一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭的製作方法
2023-10-11 17:13:34 2
一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及屬於太赫茲時域光譜診斷【技術領域】，尤其是一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭。本實用新型所要解決的技術問題是：目前太赫茲時域光譜系統大多採用離軸拋面鏡對太赫茲脈衝進行空間傳播，在結構上複雜，光程長，穩定性差，使太赫茲波的能量利用率低下。針對上述存在的問題，提供一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭，通過太赫茲轉換器將雷射器發射的雷射轉換為探測光和泵浦光，進而通過太赫茲收發探頭接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，進行樣品反射式探測和透射式探測，得到樣品光譜信息。解決了現有技術中存在的太赫茲光譜儀結構複雜，體積大的問題。本實用新型應用於太赫茲光譜成像與診斷應用領域。
【專利說明】一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及屬於太赫茲時域光譜診斷【技術領域】，尤其是一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭。
【背景技術】
[0002]THZ波或稱為太赫茲射線是上個世紀80年代中後期，才被正式明明的。太赫茲波是指頻率在0.1THZ到10THZ範圍的電磁波，波長大概在0.03到3mm範圍，介於微波與紅外之間。太赫茲系統在半導體材料、高溫超導材料的性質研究、斷層成像技術、無標記的基因檢查、細胞水平成像、化學和生物的檢查、以及寬帶通信、微波定向等許多領域有廣泛的應用。
[0003]目前太赫茲時域光譜系統大多採用離軸拋面鏡對太赫茲脈衝進行空間傳播，在結構上複雜，光程長，穩定性差，使太赫茲波的能量利用率低下。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是:針對現有技術存在的問題，提供一種太赫茲光譜儀及太赫茲收發探頭，通過太赫茲轉換器將雷射器發射的雷射轉換為探測光和泵浦光，進而通過太赫茲收發探頭接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，進行樣品反射式探測和透射式探測，得到樣品光譜信息。解決了現有技術中存在的太赫茲光譜儀結構複雜、體積大、探測效率低的缺點。進一步的，通過太赫茲透鏡與光導天線位置設置，解決現有技術中太赫茲收發探頭體積大，太赫茲能量利用效率低的缺點。
[0005]本實用新型採用的技術方案如下:
[0006]一種太赫茲光譜儀包括:
[0007]雷射器，用於發射雷射；太赫茲轉換器，用於將雷射器發射的雷射轉換為探測光和泵浦光；探測光比泵浦光有T時間延遲；所述T是皮秒級到納秒級；
[0008]太赫茲收發探頭10，用於接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，產生輻射太赫茲波進行樣品反射式探測和透射式探測，通過攜帶樣品信息的太赫茲波進行探測得到樣品表面光譜。
[0009]進一步的,所述太赫茲收發探頭包括第一光導天線、第二光導天線、第一太赫茲透鏡、弟二太赫茲透鏡、弟二太赫茲透鏡；
[0010]第一光導天線，泵浦光輻射在第一光導天線兩電極間的光電導材料上輻射出太赫茲脈衝；由第一光導天線輻射出的太赫茲脈衝經過第一太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡後，入射至樣品表面反射後經過第二太赫茲透鏡後輻射到第二光導天線的光電導材料上；
[0011]第二光導天線，探測光經過光學延遲線延遲後入射到透鏡上後聚焦輻射在第二光導天線的光電導材料上，通過探測光輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上產生自由載流子，與此同時自由空間傳播的攜帶樣品信息的太赫茲脈衝也輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上，既可以驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流；[0012]所述第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡的中心距P，第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡直徑為X，所述第三太赫茲透鏡的直徑Y滿足HX+2P ;泵浦光光能量和探測光光能量對應分別不超過第一光導天線、第二光導天線的能量閥值。
[0013]進一步的，所述第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡分別與第三太赫茲透鏡的焦距為8f或者4f。
[0014]進一步的，所述太赫茲轉換器包括:
[0015]分光裝置，用於將雷射器發射的雷射分為為泵浦光、探測光，其中泵浦光通過第二透鏡8入射至太赫茲收發探頭一輸入埠，探測光入射至延遲角度轉換裝置中；所述泵浦光與分光裝置入射光光軸垂直；泵浦光通過第一透鏡9入射至太赫茲收發探頭的探測光與分光裝置入射光光軸垂直；
[0016]延遲角度轉換裝置，用於將第一分光器輸出的探測光進行光信號T時間延遲，並將探測光延遲信號入射至太赫茲收發探頭另一輸入埠。
[0017]進一步的，所述分光裝置包括分光器及第一調整器，所述其中分光器指的是分束
鏡5或半反半透透鏡，第一調整器是第二 I波片6或者第二 I波片，第一調整器用於調節泵
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浦光和探測光的功率比。
[0018]進一步的，所述延遲角度轉換裝置包括延遲裝置和角度轉換裝置，延遲裝置是延遲線7。角度轉換裝置是分束鏡14、反射鏡或者半反半透透鏡。
[0019]進一步的，當所述角度轉換裝置是分束鏡時，延遲角度轉換裝置還包括檢測裝置13，所述分束鏡將延遲線輸出探測光進行功率分配，經過分束鏡透射的探測光入射至檢測裝置，進行功率檢測；經過分束鏡反射的探測光入射至太赫茲收發探頭另一輸入埠。
[0020]進一步的，所述太赫茲轉換器還包括第一可調反射鏡2、第二可調反射鏡4、第二調整器，所述雷射器I發射雷射依次經過第一可調反射鏡、第二調整器、第二可調反射鏡後，調整雷射進入分光裝置，所述雷射器發射的雷射與分光裝置入射方向為α，所述α範
圍是O到180°，第二調整器是第一-波片3。
[0021]一種太赫茲收發探頭，此探頭用於接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，進行樣品反射式探測和透射式探測，得到樣品光譜信息，所述太赫茲收發探頭包括第一光導天線、第二光導天線、第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡，
[0022]第一光導天線，泵浦光輻射在第一光導天線兩電極間的光電導材料上輻射出太赫茲脈衝；由第一光導天線輻射出的太赫茲脈衝經過第一太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡後，入射至樣品表面反射後經過第二太赫茲透鏡後輻射到第二光導天線的光電導材料上；
[0023]第二光導天線，探測光經過光學延遲線延遲後入射到透鏡上後聚焦輻射在第二光導天線的光電導材料上，通過探測光輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上產生自由載流子，與此同時自由空間傳播的攜帶樣品信息的太赫茲脈衝也輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上，既可以驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流。
[0024]所述第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡的中心距P，第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡直徑為X，所述第三太赫茲透鏡的直徑Y滿足:r>x+2P ;泵浦光光能量和探測光光能量對應分別不超過第一光導天線、第二光導天線的能量閥值。[0025]進一步的，所述第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡分別與第三太赫茲透鏡的焦距為8f或者4f。
[0026]綜上所述，由於採用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:
[0027]I)通過太赫茲轉換器將雷射器發射的雷射轉換為探測光和泵浦光，進而通過太赫茲收發探頭接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，在不改變光路的情況下可以實現對不同厚度的樣品進行樣品反射式探測和透射式探測，得到樣品光譜信息。實現對固體，液體樣品的探測。例如，分子制樣的壓片，生物制樣的石蠟標本、血液、新鮮的生物樣品等。
[0028]2)光譜儀通過分光裝置將雷射器發射的雷射分成泵浦光和探測光，通過調節探測光延遲時間，來獲得攜帶樣品光譜信息的太赫茲脈衝在不同時間下的光電流，最終獲得攜帶樣品信息的太赫茲脈衝的電場時間波形。
[0029]3)在2)基礎上，本光譜儀通過兩個可調反射鏡(第一可調反射鏡、第二可調反射鏡)，改變雷射器發射的雷射路徑，讓雷射器發射的雷射與分光裝置入射方向可以呈現α，當α為180°時。實現了本光譜儀小型化的效果。
[0030]4)在2)或者3)基礎上，當所述角度轉換裝置是分束鏡時，還包括檢測裝置，所述分束鏡將延遲線輸出探測光進行功率等分，經過分束鏡透射的探測光入射至檢測裝置，進行功率檢測，方便實用，可以實時監測到探測光和泵浦光的能量比。為操作人員提供一個參考。
[0031]5)可以方便的調節透鏡組合樣品的距離問題:在收發探頭系統後面的便是可以進行三維調整的樣品調節臺12 。通過沿光軸方向的調整就可以實現透鏡組與樣品的距離調節。此外還可以通過垂直於光軸的面的樣品臺的二維調節實現太赫茲波的逐點成像。
[0032]6)本實用新型的太赫茲光譜儀器實現小型化設計。太赫茲轉換器的尺寸為51 5mmX 1 50mmX 150mm,太赫茲探頭的尺寸為 140mmX 148mmX 150mm。
[0033]7)在5)基礎上，當所述第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡分別與第三太赫茲透鏡的焦距為8f或者4f時，可以提聞太赫茲波的能量利用率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本實用新型將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
[0035]本實用新型將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
[0036]圖1是光譜儀結構示意圖。
[0037]圖2太赫茲收發探頭結構示意圖。
[0038]圖3a是太赫茲收發探頭反射式探測樣品表面示意圖。
[0039]圖3b是太赫茲收發探頭透射式探測樣品表面示意圖。
[0040]附圖標記:
[0041]1-雷射器2-第一可調反射鏡 3-第一 i波片
[0042]4-第二可調反射鏡 5-分束鏡6-第二 *波片
[0043]7-延遲線8-—第二透鏡9-第一透鏡
[0044]10-太赫茲收發探頭 11-樣品12-樣品調節臺[0045]13-太赫茲功率計14-第一太赫茲透鏡 15-第二太赫茲透鏡
[0046]16-第三太赫茲透鏡 17-第二光導天線 18-第一光導天線。
【具體實施方式】
[0047]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0048]一、本實用新型相關說明:
[0049]1.雷射器指的是飛秒雷射器。雷射器可以是自由空間雷射器也可以是光纖雷射器。此外通過改變光導天線的基底材料可以使用不同中心波長的飛秒雷射器。例如780η和1560nm的飛秒雷射器。
[0050]分光裝置包括分光器及調整器，其中分光器指的是分束鏡、半反半透透鏡。分束鏡反射的雷射(泵浦光)與太赫茲收發探頭第一光導天線方向一致。分束鏡透射的雷射(探測光)入射至延遲角度轉換裝置入射埠(延遲器或者延遲線輸入埠);延遲角度轉化裝置輸出埠輸出的雷射與太赫茲後發探頭第二光導天線方向一致。)
[0051]3.延遲角度轉換裝置包括延遲裝置和角度轉換裝置，延遲裝置是延遲線。角度轉換裝置是分束鏡、發射鏡或者半反半透透鏡。分束鏡透射的雷射(探測光)經過延遲裝置後，在經過角度轉換裝置，與太赫茲收發探頭第二光導天線方向一致。
[0052]如圖3a、3b所示，反射式探測和透射式探測反射式探測的方法為:在樣本前端(距離太赫茲收發探頭距離較近一端)加太赫茲窗口(例如石英、聚乙烯等)，通過記錄樣品表面的反射波形信號，實現對樣品的反射式測量；透射式探測的方法為:在樣本前端(距離太赫茲收發探頭距離較近一端)加太赫茲窗口(例如石英、聚乙烯等)，同時在樣本後端(距離太赫茲收發探頭距離較遠一端)加太赫茲全反鏡，計算機通過記錄太赫茲全反鏡反射的太赫茲波形信號，實現對樣品的透射式測量。
[0053]檢測裝置是太赫茲功率計。
[0054]本裝置太赫茲光譜儀產生的光電流通過後續計算機(電路)進行信號處理，可得到被測樣品光譜信息。
[0055]光導天線的偏置電壓調節範圍是O-lOOOOv。
[0056]第一調整器是-波片時，所述1/2波片主要是改變探測光的偏振方向，提高探測
效率。改變光的偏振方向。第二調整器是-波片時主要用於調整飛秒雷射的偏振方向來改
變分光裝置(分束鏡)的分束比，得到合適的泵浦光和探測光能量。第二個1/2波片主要是調整探測光的偏振方向提聞探測效率。
[0057]9.太赫茲轉換器中分光裝置，用於將雷射器發射的雷射分為為泵浦光、探測光，產生輻射太赫茲波進行樣品反射式探測和透射式探測，通過攜帶樣品信息的太赫茲波進行探測得到樣品表面光譜。
[0058]10.延遲角度轉換裝置包括延遲裝置、角度轉換裝置及檢測裝置時,角度轉換裝置(分束鏡)將延遲裝置(延遲線)輸出探測光進行功率分配，經過分束鏡透射的探測光入射至檢測裝置，進行功率檢測。
[0059]11.本光譜儀還可以通過改變光導天線的基底材料，選用不同中心波長的飛秒雷射器(如780nm和1560nm的雷射器)，此外本光譜儀還可以選用自由空間傳輸的雷射器和光
纖雷射器。
[0060]12.光導天線可以是小口徑光導天線也可以是大口徑光導天線。
[0061]13.f 為焦距。
[0062]二、工作原理:
[0063]太赫茲收發探頭工作原理:
[0064]飛秒雷射器發射的雷射經過第一分束鏡後分為兩路，分別為泵浦光和探測光。泵浦光經過第二透鏡後聚焦輻射在第一光導天線的光電導材料上激發出載流子，載流子在在外加偏置電壓的電場作用下定向運動並輻射出太赫茲脈衝。輻射出的發散的太赫茲脈衝通過第一太赫茲透鏡後聚集到第三太赫茲透鏡上，第三太赫茲透鏡將太赫茲脈衝聚焦後輻射在樣品上，攜帶樣品光譜信息的太赫茲脈衝反射後經第三太赫茲透鏡聚集入射到第二太赫茲透鏡上，經第二太赫茲透鏡聚焦後輻射在第二光導天線的光電導材料上，與此同時探測光經過延遲線後在第二透鏡的作用下聚焦輻射入第二光導天線的光電導材料上產生載流子，攜帶樣品信息的太赫茲脈衝驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流。記錄探測脈衝和攜帶樣品信息的太赫茲脈衝在不同時間延遲下的光電流，就可以獲得攜帶樣品光譜信息的太赫茲脈衝的電場時間波形。
[0065]三、本裝置結構:
[0066]1、光譜儀結構:
[0067]I)如圖1所示，光譜儀包括雷射器、太赫茲轉換器和太赫茲收發探頭。太赫茲轉換器包括分光裝置和延遲角度轉換裝置。太赫茲收發探頭包括第一光導天線、第二光導天線、弟一太赫茲透鏡、弟二太赫茲透鏡、弟二太赫茲透鏡。
[0068]2)在上述基礎上，當所述角度轉換裝置是分束鏡時，延遲角度轉換裝置還包括檢測裝置，所述分束鏡將延遲線輸出探測光進行功率分配，經過分束鏡透射的探測光入射至檢測裝置，進行功率檢測；經過分束鏡反射的探測光入射至太赫茲收發探頭另一輸入埠。
[0069]3)在上述I)或2)基礎上，太赫茲轉換器還包括第一可調反射鏡、第二可調反射鏡、第二調整器，所述雷射器發射雷射依次經過第一可調反射鏡、第二調整器、第二可調反射鏡後，調整雷射進入分光裝置，所述雷射器發射的雷射與分光裝置入射方向為180夾角。
[0070]2、太赫茲收發探頭結構:
[0071]如圖2所示，包括第一光導天線、第二光導天線、第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡，第一光導天線，泵浦光福射在第一光導天線兩電極間的光電導材料上輻射出太赫茲脈衝；由第一光導天線輻射出的太赫茲脈衝經過第一太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡後，入射至樣品表面反射後經過第二太赫茲透鏡後輻射到第二光導天線的光電導材料上；
[0072]第二光導天線，探測光經過光學延遲線延遲後入射到透鏡上後聚焦輻射在第二光導天線的光電導材料上，通過探測光輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上產生自由載流子，與此同時自由空間傳播的攜帶樣品信息的太赫茲脈衝達時，既可以驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流。[0073]第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡的中心距P，第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡直徑為X，第三太赫茲透鏡的直徑Y滿足-.Y1X+2P ;泵浦光光能量和探測光光能量對應分別不超過第一光導天線、第二光導天線的能量閥值。
[0074]本說明書中公開的所有特徵，除了互相排斥的特徵以外，均可以以任何方式組合。
[0075]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
【權利要求】
1.一種太赫茲光譜儀，其特徵在於包括: 雷射器，用於發射雷射； 太赫茲轉換器，用於將雷射器發射的雷射轉換為探測光和泵浦光；探測光比泵浦光有T時間延遲；所述T是皮秒級到納秒級； 太赫茲收發探頭，用於接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，產生輻射太赫茲波進行樣品反射式探測和透射式探測，通過攜帶樣品信息的太赫茲波進行探測得到樣品光譜對應光電流。
2.根據權利要求1所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述太赫茲收發探頭包括第一光導天線、第二光導天線、第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡； 第一光導天線，泵浦光輻射在第一光導天線兩電極間的光電導材料上輻射出太赫茲脈衝；由第一光導天線輻射出的太赫茲脈衝經過第一太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡後，入射至樣品表面反射後經過第二太赫茲透鏡後輻射到第二光導天線的光電導材料上； 第二光導天線，探測光經過光學延遲線延遲後入射到透鏡上後聚焦輻射在第二光導天線的光電導材料上，通過探測光輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上產生自由載流子；與此同時自由空間傳播的攜帶樣品信息的太赫茲脈衝也輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上，驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流； 所述第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡的中心距P，第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡直徑為X，所述第三太赫茲透鏡的直徑Y滿足:ΖΧ + 2Ρ ;泵浦光光能量和探測光光能量對應分別不超過第一光導天線、第二光導天線的能量閥值。
3.根據權利要求2所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡分別與第三太赫茲透鏡的焦距為8f或者4f。
4.根據權利要求1所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述太赫茲轉換器包括: 分光裝置，用於將雷射器發射的雷射分為為泵浦光、探測光，其中泵浦光通過第二透鏡(8)入射至太赫茲收發探頭一輸入埠，探測光入射至延遲角度轉換裝置中；所述泵浦光與分光裝置入射光光軸垂直；泵浦光通過第一透鏡入射至太赫茲收發探頭的探測光與分光裝置入射光光軸垂直； 延遲角度轉換裝置，用於將第一分光器輸出的探測光進行光信號T時間延遲，並將探測光延遲信號入射至太赫茲收發探頭另一輸入埠。
5.根據權利要求1所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述分光裝置包括分光器及第一調整器，所述其中分光器指的是分束鏡或半反半透透鏡，第一調整器是第二I波片或者第二 I波片，第一調整器用於調節泵浦光和探測光的功率比。
6.根據權利要求1所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述延遲角度轉換裝置包括延遲裝置和角度轉換裝置，延遲裝置是延遲線；角度轉換裝置是分束鏡、反射鏡或者半反半透透鏡。
7.根據權利要求6所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於當所述角度轉換裝置是分束鏡時，延遲角度轉換裝置還包括檢測裝置，所述分束鏡將延遲線輸出探測光進行功率分配，經過分束鏡透射的探測光入射至檢測裝置，進行功率檢測；經過分束鏡反射的探測光入射至太赫茲收發探頭另一輸入埠。
8.根據權利要求1至7之一所述的一種太赫茲光譜儀，其特徵在於所述太赫茲轉換器還包括第一可調反射鏡、第二可調反射鏡、第二調整器，所述雷射器發射雷射依次經過第一可調反射鏡、第二調整器、第二可調反射鏡後，調整雷射進入分光裝置，所述雷射器發射的雷射與分光裝置入射方向為α，所述α範圍是O到180°，第二調整器是第一I波片。
9.一種太赫茲收發探頭，其特徵在於此探頭用於接收太赫茲轉換器輸出探測光和泵浦光，進行樣品反射式探測和透射式探測，得到樣品光譜信息，所述太赫茲收發探頭包括第一光導天線、第二光導天線、第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡， 第一光導天線，泵浦光輻射在第一光導天線兩電極間的光電導材料上輻射出太赫茲脈衝；由第一光導天線輻射出的太赫茲脈衝經過第一太赫茲透鏡、第三太赫茲透鏡後，入射至樣品表面反射後經過第二太赫茲透鏡後輻射到第二光導天線的光電導材料上； 第二光導天線，探測光經過光學延遲線延遲後入射到透鏡上後聚焦輻射在第二光導天線的光電導材料上，通過探測光輻射在第二光導天線兩電極間的光導材料上產生自由載流子，與此同時自由空間傳播的攜帶樣品信息的太赫茲脈衝也輻射到第二光導天線兩電極間的光導材料上，既可以驅動載流子產生正比於太赫茲瞬間電場的光電流； 所述第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡的中心距P，第一太赫茲透鏡與第二太赫茲透鏡直徑為X，所述第三太赫茲透鏡的直徑Y滿足:r >Χ + 2Ρ ;泵浦光光能量和探測光光能量對應分別不超過第一光導天線、第二光導天線的能量閥值。
10.根據權利要求9所述的一種太赫茲收發探頭，其特徵在於所述第一太赫茲透鏡、第二太赫茲透鏡分別與第三太赫茲透鏡的焦距為8f或者4f。
【文檔編號】G01N21/27GK203732433SQ201420044642
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】雷江波, 孟坤, 朱禮國, 劉喬, 鍾森城, 翟召輝 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所