该太赫兹波被调制之后的光矢量形成的轨迹，可以看到经过该被测样品50调制后，线性偏振态的太赫兹波转化为圆偏振态的太赫兹波，即圆偏振光。
在实际的检测中，被测样品50可以为其他物质，线性偏振态的太赫兹波经调制后可能会出现其他全偏振态，如线性偏振态或者椭圆偏振态。
该偏振分光片12为金属线栅分光片，其由等距排列的平行钨丝组成，间距可以为5微米。在工作过程中，给该偏振分光片12上电，对于沿金属线栅方向偏振的入射电磁波，其表现为一个典型的金属平板，大部分将被反射回去；如果该入射电磁波的偏振方向垂直于金属线栅，该电磁波可以顺利穿过该偏振分光片12。
在经上述被测样品50调制之后的圆偏振光投射在该金属线栅分光片上，该圆偏振光中偏振方向平行于金属线栅的太赫兹波分量被反射出去，偏振方向垂直于金属线栅的太赫兹波分量则顺利通过该金属线栅分光片，该圆偏振光经过该金属线栅分光片后被分解为偏振方向相互垂直的两束光，分别为水平太赫兹波和垂直太赫兹波。
水平太赫兹探测器13位于所述水平太赫兹波的传输路径中，用于检测所述水平太赫兹波。
垂直太赫兹探测器14位于所述垂直太赫兹波的传输路径中，用于检测所述垂直太赫兹波。
水平太赫兹波和垂直太赫兹波均为线性偏振光，分别设置两个太赫兹探测器对这两个线性偏振光进行检测，得到该圆偏振光正交场分量的幅值和相位，进而对该圆偏振光进行特征分析，以获取被测对象的特性。
本方案同样适用于线性偏振光和椭圆偏振光的检测，线性偏振光和椭圆偏振光均可以分解为正交场分量以实现检测。两个太赫兹探测器均采用偶极子探测天线，只接收偏振态与偶极子轴线平行的太赫兹波。如经过偏振分光片12处理后得到的水平太赫兹波的偏振方向与水平太赫兹探测器的偶极子轴线平行，该水平太赫兹探测器13只接收该水平太赫兹波，不需要使用太赫兹起偏器对该水平太赫兹波进行处理，检测精度高，结构简单。
上述太赫兹探测器10可以根据光强的不同判断接收的太赫兹波是线性偏振态，还是其他偏振态，进而对太赫兹调制波进行分析，得到其偏振态，正交场分量的幅值和相位，以实现对全偏振态的太赫兹调制波的检测，进而根据检测的结构分析被测样品50的特征。
在其中一个实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪还包括第一离轴抛物面镜15和第二离轴抛物面镜16，所述第一离轴抛物面镜15用于将所述起偏器11产生的线性偏振光聚焦到被测样品50上，所述第二离轴抛物面镜16用于将所述太赫兹调制波进行准直后发送给所述偏振分光片12。起偏器11发出的太赫兹波为水平方向传播的高纯度线性偏振光，通过第一离轴抛物面镜15对其进行聚焦处理后投射在被测样品50上，对被测样品50进行检测，经被测样品50调制后的太赫兹调制波为发散状态，第二离轴抛物面镜16对其进行准直，转化为水平方向传播的太赫兹调制波后发送给偏振分光片12。
在其中一个实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪还包括激光光源17，所述激光光源17作为该太赫兹全偏振态检测光谱仪的光源，用于提供产生太赫兹波的激光，以及激发水平太赫兹探测器13和垂直太赫兹探测器14工作的激光。该激光光源17为飞秒激光器，其为钛宝石激光器，发出的激光的中心波长为800nm，产生脉宽为100fs的激光脉冲，功率为100mw。
在其中一个实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪还包括置于激光光路上的分光片，所述分光片包括第一分光片18和第二分光片19，所述第一分光片18用于将所述激光分为第一光束和第二光束，所述第一光束用于泵浦太赫兹波发生器10产生所述太赫兹波，所述第二光束由所述第二分光片19分成第三光束和第四光束，第三光束用于激发所述水平太赫兹探测器13对所述水平太赫兹波进行检测，第四光束用于激发所述垂直太赫兹探测器14对所述垂直太赫兹波进行检测。
将激光光源17产生的激光分为三束，一束用于泵浦太赫兹波发生器10进行太赫兹辐射以产生线性偏振的太赫兹波，另外一束被一分为二，分别用于激发两个太赫兹探测器对太赫兹调制波的正交场分量进行检测。
其中，用于泵浦太赫兹波发生器10进行太赫兹辐射的激光经第一反射镜23改变其传播方向后，发送给太赫兹波发生器10。用于激发水平太赫兹探测器13的激光经第二反射镜24改变其传播方向后，发送给水平太赫兹探测器13。使得三束激光的传播方向均为水平方向，彼此互不干扰。
在其中一个实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪还包括还包括第一延迟线20、第二延迟线21和第三延迟线22，所述第一延迟线20对所述第一光束进行延时处理后发送给所述太赫兹波发生器10，所述第二延迟线21对所述第三光束进行延时处理后发送给所述水平太赫兹探测器13，所述第三延迟线22对所述第四光束进行延时处理后发送给所述垂直太赫兹探测器14，使得经所述分光片处理后的激光到达所述太赫兹波发生器10、水平太赫兹探测器13和垂直太赫兹探测器14的时间一致。
在对被测样品50进行检测时，需要同时对太赫兹调制波的正交场分量进行实时检测，以提高检测的精度，由于激光被分束后，每束激光的传输线路不一致，其到达太赫兹波发生器10、水平太赫兹探测器13和垂直太赫兹探测器14的时间有差别，为了使得三者同时工作，实现对被测样品50的实时检测，减小测量误差，在三束激光的传输线路上分别设置光学延迟线。可以将第一延迟线20的延时时间设置的长一些，第二延迟线21次之，第三延迟线22的延时时间最短。
在其中一个实施例中，该太赫兹全偏振态检测光谱仪还包括三组透镜和聚焦透镜，分别为第一透镜30和第一聚焦透镜40、第二透镜31和第二聚焦透镜41，第三透镜32和第三聚焦透镜42，所述太赫兹波发生器10、水平太赫兹探测器13和垂直太赫兹探测器14分别连接在一组透镜和聚焦透镜之间，所述第一透镜30对所述第一光束进行聚焦处理后发送给所述太赫兹波发生器10，所述第一聚焦透镜40将所述太赫兹波发生器10产生的太赫兹波进行准直后发送给所述起偏器11，所述第二透镜31对所述第三光束进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器13，所述第二聚焦透镜41将所述水平太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器13，所述第三透镜32对所述第四光束进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器14，所述第三聚焦透42镜将所述垂直太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器14。
偏振分光片12对太赫兹调制光进行分解后得到偏振方向和传播方向均垂直的两束太赫兹波，其中，垂直太赫兹波经第三反射镜25改变其传播方向后被送入第三聚焦透镜42，对其进行聚焦处理，提高太赫兹探测器的灵敏度，进而提高检测精度。
上述太赫兹全偏振态检测光谱仪，由太赫兹波发生10产生太赫兹波，并通过起偏器11对该太赫兹波进行纯度优化，被测对象50将进行纯度优化后的太赫兹波进行调制得到太赫兹调制波，并在调制前后通过离轴抛物面镜对太赫兹波进行聚焦和准直处理，提高检测的效果，然后通过偏振分光片12将该太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波，用两个对应的太赫兹探测器分别对这两个太赫兹波进行检测，进而根据该检测的结果对被测样品进行特征分析，并在每束激光分支上加入光学延迟线，保障样品检测的实时性；该太赫兹全偏振态检测光谱仪能够快速地对各种全偏振态的太赫兹波进行准确的检测，提高了被测样品的检测精度和检测效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，包括：
太赫兹波发生器，用于利用激光产生线性偏振态的太赫兹波；
起偏器，位于所述太赫兹发生器的辐射端，用于接收所述太赫兹波辐射并滤除所述太赫兹波中的杂散光，将所述太赫兹波转化为偏振态纯度更高的线性偏振光；经所述起偏器输出的线性偏振光用于照射被测样品后产生太赫兹调制波；
偏振分光片，位于所述太赫兹调制波的传输路径中，用于将所述太赫兹调制波分解为偏振态相互垂直的水平太赫兹波和垂直太赫兹波；
水平太赫兹探测器，位于所述水平太赫兹波的传输路径中，用于检测所述水平太赫兹波；
垂直太赫兹探测器，位于所述垂直太赫兹波的传输路径中，用于检测所述垂直太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，所述起偏器包括两个结构相同的多层硅片，两个所述多层硅片相对倾斜呈V字型，每个所述多层硅片与所述太赫兹波形成的光束的夹角为布儒斯特角。
3.根据权利要求2所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，所述多层硅片为四层硅片。
4.根据权利要求1所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于所述太赫兹波发生器为砷化镓光电导天线。
5.根据权利要求1所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，所述偏振分光片为金属线栅分光片。
6.根据权利要求1所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，还包括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用于将所述起偏器产生的线性偏振光聚焦到被测样品上，所述第二离轴抛物面镜用于将所述太赫兹调制波进行准直后发送给所述偏振分光片。
7.根据权利要求1所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，还包括激光光源，所述激光光源用于产生激光。
8.根据权利要求7所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，还包括置于激光光路上的分光片，所述分光片包括第一分光片和第二分光片，所述第一分光片用于将所述激光分为第一光束和第二光束，所述第一光束用于泵浦所述太赫兹波发生器产生所述太赫兹波，所述第二光束由所述第二分光片分成第三光束和第四光束，第三光束用于激发所述水平太赫兹探测器对所述水平太赫兹波进行检测，第四光束用于激发所述垂直太赫兹探测器对所述垂直太赫兹波进行检测。
9.根据权利要求8所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，还包括第一延迟线、第二延迟线和第三延迟线，所述第一延迟线对所述第一光束进行延时处理后发送给所述太赫兹波发生器，所述第二延迟线对所述第三光束进行延时处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第三延迟线对所述第四光束进行延时处理后发送给所述垂直太赫兹探测器，使得经所述分光片处理后的激光到达所述太赫兹波发生器、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器的时间一致。
10.根据权利要求9所述的太赫兹全偏振态检测光谱仪，其特征在于，还包括三组透镜和聚焦透镜，分别为第一透镜和第一聚焦透镜、第二透镜和第二聚焦透镜，第三透镜和第三聚焦透镜，所述太赫兹波发生器、水平太赫兹探测器和垂直太赫兹探测器分别连接在一组透镜和聚焦透镜之间，所述第一透镜对所述第一光束进行聚焦处理后发送给所述太赫兹波发生器，所述第一聚焦透镜将所述太赫兹波发生器产生的太赫兹波进行准直后发送给所述起偏器，所述第二透镜对所述第三光束进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第二聚焦透镜将所述水平太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述水平太赫兹探测器，所述第三透镜对所述第四光束进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器，所述第三聚焦透镜将所述垂直太赫兹波进行聚焦处理后发送给所述垂直太赫兹探测器。
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