一種全光纖透反射一體式太赫茲時域光譜系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全光纖透反射一體式太赫茲時域光譜系統(tǒng)，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲透射、多角度反射及漫反射光譜探測。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波是指頻率在0.1THz到1THz范圍的電磁波，波長大概在0.03mm到3mm范圍，介于紅外光與微波之間。
[0003]利用太赫茲脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中太赫茲時域光譜是一種非常有效的測試手段。太赫茲時域光譜系統(tǒng)是一種相干探測技術(shù)，能夠同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，通過對時域和頻域波形的分析能得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等參數(shù)。太赫茲時域光譜具有很高的探測信噪比和靈敏度及較寬的探測帶寬，可以廣泛應(yīng)用于多種樣品的探測。
[0004]太赫茲時域光譜系統(tǒng)分為透射式和反射式。傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜系統(tǒng)只能單純地對樣品進行透射式或特定角度的反射式檢測。不同樣品對于太赫茲波表現(xiàn)出不同的傳輸性能:對于太赫茲穿透能力較好的材料，通常采用透射式系統(tǒng)進行測量；對于極性分子材料，通常采用反射式系統(tǒng)進行測量。而對于對太赫茲波響應(yīng)情況未知的材料，通常希望對同一點采用透射和反射兩種檢測方法。要實現(xiàn)這種透射和反射轉(zhuǎn)換需要兩臺儀器或者至少需要兩個探測器，這對空間和經(jīng)費方面都有較高的要求。
[0005]目前實驗使用的太赫茲時域光譜系統(tǒng)大多是自由空間系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種全光纖透反射一體式太赫茲時域光譜系統(tǒng)，通過光纖來傳輸激光從而減少光路中光學(xué)器件的使用使得光路更加簡單，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時，因為激光通過光纖入射到太赫茲發(fā)射器和太赫茲接收器，所以太赫茲發(fā)射器和太赫茲接收器位置的移動和旋轉(zhuǎn)對系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)不會帶來影響，可以將太赫茲接收器和太赫茲發(fā)射器分別放置在兩個可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)導(dǎo)軌上，進而實現(xiàn)太赫茲透射和反射時域光譜系統(tǒng)的靈活切換。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種全光纖透反射一體式太赫茲時域光譜系統(tǒng)，包括飛秒激光器、色散補償光纖、一分二光纖耦合器、光學(xué)延遲線系統(tǒng)、太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)、信號發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集裝置，所述光學(xué)延遲線系統(tǒng)包括平移臺、第一光纖準直透鏡、第一金反射鏡、第二金反射鏡、零級半波片和第二自聚焦透鏡；所述太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)包括太赫茲發(fā)射器、第一離軸拋物面鏡、第一滑動座、第一光學(xué)導(dǎo)軌、樣品臺、第二離軸拋物面鏡、太赫茲接收器、第二滑動座、第二光學(xué)導(dǎo)軌和半圓形平板；所述飛秒激光器，用于發(fā)射飛秒激光脈沖；所述一分二光纖耦合器，用于將激光器發(fā)射的一路激光轉(zhuǎn)換為兩路，分別為泵浦光和探測光I ;所述光學(xué)延遲線系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)探測光I與泵浦光之間的時間延遲；所述太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)，一端用于接收泵浦光和偏壓信號，另一端用于接收探測光II和輸出光電流信號；所述信號發(fā)生器，用于給所述太赫茲發(fā)射器提供偏壓信號并給所述數(shù)據(jù)采集裝置中的鎖相放大器同步提供參考信號；所述數(shù)據(jù)采集裝置包括鎖相放大器、前置電流放大器和計算機，可記錄光電流信號從而得到太赫茲脈沖信號。
[0009]進一步的，以上所述的泵浦光入射到所述太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)中的太赫茲發(fā)射器，激發(fā)天線的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生載流子，在所述信號發(fā)生器提供的外加偏壓作用下輻射太赫茲波，太赫茲波通過所述第一離軸拋物面鏡透過樣品臺上的樣品或者入射至樣品表面反射后，經(jīng)過所述第二離軸拋物面鏡到所述太赫茲接收器；所述探測光I經(jīng)所述光學(xué)延遲線系統(tǒng)到所述太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)中的太赫茲接收器后，激發(fā)天線的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生載流子，在太赫茲脈沖的驅(qū)動下產(chǎn)生正比于太赫茲脈沖瞬時電場的光電流。
[0010]進一步的，以上所述的太赫茲發(fā)射器和所述第一離軸拋物面鏡組裝在所述第一滑動座上，所述太赫茲接收器和所述第二離軸拋物面鏡組裝在所述第二滑動座上，所述第一滑動座和第二滑動座分別安裝在所述第一光學(xué)導(dǎo)軌和第二光學(xué)導(dǎo)軌上，并可以靈活滑動。
[0011]進一步的，以上所述的第一光學(xué)導(dǎo)軌和第二光學(xué)導(dǎo)軌通過一個固定軸連接并安裝在一個有刻度的半圓形平板上，所述第一光學(xué)導(dǎo)軌和第二光學(xué)導(dǎo)軌可以分別旋轉(zhuǎn)O度一90度，同時達到90度時所述系統(tǒng)為全光纖太赫茲透射系統(tǒng)，其他角度時為全光纖太赫茲反射系統(tǒng)并可實現(xiàn)多角度反射，且當所述第一光學(xué)導(dǎo)軌和第二光學(xué)導(dǎo)軌放在不同角度時可實現(xiàn)漫反射測量。
[0012]進一步的，以上所述的樣品臺是可以根據(jù)樣品狀態(tài)和測量需求而變化的，在反射系統(tǒng)中，所述樣品臺是安裝在固定軸的位置處，在透射系統(tǒng)中，所述樣品臺既可安裝在與反射系統(tǒng)相同的位置，也可安裝在所述第一光學(xué)導(dǎo)軌或第二光學(xué)導(dǎo)軌上。
[0013]進一步的，以上所述的太赫茲發(fā)射器和接收器均帶有尾纖，便于與所述一分二光纖耦合器分出的泵浦光和探測光的光路相連接。
[0014]進一步的，以上所述的飛秒激光器是飛秒脈沖光纖激光器，所述飛秒激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過所述色散補償光纖入射到所述一分二的光纖耦合器。
[0015]進一步的，以上所述的零級半波片放置在所述光學(xué)延遲線系統(tǒng)中，可用來調(diào)節(jié)所述探測光I的偏振方向。
[0016]進一步的，以上所述的半圓形平板可水平或者垂直放置，以便于探測不同狀態(tài)的樣品。
[0017]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018](I)整個系統(tǒng)的光路基本均使用光纖連接，使得系統(tǒng)更加簡單、穩(wěn)定，實現(xiàn)了小型化、集成化的效果。
[0019](2)可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)導(dǎo)軌可以在不影響光路的情況下靈活地實現(xiàn)透射和反射探測的自由切換。
[0020](3)固定光學(xué)導(dǎo)軌的半圓形平板可以平放或者豎放，因此樣品臺可以放置各種形態(tài)的樣品，能夠?qū)崿F(xiàn)對固體、液體和氣體樣品的探測。
[0021](4)探測光路的光程可以通過光學(xué)延遲線系統(tǒng)調(diào)整，泵浦光路的光程可以通過移動兩個光學(xué)滑動座來實現(xiàn)改變，因此當樣品變化時，可以調(diào)整其中一路光程或者根據(jù)需要兩路配合調(diào)整來尋找新的零延遲點。
[0022](5)光學(xué)延遲線系統(tǒng)中的零級半波片可用來調(diào)整探測光的偏振方向，從而優(yōu)化探測得到的太赫茲脈沖波形。
【附圖說明】
[0023]圖1為全光纖透反射一體式太赫茲時域光譜系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖2為光學(xué)延遲線系統(tǒng)示意圖。
[0025]圖3為太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)示意圖。
[0026]圖4為數(shù)據(jù)采集裝置示意圖。
[0027]圖5為太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)中的半圓形平板和可旋轉(zhuǎn)光學(xué)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]附圖標記:1_激光器；2_色散補償光纖；3_—分二光纖耦合器；4_泵浦光；5-探測光I ;6_探測光II ;7_光學(xué)延遲線系統(tǒng)；8-太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)；9-信號發(fā)生器；10-數(shù)據(jù)采集裝置；11_第一光纖準直透鏡；12_第二光纖準直透鏡；13_零級半波片；14_平移臺；
15-第一金反射鏡；16_第二金反射鏡；17_太赫茲發(fā)射器；18_太赫茲接收器；19_第一離軸拋物面鏡；20-第二離軸拋物面鏡；21-第一滑動座；22-第二滑動座；23_樣品臺；24_太赫茲光路；25_第一光學(xué)導(dǎo)軌；26_第二光學(xué)導(dǎo)軌；27_半圓形平板；28_鎖相放大器；29_前置放大器；30_計算機。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明中公開的所有特征、方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征或步驟外，均可以任何方式組合。
[0030]本發(fā)明中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。也就是說，除非特別說明，每個特征只是一系列等效或者類似特征中的一個例子。
[0031]—、本發(fā)明相關(guān)的說明:
[0032]本發(fā)明實施方式中，太赫茲發(fā)射器17和太赫茲接收器18天線適用于中心波長1560nm附近的飛秒脈沖，因此本發(fā)明選擇的激光器I是中心波長1550nm的飛秒脈沖光纖激光器，實際上也可以選擇其他型號的光電導(dǎo)天線或非線性晶體和其他波長的激光器。
[0033]第一離軸拋物面鏡19和第二離軸拋物面20鏡分別用來準直和聚焦太赫茲脈沖，實際也可以使用太赫茲透鏡等其他等效器件來實現(xiàn)。
[0034]第一離軸拋物面鏡19和第二離軸拋物面鏡20之間太赫茲波是直徑大概Icm的平行光束，實際中為了滿足探測需求，往往需要更小尺寸的光斑，可在太赫茲光路中加入兩個太赫茲透鏡(固定在兩個滑動座上)，這兩個滑動座安裝在樣品臺兩側(cè)的光學(xué)導(dǎo)軌上并可靈活移動以實現(xiàn)對不同尺寸的太赫茲光斑的需求。
[0035]光學(xué)延遲線系統(tǒng)7使用第一金反射鏡15和第二金反射鏡16來實現(xiàn)光路方向180°的改變，也可以使用直角棱鏡之類的等效元件來實現(xiàn)光路方向180°的改變。
[0036]光學(xué)延遲線系統(tǒng)7使用光學(xué)平移臺14來改變探測光光程，實際上還可使用電控或磁控位移控制等途徑來實現(xiàn)探測光光程的改變。
[0037]本發(fā)明中太赫茲發(fā)射接收系統(tǒng)8產(chǎn)生的光電流通過后續(xù)數(shù)據(jù)采集裝置進行處理，最后利用計算機程序進行記錄。
[0038]二、工作原理
[0039]太赫茲發(fā)射接收裝置工作原理:
[0040]飛秒激光器I發(fā)射出的激光通過色散補償光纖2入射到一分二的光纖耦合器3將分為兩路，一路為泵浦光4，另一路為探測光I 5。泵浦光4入射到太赫茲發(fā)射器17激發(fā)天線中的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生載流子，載流子在信號發(fā)生器9提供的外加偏壓作用下定向移動輻射太赫茲脈沖。輻射出發(fā)散的太赫茲波通過第一離軸拋物面鏡19準直后透過樣品或者入射至樣品表面反射后，經(jīng)過第二離軸拋物面鏡20聚焦到太赫茲接收器18中天線的半導(dǎo)體材料上，同時，探測光I 5經(jīng)過光學(xué)延遲線系統(tǒng)7后入