CN110658155A - 一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪及光谱分析*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪及光谱分析***，包括：光纤飞秒激光器，空间光输出口的飞秒光入射至发射端；所述光纤输出口的相干探测光经光学延迟线入射至接收端；样品架，位于所述发射端与接收端之间；发射端，基于异质结构的电子自旋效应在飞秒激光激发和内部磁场共同作用下产生太赫兹脉冲；接收端，在样品太赫兹脉冲电场作用下形成电流，基于电流大小测量太赫兹脉冲波形特定点位的强度并输出至数据采集与处理模块从而进行光谱分析。本发明可有效提高太赫兹时域光谱仪的带宽和动态范围这两项关键的性能指标，并在提高整机可靠性的同时有效降低研制难度和成本。
Description
技术领域
本发明属于光谱测试技术领域，尤其涉及一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪及光谱分析***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在太赫兹领域，太赫兹时域光谱技术是一种主流的光谱分析技术，该技术主要是基于宽带太赫兹辐射与被测样品的相互作用实现对物质太赫兹指纹谱的测试与分析，同时还可以获取物质的折射率、介电常数等电磁参数，在危险品侦测、食品药品安全、油气勘测等诸多领域均已展现出重要应用价值。
在太赫兹时域光谱仪中，太赫兹光谱的产生是关键的技术问题之一。现有小型化太赫兹时域光谱仪一般都是采用光电导天线作为发射端。利用光电导天线产生太赫兹光谱的原理如下：在光电导芯片上的两电极之间施加偏置电压，由于光电导体材料的半绝缘性质，在两个电极之间形成了一个电容器结构，并存贮了静电势。如果这时有光子能量高于半导体能隙的光脉冲辐照在电极的间隙中，将会在该区域半导体表面产生瞬态的自由载流子。这些载流子会在偏置电场中加速运动，并将储存的静电势能以电磁脉冲的形式释放出来就形成了太赫兹脉冲辐射。
以光电导天线为发射端的太赫兹光谱仪具有结构灵活、易于实现整机集成和小型化的优势，因此得到了广泛应用，该技术的实现方案具体如下图所示。从带尾纤的光纤飞秒激光器中输出的飞秒激光经色散预补偿后被1×2耦合器分为两束光，其中一路作为泵浦光经光学延迟线进入发射模块，在外加偏置电源共同作用下激发光电导芯片产生太赫兹波；另一路作为探测光进入接收天线。从发射天线发射的太赫兹波与样品发生作用后也入射到接收天线上，通过探测天线输出的电流大小可以计算此刻太赫兹脉冲的强度。通过光学延迟线控制光路的延迟量就可以实现对太赫兹脉冲其他时域位置信号强度的采样。通过这些采样点的数据可以还原出完整的被测物太赫兹时域波形，然后通过傅里叶变换得到频域中的太赫兹光谱。
现有的小型化太赫兹时域光谱仪存在以下问题：
(1)整机光谱范围和动态范围两项关键性能指标受到限制。目前的太赫兹时域光谱仪中光电导天线能够辐射的光谱上限为6THz；能够承受的光功率最高为40mW，更大的光功率会导致光纤的非线性效应以及光电导芯片的损伤。这使太赫兹光谱仪的动态范围也受到了限制。另外，从时域光谱到频域谱的转换过程中一般是采用傅里叶变换，变换过程中的噪声也影响整机的动态范围。
(2)实现难度大。飞秒泵浦光和光电导芯片的电极间必须通过精密装调，导致整机的性能容易受到振动、温度变化等因素的干扰；光电导芯片的设计和研制难度也很大，目前世界上只有德国夫琅禾费实验室一家能够在1560nm中心波长飞秒激光泵浦下良好工作的光电导芯片。
(3)成本高。基于现有技术的太赫兹光谱仪整机中需要有高压偏置电源、多条光纤，而且发射端和接收端均采用高成本的光电导天线，导致整机成本居高不下。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪及光谱分析***，可有效提高太赫兹时域光谱仪的带宽和动态范围这两项关键的性能指标，并在提高整机可靠性的同时有效降低研制难度和成本。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，包括：
光纤飞秒激光器，所述光纤飞秒激光器包括空间光输出口和光纤输出口，所述空间光输出口的飞秒光入射至发射端；所述光纤输出口的相干探测光经光学延迟线入射至接收端；其中，所述光学延迟线的延迟量可调节；
样品架，位于所述发射端与接收端之间，用于固定待测样品；
发射端，包括基底，以及镀于基底上的一个或多个膜周期，所述膜周期由非磁性金属膜/磁性金属膜/磁性金属膜异质结构和覆盖该异质结构的介电覆盖层组成，发射端内部或外部还设有磁场产生体；所述发射端用于产生太赫兹脉冲，所述太赫兹脉冲穿过样品架上固定的样品，形成样品太赫兹脉冲电场；
接收端，包括光电导芯片，相干探测光在光电导芯片上激发出光生载流子，在样品太赫兹脉冲电场作用下形成电流，基于电流大小测量太赫兹脉冲波形特定点位的强度并输出至数据采集与处理模块。
进一步地，所述空间光输出口的飞秒光经由反射镜反射后入射至发射端。
进一步地，所述光纤输出口的相干探测光入射至接收端后，经尾纤传输至光电导芯片。
进一步地，所述数据采集与处理模块，接收基于多个延迟量获取的太赫兹脉冲波形多个点位的强度，复原被测样品的太赫兹光谱。
进一步地，复原被测样品的太赫兹光谱包括：
根据太赫兹脉冲波形多个点位的强度，复原得到被测物的太赫兹时域谱信息；采用小波将被测物的时域谱变换为频域中的太赫兹光谱。
进一步地，所述数据采集与处理模块还基于参考测量方法得到被测样品的特征吸收光谱信息。
一个或多个实施例提供了一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱分析***，所述***包括所述的太赫兹光谱仪和计算机；所述计算机与所述太赫兹光谱仪中的数据采集与处理和光学延迟线分别连接。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
(1)本发明的发射端具有高损伤阈值，可以接受的飞秒光功率在百毫瓦量级，远高于现有光电导天线的损伤阈值，使得整机中飞秒泵浦光可以具有更大的入射功率，这就使整机具有更大的动态范围，能够使测得的样品特征信息更加明显；同时整机光谱范围上限可以提高到10THz。
(2)由于发射端的整个光接收面都可以接收飞秒激光并有效产生太赫兹辐射，因此飞秒泵浦光与太赫兹发射器无需精密对准即可实现高效率的太赫兹光谱产生，降低了整机设计难度，提高了整机稳定性，同时也提高了对外界振动、温度等环境变化的抗干扰能力。
(3)发射端基于异质结构的电子自旋效应在飞秒激光激发和内部磁场共同作用下产生太赫兹脉冲，无需外加电场驱动，相对现有技术方案，本发明不需要高压偏置电源作为发射端的电驱动，降低体积、重量和成本的同时提升了整机可靠性，同时降低了散热设计要求。
(4)在时频转换运算时，采用db9小波变换代替现有光谱仪常规采用的傅里叶变换，使得频域数据的噪声得以降低，从而进一步提高了整机的动态范围。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有太赫兹时域光谱仪方案示意图；
图2为本发明一个或多个实施例中的太赫兹时域光谱仪方案示意图；
图3为样品架结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于电子自旋发射太赫兹波的太赫兹时域光谱分析***，包括太赫兹光谱仪和计算机。
所述太赫兹光谱仪主要由光纤飞秒激光器、反射镜、发射端、样品架、接收端、数据采集与处理模块、计算机、光学延迟线和光纤组成。其中，所述光纤飞秒激光器包括空间光输出口和光纤输出口，所述空间光输出口的出射光束经由反射镜入射到发射端；所述光纤输出口的出射光束经光学延迟线入射至接收端；样品架位于所述发射端与接收端之间，所述样品架用于放置待测物；接收端与数据采集与处理模块连接。
所述光纤飞秒激光器基于SESAM机理设计，具有小型化和低成本的特点，输出中心波长位于1560nm附近，具有空间光输出和光纤输出两个输出口，其中光纤输出接口输出的光已经过色散预补偿，脉冲宽度在皮秒量级，以保证经过后续光纤传输到达接收端光电导芯片的脉冲宽度不超过100fs；空间光输出口输出的光无需进行色散补偿，脉冲宽度小于100fs。
反射镜的工作波段包含1560nm，用于将空间光输出形式的飞秒激光反射到发射端的工作面上。
发射端核心为非磁性金属膜/磁性金属膜/磁性金属膜(NM1/FM/NM2)异质结构，这种异质结构由介电覆盖层覆盖组成一个膜周期。发射端就是在基底上镀一个或多个膜周期制备而成。基于该原理的发射端具有高损伤阈值，可以接受的飞秒光功率在百毫瓦量级，远高于现有光电导天线的损伤阈值，这可有效提高产生的太赫兹波强度，并且，发射端外部或内部还设计有磁场产生体，发射端基于异质结构的电子自旋效应在飞秒激光激发和内部磁场共同作用下产生太赫兹脉冲，无需外加电场驱动；当有飞秒激光入射时，这种发射端可在外加磁场或内置磁场的作用下基于电子自旋效应产生强太赫兹辐射，其光谱范围可覆盖0.1THz～10THz，辐射强度也超过现有的光电导天线。
并且，由于发射端的整个光接收面都可以接收飞秒激光并有效产生太赫兹辐射，因此飞秒泵浦光与太赫兹发射器无需精密对准即可有效工作。
样品架主要根据固体材料和液体容器的夹持需要而设计，其结构如图2所示，主要由底座、旋钮、移动块和固定块组成。其中，固定块固定在底座上，不可移动，移动块可在旋钮控制下进行移动，使用时可将块状固体或液体容器放在固定块和移动块之间，通过旋转旋钮实现对被测物的固定。整个样品架用轻质塑料制成，具有小巧轻便的优点。
接收端为光纤耦合型光电导探测天线，其核心为工作在1560nm附近的光电导探测芯片，尾端附带光纤，探测飞秒光脉冲通过光纤入射到光电导探测芯片上，实现对同时达到的被测物的太赫兹脉冲强度进行探测，并以电信号的形式输出。
数据采集与处理模块主要用于对从接收端输出的电信号进行采集并复原出太赫兹时域信号，进而通过db9小波变换获得被测物在频域中的太赫兹光谱。
计算机用于对数据采集与处理、光学延迟线两个模块进行控制与光谱的显示输出。
光学延迟线为工作波长包含1560nm的光纤延迟线，能够实现对飞秒光脉冲的光程进行快速高精度的控制。用于对从光纤飞秒激光器输出的探测光进行延迟调节，然后输出至接收端以实现探测飞秒脉冲对特定相位的太赫兹时域谱的采样探测。
光纤为工作在1560nm附近的保偏光纤，用于将从飞秒激光器光纤输出接口输出的飞秒光导入光学延迟线中。
工作原理如下：从光纤飞秒激光器空间光输出口输出的飞秒光由反射镜反射后入射到发射端产生出皮秒量级的太赫兹脉冲，太赫兹脉冲穿过样品架上固定的样品后就携带了样品的特征信息；同时，相干探测光由光纤输出接口输出后由连接光纤导入光学延迟线中，由光学延迟线进行延时后进入接收端的尾纤，并由尾纤导入接收端的光电导芯片上激发出光生载流子；这些载流子在样品太赫兹脉冲电场作用下形成电流，根据接收端输出的电流大小就可以测量出太赫兹脉冲波形特定点位的强度，并由数据采集与处理模块采集记录。连续改变光学延迟线的延迟量可通过接收端探测到样品太赫兹脉冲波形其他各个点位上的强度值，根据不同相位上的脉冲强度值可复原得到被测物的太赫兹时域谱信息。然后在数据采集与处理模块中采用db9小波将被测物的时域谱变换为频域中的太赫兹光谱，最终基于参考测量方法得到被测物的特征吸收光谱信息。
以上一个或多个实施例具有以下技术效果：
(1)本发明的发射端具有高损伤阈值，可以接受的飞秒光功率在百毫瓦量级，远高于现有光电导天线的损伤阈值，使得整机中飞秒泵浦光可以具有更大的入射功率，这就使整机具有更大的动态范围，能够使测得的样品特征信息更加明显；同时整机光谱范围上限可以提高到10THz。
(2)由于发射端的整个光接收面都可以接收飞秒激光并有效产生太赫兹辐射，因此飞秒泵浦光与太赫兹发射器无需精密对准即可实现高效率的太赫兹光谱产生，降低了整机设计难度，提高了整机稳定性，同时也提高了对外界振动、温度等环境变化的抗干扰能力。
(3)发射端基于异质结构的电子自旋效应在飞秒激光激发和内部磁场共同作用下产生太赫兹脉冲，无需外加电场驱动，相对现有技术方案，本发明不需要高压偏置电源作为发射端的电驱动，降低体积、重量和成本的同时提升了整机可靠性，同时降低了散热设计要求。
(4)在时频转换运算时，采用db9小波变换代替现有光谱仪常规采用的傅里叶变换，使得频域数据的噪声得以降低，从而进一步提高了整机的动态范围。
(5)设计了用于固液态样品测量样品架，提高了整机的适用性与易用性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，包括：
光纤飞秒激光器，所述光纤飞秒激光器包括空间光输出口和光纤输出口，所述空间光输出口的飞秒光入射至发射端；所述光纤输出口的相干探测光经光学延迟线入射至接收端；其中，所述光学延迟线的延迟量可调节；
样品架，位于所述发射端与接收端之间，用于固定待测样品；
发射端，包括基底，以及镀于基底上的一个或多个膜周期，所述膜周期由非磁性金属膜/磁性金属膜/磁性金属膜异质结构和覆盖该异质结构的介电覆盖层组成，发射端内部或外部还设有磁场产生体；所述发射端用于产生太赫兹脉冲，所述太赫兹脉冲穿过样品架上固定的样品，形成样品太赫兹脉冲电场；
接收端，包括光电导芯片，相干探测光在光电导芯片上激发出光生载流子，在样品太赫兹脉冲电场作用下形成电流，基于电流大小测量太赫兹脉冲波形特定点位的强度并输出至数据采集与处理模块。
2.如权利要求1所述的一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，所述空间光输出口的飞秒光经由反射镜反射后入射至发射端。
3.如权利要求1所述的一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，所述光纤输出口的相干探测光入射至接收端后，经尾纤传输至光电导芯片。
4.如权利要求1所述的一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，所述数据采集与处理模块，接收基于多个延迟量获取的太赫兹脉冲波形多个点位的强度，复原被测样品的太赫兹光谱。
5.如权利要求4所述的一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，复原被测样品的太赫兹光谱包括：
根据太赫兹脉冲波形多个点位的强度，复原得到被测物的太赫兹时域谱信息；采用小波将被测物的时域谱变换为频域中的太赫兹光谱。
6.如权利要求5所述的一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱仪，其特征在于，所述数据采集与处理模块还基于参考测量方法得到被测样品的特征吸收光谱信息。
7.一种基于电子自旋发射的太赫兹光谱分析***，其特征在于，所述***包括如权利要求1-6任一项所述的太赫兹光谱仪和计算机；所述计算机与所述太赫兹光谱仪中的数据采集与处理和光学延迟线分别连接。
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