[实用新型]小型化太赫兹时域光谱仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种小型化太赫兹时域光谱仪，属于太赫兹光谱技术领域。

背景技术

太赫兹(THz)波是介于红外线和毫米波之间的一个特殊频段，通常是指频率在0.1THz到10THz(1THz＝10¹²Hz)之间。太赫兹波的特殊的性质，给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。太赫兹脉冲光源相比于传统光源主要具有瞬态性、相干性、宽带性、低能性、部分材料穿透性、指纹谱等特点。在过去十几年里，太赫兹应用已经逐渐渗透到物理、传感、通讯、生命科学等领域。

太赫兹时域光谱技术是太赫兹的主要应用之一，在无损检测、毒品检测、粮食选种和安全检查方面有其独特的优势。目前，太赫兹时域光谱技术大多采用光电导天线发射太赫兹波，用光电导天线或者电光采样的方式探测太赫兹波。前者具有结构小巧、探测信噪比高的优点；后者所需的探测脉冲能量低、高灵敏度和探测带宽等优点。为了适应市场的应用需求，太赫兹时域光谱仪需要往小型化、高测量精度、快速测量等方向优化。然而，目前太赫兹时域光谱测量系统大多是建立在实验室里面，系统体积大，便携性差，并且光谱检测速度慢、操作复杂等缺陷。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于光路优化设计的小型化太赫兹时域光谱仪装置。该装置只需将样品放入测量模块中即可对实现对样品快速测量其透射太赫兹光谱，同时采用音圈电机和回形反射镜作为光学延迟线，以及利用飞秒脉冲激光的线偏振特性设计的新型光路优化设计结构，不仅极大节省了空间结构，还可以缩短太赫兹单个信号的测量时间，为太赫兹时域光谱仪的小巧性和实用性设计提供新的方法。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供一种小型化太赫兹时域光谱仪，其包括飞秒脉冲光纤激光器模块、太赫兹辐射模块、光路扫描模块、仪器控制模块和电源模块，所述飞秒脉冲光纤激光器模块包括两路同步输出的飞秒脉冲光纤激光器；所述太赫兹辐射模块包括平面反射镜、置于所述平面反射镜后端的透镜、置于所述透镜后端的第一光电导天线、置于所述第一光电导天线后端的样品平台和镀金离轴抛物面镜；所述光路扫描模块包括偏振分束棱镜、四分之一波片、直角棱镜、回形反射镜、音圈电机、0°平面反射镜、透镜和第二光电导天线，所述四分之一波片设置于偏振分束棱镜的后端，所述直角棱镜设置于四分之一波片的后端，所述回形反射镜设置于直角棱镜的后端，所述音圈电机与回形反射镜固定连接，所述0°平面反射镜置于光路末端，所述透镜置于偏振分束棱镜的另一偏振光路输出端，所述第二光电导天线置于偏振分束棱镜后端。

本实用新型的基本原理为：从飞秒脉冲光纤激光器输出的飞秒脉冲应是线性偏振光，电场矢量既可以是水平方向偏振，也可以是竖直方向偏振。两路同步输出的小型飞秒脉冲光纤激光器出射的飞秒脉冲激光被分成等功率的泵浦光和探测光两部分。泵浦光被聚焦透镜耦合进第一光电导天线上后，在外静电场的作用下辐射出太赫兹波。镀金离轴抛物面镜可以改变太赫兹波的传输方向，使其入射在样品表面。从样品上透射而过的太赫兹波载有一定的样品信息，最后被光路扫描模块中的太赫兹探测器接收。从分束片透射的探测光进入光路扫描模块的偏振分束棱镜中。从偏振分束棱镜反射(或透射)的线性偏振光脉冲经过四分之一波片后变成圆偏振光脉冲，并被直角棱镜的其中一个直角边的前表面反射，通过调整直角棱镜的俯仰，使光束保持准直的入射进固定在音圈电机上的回形反射镜中。光束被回形反射镜以0°反射回后入射在直角棱镜的另一个直角边上，然后入射在一面0°平面反射镜上。控制0°平面反射镜的角度，使探测光束恰好沿原光路返回，经过直角棱镜、回形反射镜以及四分之一波片后，探测光由圆偏振态变成与初始线性偏振方向相正交的线偏振态，最后从偏振分束棱镜中透射(或反射)而出，耦合进第二光电导天线的半导体层。通过控制音圈电机的位置，改变探测光与泵浦光之间的光程差，即可扫描探测出耦合进第二光电导天线中的太赫兹信号。从光路扫描模块中的第二光电导天线中输出的弱电信号经过小型锁相放大器优化放大和数据采集卡A/D转换后送入计算机中进行傅里叶变换、频谱分析等数据处理，即可得到样品的太赫兹时域光谱信息。此外，计算机上有控制全套仪器工作的软件，图形化控制界面，操作简单。

作为优选方案，所述仪器控制模块包括锁相放大器，数据采集卡和计算机。

作为优选方案，所述电源模块包括飞秒脉冲光纤激光器的电源，锁相放大器的电源和电机控制盒及电源。