CN109115690A - 实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法，其装置包括飞秒激光器、光学分束片BS、阵列光电导天线、离轴抛物面镜、太赫兹起偏器、反射模块、电光晶体、机械延迟线、光学起偏器、四分之一波片、探测装置，其中探测装置由光学分束片NPB、二分之一波片、沃拉斯顿棱镜、探测端组成。实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪将太赫兹时域椭偏仪和实时的偏振敏感探测结合起来，单次测量就可以同时获得太赫兹脉冲电场的P偏振和S偏振分量。利用实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪测量样品光学常数，提高了实验效率和数据的精度。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及使用其测量光学常数的方法。可以应用于工业上快速获取物质的光学常数。
背景技术
太赫兹(THz)是频率在0.1THz～10THz的电磁波。物质中原子分子的振动和转动能级一般都落在这一波段，因此在对材料的表征及机理研究中有着非常重要的地位。然而，这一波段辐射源和探测器的限制使其光谱仪器设备的开发依然不成熟。基于飞秒激光的太赫兹时域光谱技术可以同时测量幅度项和相位项，从而不需要Kramers-Kronig关系或者物理模型就可以获得物质的光学常数。在太赫兹波段“光学厚(Optically dense)”的物质，一般采用太赫兹时域反射光谱法。但是，这一光谱技术中不可避免的相位误差导致无法直接通过实验的方法获得物质的光学常数。
太赫兹时域椭偏光谱法是一种有望解决“光学厚”样品的测量的技术。作为一种相干的探测手段，其只需要获得S偏振和P偏振的时域脉冲就可以完成测量。目前，数据测量的精度(precision)和***的准度(accuracy)限制了太赫兹时域椭偏仪的发展。***的准度的问题是由于现有太赫兹波段光学元器件的质量不够和光学***的光束传输方向未完全校准等原因导致的。要解决这一问题，实验员需要从后期的***校准和前期光学***设计这两方面着手。数据测量的精度问题是由于传统太赫兹时域光谱***的探测器的偏振选择性导致的。要得到S偏振和P偏振信息，一般要人为的旋转太赫兹起偏器。因此，要确定一个样片光学常数就需要分别测量S偏振和P偏振分量。这样不仅降低了实验效率，而且会引入光谱设备自身的不稳定性。
发明内容
基于此，本发明的目的是在太赫兹时域椭偏仪中实现单次测量太赫兹电场的P偏振和S偏振分量来确定样品的光学常数，提高实验效率和数据的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，包括飞秒激光器、光学分束片、阵列光电导天线、离轴抛物面镜、太赫兹起偏器、反射模块、电光晶体、机械延迟线、光学起偏器、四分之一波片和探测装置；
所述飞秒激光器用于提供飞秒激光；
光学分束片BS设置在飞秒激光光路上，将飞秒激光分为探测光和泵浦光；
所述探测光进入机械延迟线，再经过光学起偏器和四分之一波片后，被调制为圆偏振态，入射到电光晶体上；
所述泵浦光经过阵列光电导天线后辐射出太赫兹脉冲；
所述太赫兹脉冲依次经过离轴抛物面镜PM1、太赫兹起偏器WG、离轴抛物面镜PM2、反射模块、离轴抛物面镜PM3和离轴抛物面镜PM4后，被汇聚到电光晶体上，和所述探测光重合后进入探测装置；
所述探测装置由光学分束片NPB、两个二分之一波片、两个沃拉斯顿棱镜、平衡探测器DS和平衡探测器DP组成；
所述光学分束片NPB设置于电光晶体后，将脉冲分为两束，第一束脉冲经二分之一波片、沃拉斯顿棱镜后输入DS探测器；第二束脉冲经二分之一波片、沃拉斯顿棱镜后输入DP探测器。
优选地，所述光学分束片BS为1:9的光学分束片。
优选地，所述光电导天线上加有调制频率为22kHz的方波偏置电压。
优选地，所述离轴抛物面镜PM1焦距为3英寸；离轴抛物面镜PM2焦距为8英寸；离轴抛物面镜PM3焦距为8英寸；离轴抛物面镜PM4焦距为2英寸。
优选地，离轴抛物面镜PM3和离轴抛物面镜PM4之间设置太赫兹起偏器WG1和太赫兹起偏器WG2。
优选地，所述反射模块包括两个金属楔和一个样品架。
优选地，所述电光晶体为(110)晶向的ZnTe。
优选地，所述光学分束片NPB为5:5的无偏振选择性的光学分束片。
优选地，DS探测器只响应S偏振，DP探测器只响应P偏振。
本发明还包括一种测量物质光学常数的方法，包括如下步骤：
步骤一：将样品固定在所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪的样品架上；
步骤二：用太赫兹起偏器对所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪进行校准；
步骤三：测量从样品表面反射的太赫兹时域脉冲；
步骤四：对获得的时域脉冲进行傅里叶变化，利用金属铝镜标定并校准样品数据，获得样品的椭圆偏振参数；
步骤五：利用椭圆偏振参数计算得到样品的光学常数。
本发明将太赫兹时域椭偏仪和实时的偏振敏感探测结合起来，单次测量就可以同时获得太赫兹脉冲电场的P偏振和S偏振分量，通过对实时偏振敏感探测器的校准，利用P偏振和S偏振的复反射谱之比，可以获得准确的椭偏参数，从而得到了太赫兹波段“光学厚”材料的光学常数，同时有效的压制了***抖动，提高了实验效率和数据的精度。
附图说明
图1为实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪的光路图；
图2为偏振敏感探测端校准数据；
图3为从样品硅表面反射的太赫兹时域波形图；
图4从金属铝表面反射的太赫兹时域波形图；
图5样品硅的椭偏参数；
图6样品硅的椭偏参数tanΨ和P偏振反射幅度的相对误差(相对方差)；
图7样品硅的折射率；
图8样品硅的消光系数。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
太赫兹脉冲实时偏振测量的理论方法如下：
一般采用的自由空间电光采样(free-space EOS)配置为：1/2波片、电光晶体、1/4波片，P偏振的探测光依次通过这几个光学元件，并被太赫兹脉冲电场调制，其中1/4波片与光学入射面夹角为45°(构造等幅椭圆偏振光)。这里我们使用的电光晶体是ZnTe(110)，晶体的[001]方向在光学入射面内。则最后出射探测光的P偏振与S偏振的光强差的表达式为:
其中L为电光晶体的长度，ω为探测光的角频率，c为真空光速，n为电光晶体在探测光波段的折射率，γ41为电光晶体的非零电光张量元，Stot为总探测光强，γ为1/2波片的快轴或慢轴与光学入射面的夹角，α为太赫兹脉冲电场与光学入射面的夹角，ETHz为太赫兹时域脉冲电场，Ex和Ey为ETHz的x和y分量。在这种配置下，通过旋转1/2波片的角度就可以测量不同的太赫兹偏振分量。
为了得到实时的偏振分辨测量，我们将这三个光学元件的顺序颠倒：1/4波片、电光晶体、1/2波片。由于这三个光学元件的琼斯矩阵是对称矩阵，因此出射探测光的P偏振和S偏振的光强差的表达式不变。因此，在电光晶体后，用一块无偏振选择性的分束片将被调制的探测光5:5分为两束(探测光束A和探测光束B)。在探测光束A和B中分别放入夹角γ为0°和22.5°的1/2波片。此时探测光束A的P偏振和S偏振的光强差值就与太赫兹脉冲电场的S偏振分量成正比，探测光束B的P偏振和S偏振的光强差值就与太赫兹脉冲电场的P偏振分量的一半成正比。通过改变延迟线，就可以同时获得P偏振和S偏振的太赫兹脉冲电场信息。
结合实施例1说明本发明实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪的搭建。
实施例1：
搭建的实验***如图1。飞秒激光器为商用的钛宝石激光器(Coherent Vitesse,800nm,100fs,80MHz)。其中，BS为1:9的光学分束片，PCA为阵列光电导天线(BatopOptoelectronics iPCA 21-05-1000-800-h)，PM1到PM4为离轴抛物面镜，焦距分别为3英寸、8英寸、8英寸、2英寸，WG、WG1和WG2为太赫兹起偏器(绿色虚线框表示这两个线栅仅仅在调节探测端响应时才会放入光路)，Reflection module是反射模块(包含有两个金属楔MW和一个样品架Sample)，ZnTe为(110)晶向的电光晶体，Time delay为机械延迟线，Polarizer为光学起偏器(P偏振起偏)，λ/4为四分之一波片，NPB为5:5的无偏振选择性的光学分束片，λ/2为二分之一波片，WP为沃拉斯顿棱镜。DS和DP是采用了平衡探测器的探测端，分别只响应S偏振和P偏振。
激光器的飞秒脉冲通过BS分束为泵浦光和探测光。泵浦光入射到阵列光电导天线上，光电导天线上加有调制频率为22kHz的方波偏置电压(高电平10V，低电平0V，占空比50％)，并且其旋转一定角度使得辐射的太赫兹脉冲的P偏振和S偏振分量的幅度近似相等，发散的太赫兹脉冲用PM1收集准直后经过线栅WG，线栅旋转到45°方向从而进一步使得P偏振和S偏振分量的幅度相等。与P偏振方向夹角为45°的太赫兹脉冲经过PM2汇聚如Reflectionmodule中，MW1将太赫兹脉冲以60°入射到样品表面，从样品表面反射的太赫兹脉冲经过MW2的反射后被PM3收集准直，最后PM4将太赫兹脉冲汇聚到探测晶体上并和探测光重合。探测光被BS反射后进入机械的时间延迟线Time delay，经过Polarizer和λ/4后，被调制为圆偏振态，然后入射到探测晶体上并和太赫兹焦点重合。通过改变Time delay，探测脉冲和太赫兹脉冲会在时间上重合，通过电光效应，探测脉冲的偏振态会被太赫兹脉冲调制。NPB将被调制的探测脉冲分为两束，一束输入DS探测器，DS探测器中二分之一波片的角度为0°；另一束输入到DP探测器，DP探测器中二分之一波片的角度为22.5°。在两个探测器中，利用平衡探测法测量偏振变化，从而可以提取出S偏振和P偏振的信息。
要使得DP和DS探测器分别只响应P偏振和S偏振太赫兹，就需要准确的调节λ/4、探测晶体、两个λ/2这四个光学元件的角度。在PM3和PM4之间放置两个WG1和WG2(这两个线栅的消光比约为500)，通过旋转这两个线栅的角度，就可以对两个探测器进行调节。首先需要测量得到ZnTe(110)的[001]方向，并将[001]沿着P偏振方向(光学入射面)。将λ/4和两个λ/2旋转到相应角度。但是由于波片的快轴或慢轴的标记一般并不是很准确，因此需要用线栅WG1和WG2构造S偏振或者P偏振太赫兹，然后旋转λ/4和两个λ/2使得DS(DP)对于P(S)偏振的响应尽可能的小。调节好后，我们让WG1仅仅通过S偏振太赫兹，然后旋转WG2，检验DS和DP对于太赫兹的响应。如图2是相应的响应曲线，证明了我们的探测端具备实时偏振分辨本领。
下面结合实施例2说明光学常数的测量方法。
实施例2：
首先将待测样品固定在样品架上。由于NPB、电光晶体、探测器并不能达到理想的状态，因此需要对于DS和DP进行校准。DS和DP极化响应的差异可以表示为：
其中，为DP(DS)探测器所测量差分信号的傅里叶变换，为DP(DS)探测器的极化响应，为样品的琼斯矩阵，和分别为入射太赫兹电场的P偏振分量和S偏振分量。通过调节电光晶体和二分之一波片的角度，探测器DS和DP可以达到很高的消光比，因此和可以近似表示为和对于各向同性的样品，的表达式为:
其中Ψ和Δ是样品的椭偏参数，其定义为:
其中为P偏振与S偏振分量的反射系数之比。因此，和可以表达为：
则椭偏参数可以改写为:
和可以从实验上测量得到。对于的数值可以通过金属
铝镜测量标定。这是因为金属在太赫兹波段的复折射率非常大，例如对于金属铝在波长为250μm的复折射率为531+689.7i，因此其椭偏参数Ψ和Δ十分趋近于Pi/4和Pi。这样就可以通过测量金属镜的P偏振与S偏振之比来确定从而确定样品的椭偏参数。
对于表面粗糙度可以忽略的样品，其介电常数可以表示为:
其中，为样品的相对介电常数，其复折射率与相对介电常数的关系为其中n为折射率，κ为消光系数。
利用搭建的该***，测量了从样品硅和金属铝镜表面反射的太赫兹时域波形，如图3和图4所示。通过傅里叶变换，可以获得其谱信息。利用方程(2)到(6)，就可得到样品硅的椭偏参数，如图5所示。图6为样品硅的椭偏参数tanΨ与反射幅度的相对误差(相对方差)，由于实时偏振分辨***的优越性，在整个测量波段，椭偏参数tanΨ的相对误差都在1％以下。图7和图8为利用椭偏参数和方程(7)计算得到的复折射率(空心圆点)。其中的上下三角是通过传统的太赫兹时域反射光谱测量的，其中利用了Drude模型对相位项进行了修正。两个***的结果很好的符合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施仅局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，包括飞秒激光器、光学分束片、阵列光电导天线、离轴抛物面镜、太赫兹起偏器、反射模块、电光晶体、机械延迟线、光学起偏器、四分之一波片和探测装置；
所述飞秒激光器用于提供飞秒激光；
光学分束片BS设置在飞秒激光光路上，将飞秒激光分为探测光和泵浦光；
所述探测光进入机械延迟线，再经过光学起偏器和四分之一波片后，被调制为圆偏振态，入射到电光晶体上；
所述泵浦光经过阵列光电导天线后辐射出太赫兹脉冲；
所述太赫兹脉冲依次经过离轴抛物面镜PM1、太赫兹起偏器WG、离轴抛物面镜PM2、反射模块、离轴抛物面镜PM3和离轴抛物面镜PM4后，被汇聚到电光晶体上，和所述探测光重合后进入探测装置；
所述探测装置由光学分束片NPB、两个二分之一波片、两个沃拉斯顿棱镜、平衡探测器DS和平衡探测器DP组成；
所述光学分束片NPB设置于电光晶体后，将脉冲分为两束，第一束脉冲经二分之一波片、沃拉斯顿棱镜后输入DS探测器；第二束脉冲经二分之一波片、沃拉斯顿棱镜后输入DP探测器。
2.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述光学分束片BS为1:9的光学分束片。
3.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述光电导天线上加有调制频率为22kHz的方波偏置电压。
4.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述离轴抛物面镜PM1焦距为3英寸；离轴抛物面镜PM2焦距为8英寸；离轴抛物面镜PM3焦距为8英寸；离轴抛物面镜PM4焦距为2英寸。
5.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，离轴抛物面镜PM3和离轴抛物面镜PM4之间设置太赫兹起偏器WG1和太赫兹起偏器WG2。
6.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述反射模块包括两个金属楔和一个样品架。
7.如权利要求4或5所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述电光晶体为(110)晶向的ZnTe。
8.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，所述光学分束片NPB为5:5的无偏振选择性的光学分束片。
9.如权利要求1所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪，其特征在于，DS探测器只响应S偏振，DP探测器只响应P偏振。
10.一种测量物质光学常数的方法，其特征在于，采用如下步骤对样品进行光学常数测量：
步骤一：将样品固定在所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪的样品架上；
步骤二：用太赫兹起偏器对所述实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪进行校准；
步骤三：测量从样品表面反射的太赫兹时域脉冲；
步骤四：对获得的时域脉冲进行傅里叶变化，利用金属铝镜标定并校准样品数据，获得样品的椭圆偏振参数；
步骤五：利用椭圆偏振参数计算得到样品的光学常数。
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