單光導(dǎo)天線的脈沖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)及探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種單光導(dǎo)天線的脈沖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)及探測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)射器和探測(cè)器在空間上的集成。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波是對(duì)特定波段電磁波的統(tǒng)稱，一般所稱的太赫茲波段，是指頻率為0.1THz?1THz范圍，在電磁波譜中介于毫米波和紅外之間。太赫茲波處于電磁波譜中電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊位置，具有透視性、安全性、光譜分辨本領(lǐng)等獨(dú)特的性質(zhì)，因而具有非常重要的研宄價(jià)值和應(yīng)用前景。太赫茲光譜及成像技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)疾病診斷、材料科學(xué)、軍事以及化學(xué)基礎(chǔ)研宄等許多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，并迅速成為熱門的前沿研宄方向。
[0003]太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是國(guó)際上近年來發(fā)展起來的太赫茲應(yīng)用技術(shù)之一，是一種新興的光譜技術(shù)，是太赫茲光譜技術(shù)的核心研發(fā)領(lǐng)域。通過太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)得到樣品的光譜信息為時(shí)域的電場(chǎng)，經(jīng)過傅里葉變換之后得到樣品頻域上的幅度和相位的信息，這一特點(diǎn)使得此技術(shù)的應(yīng)用研宄得到了極大的關(guān)注，而且太赫茲時(shí)域光譜所具有的相干探測(cè)方法、高的時(shí)間分辨率和高靈敏度為人們展現(xiàn)了一個(gè)全新的光譜學(xué)研宄視角，也給光譜學(xué)研宄者提供了新的機(jī)遇。
[0004]目前，幾乎所有的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的發(fā)射器和探測(cè)器在空間上是分離的，系統(tǒng)體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不方便攜帶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提出一種單光導(dǎo)天線的脈沖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)及探測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲發(fā)射器和探測(cè)器在空間上的集成，解決現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不方便攜帶等問題。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種單光導(dǎo)天線的脈沖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，包括飛秒激光器、5:5分束鏡、第一金反射鏡、第二金反射鏡、合束鏡、電動(dòng)平移臺(tái)、光導(dǎo)天線、第三金反射鏡或樣品、信號(hào)發(fā)生器、前置放大器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)；其中所述飛秒激光器，用于輸出飛秒激光，提供太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)所需的激勵(lì)光；所述5:5分束鏡，用于將飛秒激光分成能量相等的泵浦光和探測(cè)光，泵浦光直接透過5:5分束鏡，探測(cè)光被5:5分束鏡反射，探測(cè)光方向與泵浦光垂直；所述第一金反射鏡和第二金反射鏡，用于反射探測(cè)光，改變探測(cè)光的傳輸方向，是光學(xué)延遲裝置的重要組成部分；所述合束鏡用于將泵浦光和探測(cè)光合束，使泵浦光和探測(cè)光沿著同一路徑傳輸；所述電動(dòng)平移臺(tái)，用于移動(dòng)第一金反射鏡和第二金反射鏡，以改變探測(cè)光的光程，進(jìn)而改變探測(cè)光脈沖與泵浦光脈沖之間的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)太赫茲脈沖；所述光導(dǎo)天線，用于發(fā)射和探測(cè)太赫茲脈沖，是太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的核心器件；所述第三金反射鏡或樣品，用于反射太赫茲脈沖，使輻射出的太赫茲脈沖返回到光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料上，以便探測(cè)光脈沖對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行探測(cè)；所述信號(hào)發(fā)生器，用于為光導(dǎo)天線提供偏壓信號(hào)，同時(shí)為鎖相放大器提供同步的參考信號(hào)；所述前置放大器，用于對(duì)光導(dǎo)天線輸出的光電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理；所述鎖相放大器，用于采集前置放大器處理后輸出的光電流信號(hào)，濾除噪聲和偏壓信號(hào)；所述計(jì)算機(jī)，采用Labview軟件編寫的程序來控制電動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)，同時(shí)將鎖相放大器采集到的光電流信號(hào)進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0008]其中，以上所述第一金反射鏡和第二金反射鏡固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，可以隨電動(dòng)平移臺(tái)前后移動(dòng)，改變探測(cè)光的光程；所述第三金反射鏡或樣品，當(dāng)為第三金反射鏡時(shí)，將樣品放在第三反射鏡與光導(dǎo)天線之間，既可以測(cè)樣品的太赫茲透射譜，也可以測(cè)樣品的太赫茲反射譜；當(dāng)為樣品時(shí)，可以測(cè)樣品的太赫茲反射譜。
[0009]所述5:5分束鏡為半透半反鏡，與入射光方向成45度；所述合束鏡的下表面透射率遠(yuǎn)大于反射率，上表面反射率遠(yuǎn)大于透射率；所述光導(dǎo)天線，輸出太赫茲信號(hào)的信道與信號(hào)發(fā)生器為光導(dǎo)天線提供偏壓信號(hào)的信道為同一信道。
[0010]所述光導(dǎo)天線輸出的光電流信號(hào)，正比于太赫茲脈沖的瞬時(shí)電場(chǎng)，通過掃描采集太赫茲脈沖不同位置處的瞬時(shí)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的光電流信號(hào)，就可以得到太赫茲脈沖電場(chǎng)在時(shí)域上的分布，即太赫茲時(shí)域光譜。
[0011]本發(fā)明同時(shí)提供了一種單光導(dǎo)天線的脈沖太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的探測(cè)方法，步驟包括:
[0012]第一步、飛秒激光通過5:5分束鏡，分成能量相等的泵浦光和探測(cè)光；
[0013]第二步、探測(cè)光通過第一金反射鏡和第二金反射鏡反射后，與泵浦光通過合束鏡合束，合束后的泵浦光脈沖和探測(cè)光脈沖之間存在時(shí)間延遲；
[0014]第三步、合束后的泵浦光和探測(cè)光入射到光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料上，信號(hào)發(fā)生器為光導(dǎo)天線提供方波偏壓信號(hào)，同時(shí)為鎖相放大器提供參考信號(hào)；泵浦光脈沖和探測(cè)光脈沖到達(dá)半導(dǎo)體材料的時(shí)間不同，泵浦光脈沖到達(dá)半導(dǎo)體材料時(shí)，激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生載流子，此時(shí)有偏壓存在，載流子在偏壓的作用下加速運(yùn)動(dòng)，輻射出太赫茲脈沖；探測(cè)光脈沖到達(dá)半導(dǎo)體材料時(shí)，也會(huì)激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生載流子，此時(shí)無偏壓存在，載流子在反射回來的太赫茲脈沖瞬時(shí)電場(chǎng)的作用下加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流信號(hào)；
[0015]第四步、前置放大器將光電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，鎖相放大器采集前置放大器處理后輸出的光電流信號(hào)；
[0016]第五步、計(jì)算機(jī)采用Labview軟件編寫的程序來控制電動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)，同時(shí)將鎖相放大器采集到的光電流信號(hào)進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0017]其中，以上所述偏壓信號(hào)為方波，頻率為ΙΚΗζ，幅值為10V，且方波的邊沿上升和下降時(shí)間小于泵浦光脈沖和探測(cè)光脈沖之間的時(shí)間延遲；偏壓信號(hào)的下降沿在時(shí)間上位于泵浦光脈沖和探測(cè)光脈沖之間，下降沿左側(cè)為泵浦光脈沖，下降沿右側(cè)為探測(cè)光脈沖；泵浦光脈沖到達(dá)光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料時(shí)有偏壓存在，此時(shí)光導(dǎo)天線作為太赫茲發(fā)射器，輻射太赫茲脈沖，輻射出的太赫茲脈沖經(jīng)第三金反射鏡或樣品反射；探測(cè)光脈沖到達(dá)光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料時(shí)無偏壓存在，反射回來的太赫茲脈沖正好到達(dá)光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料上，此時(shí)光導(dǎo)天線作為太赫茲探測(cè)器，探測(cè)太赫茲脈沖。
[0018]所述泵浦光脈沖和探測(cè)光脈沖之間的時(shí)間延遲，指的是從輻射太赫茲脈沖到太赫茲脈沖被反射回來再次到達(dá)光導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料所用的時(shí)間。
[0019]所述前置放大器將光電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，輸出光電流信號(hào)與輸入偏壓信號(hào)共用一個(gè)信道，前置放大器在放大光電流信號(hào)的同時(shí)，偏壓信號(hào)也會(huì)輸入到前置放大器內(nèi)，又由于偏壓信號(hào)的幅值遠(yuǎn)大于前置放大器的輸入閾值，因此需要在輸入前置放大器之前，串聯(lián)一個(gè)與前置放大器內(nèi)部阻抗相匹配的大電阻進(jìn)行分壓，將偏壓信號(hào)的大部分電壓分在串聯(lián)的大電阻上，輸入前置放大器的電壓就能滿足閾值條件，使前置放大器能夠正常工作。
[0020]所述鎖相放大器米集前置放大器處理后輸出的光電流信號(hào)，光電流信號(hào)與偏壓信號(hào)具有相同的頻率，但是兩者在時(shí)間上的位置不同，即具有不同的相位，將參考信號(hào)通過鎖相放大器進(jìn)行移相，使參考信號(hào)與