CN112326588A - 一种太赫兹时域光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱技术领域，特别是利用太赫兹脉冲进行探测识别样品，具体地提供一种太赫兹时域光谱仪。该太赫兹时域光谱仪包括飞秒激光器、分束器、快速光学扫描延迟装置、光电导天线太赫兹发射器、光电导天线太赫兹探测器、锁相放大器、数据处理模块和反射镜组件；光电导天线太赫兹发射器位于分束器和反射镜组件之间，反射镜组件包括抛物面反射镜组和椭球面反射镜组，光电导天线太赫兹探测器位于反射镜组件和锁相放大器之间。本发明能够用于测量待测样品的反射光谱或透射光谱，具有入射角度小、反射率高、衰减小、无像差、结构简单紧凑等优点；而且可根据待测样品的属性灵活切换测量透射光谱和测量反射光谱的测量模式。
Description
技术领域：
本发明涉及光谱技术领域，特别是利用太赫兹脉冲进行探测识别样品，具体地提供一种太赫兹时域光谱仪。
背景技术：
太赫兹时域光谱技术，就是利用太赫兹脉冲与物质发生作用，并探测由此产生的太赫兹(THz)电场强度随时间的变化曲线，经过数据处理，以得到样品的复折射率、介电常数和电导率等信息。根据样品属性的不同，得到的太赫兹电场强度分布也会有所不同，经过数据处理得到的结果也会变化，通过分析以上电化学信息，可识别不同的物品。传统的太赫兹时域光谱仪的探测模式主要分为两类：一类是透射测量模式，另一类是反射测量模式；以上两种模式有单独设计的，也有同时存在的。
浙江大学张兴宁等人发表的论文《太赫兹时域光谱技术》，文中采用离轴抛物面反射镜准直聚焦的模式采集样品的反射光谱；在此论文中，发射的太赫兹波经第一抛物面反射镜准直后，经第二抛物面反射镜聚焦，为实现对样品反射光谱的采集在第二抛物面反射镜的后面加入了平面反射镜，以此将太赫兹波汇聚到样品；然而，采用这种方式不仅仅增加了光路的体积，还提高了太赫兹波反射的次数，使太赫兹波的能量衰减的更多。
在反射测量模式中，太赫兹脉冲入射角θ通过1/cos2θ影响测试的折射系数，测量误差与频率成线性关系，当折射系数较高时，则误差更大。在垂直入射和反射时计算出的透射率和反射率才是更为可靠的，因此在反射测量模式时入射角θ越小越好。但是，由于透镜尺寸及支撑件尺寸的干扰，入射角θ也不可能做到很小，例如专利CN108254336A公开了一种太赫兹光谱仪，该太赫兹光谱仪包括色散补偿***、光分束器、光纤拉伸***、检测***和数据处理***，所述检测***包括用于产生太赫兹波的光电导发射天线、用于接收太赫兹波的光电导接收天线和用于对太赫兹波进行聚焦的光学组件，所述光学组件包括四个透镜，其中第一透镜组包括两个透镜，第二透镜组包括另外两个透镜，如此会影响折射率等相关参数的测量计算，导致测量误差变大。
在专利CN108254336A中，所述光学组件的四个透镜为聚烯烃透镜，聚烯烃透镜可以是非球面镜或球面镜，用于对太赫兹波进行准直聚焦；由于太赫兹波强度相对较弱，那么对于调制太赫兹波的材料就提出了更高的要求，例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚四氟乙烯(PTFE)等对太赫兹波段有着高透过率，同时吸收率却高达4％/mm左右，因此在实际光学设计中，透镜厚度是必须要考虑的因素之一，同时原则上还要考虑其结构和机械强度的问题，如果透镜的光焦度为正，一般其中心厚度不小于3mm；而光焦度为负时，其中心厚度不小于透镜口径的1/10～1/15，以防止厚度过薄导致在安装加固时发生形变，影响成像效果；同时，透镜厚度本身也是光学结构参数，是优化透镜焦距矫正光学***像差的变量。
现有技术采用较多的是透射测量模式，但是若采用透镜搭建透射测量光路会增加太赫兹能量损耗，也可以同时采用透射测量模式和反射测量模式，例如专利CN109406441A公开了一种太赫兹时域光谱仪，利用第一太赫兹天线和第二太赫兹天线接收到由待测样品透射的太赫兹波和由待测样品反射的太赫兹波，可以方便地测得待测样品的反射光谱和透射光谱，便于全面地分析待测样品的特性；又例如专利CN105548083A公开了一种双光路太赫兹时域光谱仪，采用分光的形式将一束激光分为两路，每路激光再分为泵浦光和探测光，分别进行反射、透射光谱探测；采用双光路测量的模式就需要两对发射和接收太赫兹信号的光电导天线，大大增加了成本，不适合作为工业产品输出；另外，在测量反射光谱的光路中，反射元件采用的是抛物面反射镜，从光学像差理论分析，抛物面反射镜无法做到对物点完美的聚焦，存在着一定的像差，对太赫兹波的聚焦和***的分辨率产生一定的不利影响；更重要的是可能会增加光路的轴向深度，进而使空间体积变大，不利于设备集成。
发明内容：
针对现有技术中的太赫兹时域光谱仪存在入射角较大而导致测量参数不准确、太赫兹波经过透镜衰减大、采用抛物面反射镜聚焦效果不佳、同时测量透射光谱和反射光谱的成本高等缺点，提供一种小角度测量、衰减小以及实现两种测量光谱模式可切换的低成本的太赫兹时域光谱仪。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种太赫兹时域光谱仪，用于测量待测样品的反射光谱或透射光谱，其特征在于：包括飞秒激光器、分束器、快速光学扫描延迟装置、光电导天线太赫兹发射器、光电导天线太赫兹探测器、锁相放大器、数据处理模块和反射镜组件；所述飞秒激光器用于产生飞秒激光，所述分束器用于将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光，所述快速光学扫描延迟装置用于调节所述探测光相对于所述泵浦光的时间延迟；所述光电导天线太赫兹发射器设置于所述泵浦光的光路上且位于所述分束器和所述反射镜组件之间，所述光电导天线太赫兹发射器用于接收所述泵浦光并发射太赫兹波；所述反射镜组件设置于所述泵浦光的光路上，所述反射镜组件包括抛物面反射镜组和椭球面反射镜组，所述抛物面反射镜组使所述太赫兹波从所述待测样品透射，所述抛物面反射镜组包括四个抛物面反射镜，所述椭球面反射镜组使所述太赫兹波从所述待测样品反射，所述椭球面反射镜组包括两个椭球面反射镜；所述光电导天线太赫兹探测器设置于所述泵浦光的光路上且位于所述反射镜组件和所述锁相放大器之间，所述光电导天线太赫兹探测器用于探测所述经过时间延迟的探测光和从所述待测样品透射或反射的太赫兹波并输出电压信号；所述锁相放大器与所述光电导天线太赫兹探测器连接，所述锁相放大器用于接收所述光电导天线太赫兹探测器输出的电压信号并向所述数据处理模块输出检测还原的电压信号。
优选地，所述飞秒激光器选用脉冲能量为100mW、脉冲持续时间小于60fs、峰值动态范围大于1000:1的掺铒光纤飞秒激光器，所述飞秒激光的波长为1560nm。
优选地，所述泵浦光占所述飞秒激光的输出功率的30％，所述探测光占所述飞秒激光的输出功率的70％。
优选地，所述快速光学扫描延迟装置采用音圈电机和光纤延迟线，所述音圈电机能够控制所述光纤延迟线提供100ps的最大延迟范围。
优选地，所述抛物面反射镜对所述太赫兹波的反射率大于或等于97％。
优选地，所述光电导天线太赫兹发射器和所述光电导天线太赫兹探测器采用用于1560nm激光的光纤耦合天线模块，所述光纤耦合天线模块具有基于InGaAs/InAlAs多层MESA结构。
优选地，所述抛物面反射镜组的四个抛物面反射镜为第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜和第四抛物面反射镜，所述第一抛物面反射镜和所述第二抛物面反射镜依次设置于所述光电导天线太赫兹发射器和所述待测样品之间，所述第三抛物面反射镜和所述第四抛物面反射镜依次设置于所述待测样品和所述光电导天线太赫兹探测器之间；所述椭球面反射镜组的两个椭球面反射镜为对称地相背设置的第一椭球面反射镜和第二椭球面反射镜，所述第一椭球面反射镜的反射面朝向所述光电导天线太赫兹发射器，所述第二椭球面反射镜的反射面朝向所述光电导天线太赫兹探测器。
更优选地，所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一抛物面反射镜的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹探测器与所述第四抛物面反射镜的中心之间的距离。
更优选地，所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一椭球面反射镜之间的最小距离等于所述光电导天线太赫兹探测器与所述第二椭球面反射镜之间的最小距离。
更优选地，所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一抛物面反射镜的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一椭球面反射镜之间的最小距离。
本发明所述的太赫兹时域光谱仪能够用于测量待测样品的反射光谱或透射光谱，具有入射角度小、反射率高、衰减小、无像差、结构简单紧凑等优点；而且可根据待测样品的属性灵活切换测量透射光谱和测量反射光谱的测量模式。
附图说明：
图1为本发明所述的太赫兹时域光谱仪采用抛物面反射镜组的光路结构示意图；
图2为本发明所述的抛物面反射镜组的透射光路示意图；
图3为本发明所述的太赫兹时域光谱仪采用椭球面反射镜组的光路结构示意图；
图4为本发明所述的椭球面反射镜组的反射光路示意图。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。
如图1和图3所示，本发明所述的太赫兹时域光谱仪，用于测量待测样品14的反射光谱或透射光谱，具体包括飞秒激光器1、分束器2、快速光学扫描延迟装置3、光电导天线太赫兹发射器4、光电导天线太赫兹探测器5、锁相放大器6、数据处理模块7、反射镜组件和计算机8；所述反射镜组件包括彼此独立的抛物面反射镜组和椭球面反射镜组，测量待测样品14的反射光谱时采用所述椭球面反射镜组，测量待测样品14的透射光谱时采用所述抛物面反射镜组，所述抛物面反射镜组与所述椭球面反射镜组可以实现自由替换，避免了光电导天线的增多的问题，能够降低成本和保证动态范围等性能。
所述飞秒激光器1用于产生飞秒激光，所述飞秒激光器1作为激励源，所述飞秒激光作为所述太赫兹时域光谱仪的光源；优选地，所述飞秒激光的波长为1560nm。所述飞秒激光器1通过尾纤与所述分束器2连接。具体地，所述飞秒激光器1选用toptica公司的掺铒光纤飞秒激光器，脉冲能量约为100mW，脉冲持续时间小于60fs，峰值动态范围大于1000:1。
所述分束器2设置于所述飞秒激光的光路上，用于将所述飞秒激光分为两路：一路为泵浦光，所述泵浦光占所述飞秒激光的输出功率的30％，所述泵浦光用于产生太赫兹波；另一路为探测光，所述探测光占所述飞秒激光的输出功率的70％，所述探测光用于与经过所述待测样品14的太赫兹波共线耦合。
所述快速光学扫描延迟装置3设置于所述探测光的光路上，用于调节所述探测光相对于所述泵浦光的时间延迟；所述快速光学扫描延迟装置3优选采用音圈电机和光纤延迟线，所述音圈电机能够控制所述光纤延迟线提供100ps的最大延迟范围。
所述光电导天线太赫兹发射器4设置于所述泵浦光的光路上且位于所述分束器2和所述反射镜组件之间，所述分束器2通过保偏光纤与所述光电导天线太赫兹发射器4连接，所述泵浦光通过保偏光纤被聚焦到所述光电导天线太赫兹发射器4上，在偏置电压的作用下，所述泵浦光激励产生的光电子运动被加速，形成一个瞬时光电流，从而发射太赫兹波。
所述反射镜组件设置于所述泵浦光的光路上，所述反射镜组件包括彼此独立的抛物面反射镜组和椭球面反射镜组，用于将所述太赫兹波聚焦到所述待测样品14，使所述太赫兹波或从所述待测样品14透射或反射，从所述待测样品14透射或反射的太赫兹波携带有所述待测样品14的测量信息；所述测量信息包括所述待测样品14的透射或反射的太赫兹波的脉冲振幅和相位信息，通过快速傅里叶变换可以获得所述待测样品14的吸收光谱和色散光谱，经过化学分析及能量计算可以得到不同分子构象以及分子间化学键相互作用的信息，对该脉冲振幅和相位信息处理后可得到所述待测样品14对某频段太赫兹波的折射率/透射率/消光系数等信息，进而分辨出不同的样品。当需要测量待测样品14的透射光谱时，采用抛物面反射镜组使所述太赫兹波透射所述待测样品14，所述抛物面反射镜组包括四个抛物面反射镜；当需要测量待测样品14的反射光谱时，采用椭球面反射镜组使所述太赫兹波从所述待测样品14反射，所述椭球面反射镜组包括两个椭球面反射镜。
所述光电导天线太赫兹探测器5设置于所述泵浦光的光路上且位于所述反射镜组件和所述锁相放大器6之间，用于探测所述经过时间延迟的探测光和携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波，所述经过时间延迟的探测光和携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波同时聚焦到所述光电导天线太赫兹探测器5上；所述光电导天线太赫兹发射器4和所述光电导天线太赫兹探测器5优选采用Menlo Systems公司生产的用于1560nm激光的光纤耦合天线模块，所述光纤耦合天线模块具有基于InGaAs/InAlAs多层MESA结构；所述光电导天线太赫兹探测器5接收到探测光和太赫兹波后产生电流信号，由于该电流信号较为微弱，通常为皮安(pA)量级，容易淹没在背景噪声中，需要通过前置放大器进行前置放大和主放大，经放大后产生微伏(μV)量级电压信号。
所述锁相放大器6与所述光电导天线太赫兹探测器5连接，用于接收所述光电导天线太赫兹探测器5产生的电压信号，能够将信噪比为10-6的微弱信号成功检测还原，锁相放大是一种微弱信号检测的有效手段。所述数据处理模块7与所述快速光学扫描延迟装置3、所述光电导天线太赫兹发射器4和所述锁相放大器6连接，所述数据处理模块7能够对所述锁相放大器6输出的检测还原的电压信号进行处理，例如采集和显示等。所述计算机8与所述数据处理模块7连接，作为上位机使用，用以显示所述待测样品14的时域、频域及计算结果等信息。
如图1和图2所示，所述抛物面反射镜组包括四个抛物面反射镜，即第一抛物面反射镜9、第二抛物面反射镜10、第三抛物面反射镜11、第四抛物面反射镜12；所述第一抛物面反射镜9和所述第二抛物面反射镜10依次设置于所述光电导天线太赫兹发射器4和所述待测样品14之间，所述第一抛物面反射镜9用于对所述光电导天线太赫兹发射器4发射的太赫兹波准直，所述第二抛物面反射镜10用于将经过准直的太赫兹波聚焦到所述待测样品14上，所述太赫兹波透射所述待测样品14后携带有所述待测样品14的测量信息；所述第三抛物面反射镜11和所述第四抛物面反射镜12依次设置于所述待测样品14和所述光电导天线太赫兹探测器5之间，所述第三抛物面反射镜11用于对携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波准直，所述第四抛物面反射镜12用于将经过准直的携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波聚焦到所述光电导天线太赫兹探测器5上；所述抛物面反射镜对所述太赫兹波的反射率大于或等于97％，大大降低了太赫兹波的损耗，提高测量稳定性及可靠性。优选地，所述光电导天线太赫兹发射器4与所述第一抛物面反射镜9的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹探测器5与所述第四抛物面反射镜12的中心之间的距离。
如图3和图4所示，所述椭球面反射镜组13包括两个椭球面反射镜，即第一椭球面反射镜131和第二椭球面反射镜132，所述第一椭球面反射镜131和所述第二椭球面反射镜132对称地相背设置，所述第一椭球面反射镜131和所述第二椭球面反射镜132位于所述光电导天线太赫兹发射器4和所述光电导天线太赫兹探测器5之间，所述第一椭球面反射镜131的反射面朝向所述光电导天线太赫兹发射器4，所述第一椭球面反射镜131用于将所述光电导天线太赫兹发射器4发射的太赫兹波聚焦到所述待测样品14上，聚焦到所述待测样品14上的太赫兹波与所述待测样品14相互作用后携带有所述待测样品14的测量信息；所述第二椭球面反射镜132的反射面朝向所述光电导天线太赫兹探测器5，携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波从所述待测样品14反射到所述第二椭球面反射镜132，所述第二椭球面反射镜132用于接收从所述待测样品14反射的携带有所述待测样品14的测量信息的太赫兹波并将其聚焦到所述光电导天线太赫兹探测器5上；所述第一椭球面反射镜131和第二椭球面反射镜132仅对太赫兹波反射2次，大大降低了太赫兹波的损耗，提高测量稳定性及可靠性。优选地，所述光电导天线太赫兹发射器4与所述第一椭球面反射镜131之间的最小距离等于所述光电导天线太赫兹探测器5与所述第二椭球面反射镜132之间的最小距离。
在本发明中，所述光电导天线太赫兹发射器4和所述光电导天线太赫兹探测器5之间的距离是固定不变的，例如189.8mm，为了提高测量稳定性和提高设计的自由度，优选所述光电导天线太赫兹发射器4与所述第一抛物面反射镜9的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹发射器4与所述第一椭球面反射镜131之间的最小距离，例如50mm。
以上内容是对本发明所述的太赫兹时域光谱仪作出的进一步详细说明，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域普通技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种太赫兹时域光谱仪，用于测量待测样品的反射光谱或透射光谱，其特征在于：包括飞秒激光器、分束器、快速光学扫描延迟装置、光电导天线太赫兹发射器、光电导天线太赫兹探测器、锁相放大器、数据处理模块和反射镜组件；所述飞秒激光器用于产生飞秒激光，所述分束器用于将所述飞秒激光分为泵浦光和探测光，所述快速光学扫描延迟装置用于调节所述探测光相对于所述泵浦光的时间延迟；所述光电导天线太赫兹发射器设置于所述泵浦光的光路上且位于所述分束器和所述反射镜组件之间，所述光电导天线太赫兹发射器用于接收所述泵浦光并发射太赫兹波；所述反射镜组件设置于所述泵浦光的光路上，所述反射镜组件包括抛物面反射镜组和椭球面反射镜组，所述抛物面反射镜组使所述太赫兹波从所述待测样品透射，所述抛物面反射镜组包括四个抛物面反射镜，所述椭球面反射镜组使所述太赫兹波从所述待测样品反射，所述椭球面反射镜组包括两个椭球面反射镜；所述光电导天线太赫兹探测器设置于所述泵浦光的光路上且位于所述反射镜组件和所述锁相放大器之间，所述光电导天线太赫兹探测器用于探测所述经过时间延迟的探测光和从所述待测样品透射或反射的太赫兹波并输出电压信号；所述锁相放大器与所述光电导天线太赫兹探测器连接，所述锁相放大器用于接收所述光电导天线太赫兹探测器输出的电压信号并向所述数据处理模块输出检测还原的电压信号。
2.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述飞秒激光器选用脉冲能量为100mW、脉冲持续时间小于60fs、峰值动态范围大于1000:1的掺铒光纤飞秒激光器，所述飞秒激光的波长为1560nm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述泵浦光占所述飞秒激光的输出功率的30％，所述探测光占所述飞秒激光的输出功率的70％。
4.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述快速光学扫描延迟装置采用音圈电机和光纤延迟线，所述音圈电机能够控制所述光纤延迟线提供100ps的最大延迟范围。
5.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述抛物面反射镜对所述太赫兹波的反射率大于或等于97％。
6.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述光电导天线太赫兹发射器和所述光电导天线太赫兹探测器采用用于1560nm激光的光纤耦合天线模块，所述光纤耦合天线模块具有基于InGaAs/InAlAs多层MESA结构。
7.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述抛物面反射镜组的四个抛物面反射镜为第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜和第四抛物面反射镜，所述第一抛物面反射镜和所述第二抛物面反射镜依次设置于所述光电导天线太赫兹发射器和所述待测样品之间，所述第三抛物面反射镜和所述第四抛物面反射镜依次设置于所述待测样品和所述光电导天线太赫兹探测器之间；所述椭球面反射镜组的两个椭球面反射镜为对称地相背设置的第一椭球面反射镜和第二椭球面反射镜，所述第一椭球面反射镜的反射面朝向所述光电导天线太赫兹发射器，所述第二椭球面反射镜的反射面朝向所述光电导天线太赫兹探测器。
8.根据权利要求7所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一抛物面反射镜的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹探测器与所述第四抛物面反射镜的中心之间的距离。
9.根据权利要求7所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一椭球面反射镜之间的最小距离等于所述光电导天线太赫兹探测器与所述第二椭球面反射镜之间的最小距离。
10.根据权利要求7所述的太赫兹时域光谱仪，其特征在于：所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一抛物面反射镜的中心之间的距离等于所述光电导天线太赫兹发射器与所述第一椭球面反射镜之间的最小距离。
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