用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)，包括射束分離器和收發(fā)器。所述射束分離器被配置為將光學(xué)脈沖分成泵浦脈沖和探測(cè)脈沖。所述收發(fā)器可以包括發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)。所述泵浦脈沖被引向發(fā)射器開關(guān)，并且所述探測(cè)脈沖被引向接收器開關(guān)。當(dāng)所述泵浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時(shí)從所述收發(fā)器發(fā)出電磁輻射。所述電磁輻射可以是脈沖形式或者連續(xù)波形式的太赫茲輻射。
【專利說(shuō)明】用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本專利文件要求2013年12月17日提交的臨時(shí)美國(guó)專利申請(qǐng)序號(hào)61/917，151的申請(qǐng)日的權(quán)益，該申請(qǐng)?zhí)卮送ㄟ^(guò)其整體引用而并入。
[0003]聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)
[0004]本發(fā)明是在根據(jù)國(guó)家航空航天局(NASA)授予的合同NNX12CA81C的美國(guó)政府支持下做出的。美國(guó)政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明涉及用于發(fā)射和接收電磁輻射的收發(fā)器，并且更特別地涉及用于發(fā)射和接收太赫茲輻射的收發(fā)器。
【背景技術(shù)】
[0006]太赫茲脈沖可以由設(shè)備在高速光學(xué)脈沖撞擊(strike)光導(dǎo)開關(guān)時(shí)產(chǎn)生，高速光學(xué)脈沖撞擊光導(dǎo)開關(guān)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這使所得到的電荷載流子(carrier)在輻射天線的光導(dǎo)部分之間流動(dòng)。這繼而從天線發(fā)出電磁脈沖。當(dāng)光學(xué)脈沖由于由半導(dǎo)體內(nèi)的深能級(jí)陷阱造成的快速的載流子俘獲速度而被移除時(shí)，電荷載流子群迅速地消亡。這使超快太赫茲電磁響應(yīng)發(fā)生。所使用的典型的半導(dǎo)體包括低溫生長(zhǎng)砷化鎵、低溫生長(zhǎng)砷化銦鎵、以及具有所描述的性質(zhì)的其它合適的材料。半導(dǎo)體材料通常被設(shè)計(jì)有適合于高效地吸收傳入的光學(xué)脈沖的能量的直接帶隙。
[0007]檢測(cè)發(fā)出的太赫茲電磁輻射的接收天線在構(gòu)造和大小上通常類似于發(fā)射天線。接收天線和發(fā)射天線之間的主要差異在于，接收天線接收在天線的光導(dǎo)間隙(gap)或開關(guān)處形成小的、但可測(cè)量的電場(chǎng)的傳入的電磁輻射。由該電場(chǎng)造成的施加的電壓偏壓通過(guò)閉合接收天線中的光導(dǎo)開關(guān)并且測(cè)量感應(yīng)的電流而被讀取。
[0008]這些太赫茲系統(tǒng)通常使用栗浦探測(cè)(pump-probe)操作方法。基本上，使用兩個(gè)天線。發(fā)射天線被用光學(xué)脈沖“栗浦”，并且發(fā)出太赫茲輻射。接收天線被相對(duì)第一脈沖精確地時(shí)間延遲的第二脈沖“探測(cè)”。該時(shí)間延遲通常是可變的，這允許在太赫茲波在從引發(fā)(initiate)太赫茲波時(shí)起的不同延遲時(shí)間被目標(biāo)對(duì)象修改之后對(duì)太赫茲波進(jìn)行采樣。所得到的整個(gè)波形可以通過(guò)掃描探測(cè)脈沖相對(duì)于栗浦脈沖的時(shí)間延遲而被重構(gòu)。
[0009]參照?qǐng)D1，示出了已知的栗浦探測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)10。作為其主要部件，該系統(tǒng)10包括發(fā)射器12和接收器16，發(fā)射器12用于發(fā)射太赫茲輻射14，接收器16用于接收由發(fā)射器12發(fā)出的太赫茲福射14的一部分18。美國(guó)專利N0.6,816,647中公開了用于發(fā)射和接收太赫茲輻射的模塊的示例，該專利通過(guò)其整體引用而并入本文。
[0010]用于激勵(lì)發(fā)射器12和接收器16的光學(xué)脈沖由光學(xué)纖維20和22提供，光學(xué)纖維20和22可以是單模光學(xué)纖維。透鏡24將太赫茲輻射26引向板或樣品28。板或樣品28將太赫茲輻射30反射到薄膜(pel Iicle) 32，該薄膜32繼而使反射的福射30向接收器16反射。這些模塊被光纖尾纖化(fiber pigtail)，并且將短(10—14_10—12秒)光學(xué)脈沖遞送到高速光導(dǎo)開關(guān)。在發(fā)射器12的情況下，短光學(xué)脈沖激活(activate)開關(guān)以產(chǎn)生太赫茲(11t3-1O13Hz)輻射26的脈沖。該系統(tǒng)使用部分反射射束(beam)分離器(諸如薄膜32)來(lái)使發(fā)射的太赫茲射束和接收的太赫茲射束的射束路徑重疊。
[0011 ]該配置的一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)發(fā)射信號(hào)和返回信號(hào)遇到薄膜32時(shí)，大約75 %的太赫茲功率丟失。發(fā)射信號(hào)在初始遇到薄膜32時(shí)丟失其信號(hào)的一半。一半通過(guò)薄膜32去往被探測(cè)的板或樣品28，而另一半被反射掉并且丟失。返回信號(hào)30遭遇相同的損失，因?yàn)橐话氡槐∧?2反射到接收器16，而另一半通過(guò)薄膜32，碰撞(hit)發(fā)射器12并且丟失。此外，系統(tǒng)10的配置也是龐大的、昂貴的、并且難以對(duì)準(zhǔn)(align)。它還要求光纖20和22在長(zhǎng)度上匹配以將脈沖遞送到發(fā)射器12和接收器16。這些光纖20和22可能是有問(wèn)題的，因?yàn)橛蓽囟茸兓?、振?dòng)效應(yīng)或者簡(jiǎn)單地通過(guò)扭曲或拉動(dòng)施加的應(yīng)力所引起的定時(shí)波動(dòng)在一個(gè)光纖上比另一個(gè)光纖更多地給予。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]描述了一種用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括射束分離器和收發(fā)器。射束分離器被配置為將光學(xué)脈沖分成栗浦脈沖和探測(cè)脈沖。收發(fā)器可以包括發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)。栗浦脈沖被引向發(fā)射器開關(guān)，并且探測(cè)脈沖被引向接收器開關(guān)。當(dāng)栗浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時(shí)從收發(fā)器發(fā)出電磁輻射。電磁輻射可以是脈沖形式或者連續(xù)波形式的太赫茲福射。
[0013]光學(xué)脈沖可以經(jīng)由單個(gè)光學(xué)纖維被提供給射束分離器。所述單個(gè)光學(xué)纖維可以是保偏光纖。當(dāng)光學(xué)脈沖在保偏光纖中時(shí)，栗浦脈沖和探測(cè)脈沖可以是正交的并且偏振的。
[0014]發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)一般可以是彼此分開的。發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)可以各自具有單獨(dú)的天線，或者可以共享單個(gè)天線。如果單個(gè)天線被利用，則發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)可以通過(guò)高通電容器彼此電隔離。
[0015]所述系統(tǒng)可以被使用在反射型配置中，其中，發(fā)射器接收它發(fā)射并且從樣品反射的輻射的至少一部分。然而，所述系統(tǒng)也可以被使用在透射配置中，其中，兩個(gè)收發(fā)器被使用，各自位于樣品的相對(duì)側(cè)。第一收發(fā)器將發(fā)送電磁輻射通過(guò)樣品并去往第二收發(fā)器，而第二收發(fā)器將發(fā)送電磁輻射通過(guò)樣品并去往第一收發(fā)器。
[0016]在閱覽以下參照附到本說(shuō)明書并且形成本說(shuō)明書的一部分的附圖和權(quán)利要求的描述之后，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得容易明白。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1示出用于發(fā)射和接收太赫茲輻射的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)；
[0018]圖2示出用于發(fā)送和接收電磁輻射的系統(tǒng)；
[0019]圖3示出用于發(fā)送和接收電磁輻射的收發(fā)器的更詳細(xì)的視圖；
[0020]圖4示出具有兩個(gè)天線的收發(fā)器的更詳細(xì)的視圖；
[0021 ]圖5示出圖4的收發(fā)器的兩個(gè)天線的近攝(close-up)視圖；
[0022]圖6示出具有兩個(gè)天線的收發(fā)器的更詳細(xì)的視圖，其具有定位在發(fā)射器天線二分之一部分和接收器天線二分之一部分之間的保護(hù)帶或屏蔽的變化；
[0023]圖7示出具有單個(gè)天線的收發(fā)器的近攝視圖；
[0024]圖8示出具有正交定位的天線的收發(fā)器；
[0025]圖9是圖8的正交定位的天線的近視圖；
[0026]圖1OA和1B是射束分離器的圖示；
[0027]圖11-13示出安裝在用于發(fā)送和接收輻射的系統(tǒng)上的收發(fā)器的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)視圖；
[0028]圖14是圖13中所公開的系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0029]圖15是提供給收發(fā)器的栗浦脈沖和探測(cè)脈沖的更詳細(xì)的視圖；以及
[0030]圖16示出用于發(fā)送和接收電磁輻射的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)被使用在透射型配置中。
【具體實(shí)施方式】
[0031]參照?qǐng)D2和圖3，示出了用于發(fā)送和接收電磁輻射的系統(tǒng)110。作為其主要部件，系統(tǒng)10包括被配置為輸出光學(xué)脈沖114的激光源112。這些光學(xué)脈沖114可以被提供給栗浦和探測(cè)光學(xué)延遲系統(tǒng)，并且通過(guò)使用射束組合器被組合，射束組合器的輸出被提供給將栗浦脈沖和探測(cè)脈沖分開的射束分離器116。光學(xué)脈沖114可以通過(guò)使用光學(xué)纖維118被提供給射束分離器。一般地，光學(xué)纖維118可以是保偏光學(xué)纖維，但是也可以是單模光學(xué)纖維。光學(xué)脈沖可以包括獨(dú)立的、正交偏振的栗浦激光脈沖和探測(cè)激光脈沖。
[0032]在光學(xué)纖維118被利用的情況下，散射(dispers1n)預(yù)補(bǔ)償器117可以被用于補(bǔ)償當(dāng)光學(xué)脈沖114傳播通過(guò)光學(xué)纖維118時(shí)引起的光學(xué)脈沖114的散射。散射預(yù)補(bǔ)償器的示例在美國(guó)專利N0.6，320，191中被示出和描述，并且通過(guò)其整體引用而并入本文。
[0033]然而，應(yīng)當(dāng)理解，光學(xué)脈沖114可以通過(guò)其它手段被提供給射束分離器116，而不僅僅是經(jīng)由光學(xué)纖維118的那些。例如，光學(xué)脈沖114可以經(jīng)由自由空間或自由空間和光學(xué)纖維的組合而被提供給射束分離器116。在光纖118被利用的情況下，光學(xué)脈沖114具有兩個(gè)單獨(dú)的分量(以正交方式布置的栗浦脈沖和探測(cè)脈沖)。這允許兩個(gè)不同的光學(xué)脈沖被提供給光纖118。
[0034]射束分離器116將光學(xué)脈沖114分離成栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122。收發(fā)器124接收栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122。如稍后將更詳細(xì)地描述的，收發(fā)器124包括發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128。當(dāng)正交偏振的栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122離開光纖118并且被射束分離器116解調(diào)或在空間上分開從而使兩個(gè)脈沖120和122分別被引導(dǎo)到發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128時(shí)，收發(fā)器124可以被激活，射束分離器116可以是雙折射窗口。
[0035]收發(fā)器124可以允許一個(gè)或多個(gè)光纖光纜進(jìn)入并且被靠近天線牢固地安裝，其中合適的透鏡將激光發(fā)射集中到光導(dǎo)開關(guān)或天線的“間隙”上。此外，在該實(shí)現(xiàn)中，放大并執(zhí)行信號(hào)處理的電子器件被安裝在該模塊的內(nèi)部。
[0036]離開光纖118的第一激光脈沖(栗浦脈沖120)被引導(dǎo)到發(fā)射器開關(guān)126，該發(fā)射器開關(guān)126與收發(fā)器天線系統(tǒng)集成并且經(jīng)由超半球透鏡129發(fā)出太赫茲脈沖130。離開光纖的第二脈沖(探測(cè)脈沖122)被引導(dǎo)到接收器開關(guān)128，該接收器開關(guān)128也與收發(fā)器天線系統(tǒng)集成。發(fā)射的太赫茲信號(hào)130的在從板或樣品132反射之后經(jīng)由超半球透鏡129返回到收發(fā)器124的一部分134被收發(fā)器124接收，并且當(dāng)通過(guò)探測(cè)脈沖122激勵(lì)時(shí)被接收器開關(guān)128檢測(cè)或采樣。
[0037]發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128與收發(fā)器天線系統(tǒng)124集成，并且在空間上分開，以及彼此電隔離和光學(xué)隔離。開關(guān)126和128之間的優(yōu)選間距的范圍可以為從短到激光的波長(zhǎng)(?Ium)到長(zhǎng)到最短可測(cè)量太赫茲波長(zhǎng)(在基板上為?25um，假定基板的折射率為3.5)。間距中的這個(gè)范圍允許良好的栗浦-探測(cè)分開以防止串?dāng)_，同時(shí)還允許發(fā)射的130太赫茲信號(hào)和接收的134太赫茲信號(hào)沿著基本重疊的射束路徑無(wú)失真地傳播。射束分離器116被制造為將兩個(gè)焦斑(focal spot)分隔開與開關(guān)之間的間距相等的量的厚度。
[0038]正交偏振的栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122可以先前已通過(guò)使用光纖偏振射束組合器115在光纖118的輸入端119處被組合。在從光纖118的輸出端121離開之后，脈沖進(jìn)入射束分離器116，該射束分離器116使正交偏振的脈沖串分離成兩個(gè)平行射束(栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122)。栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122在被聚焦時(shí)形成兩個(gè)空間上分開的斑點(diǎn)。單個(gè)光纖118、而不是兩個(gè)的使用消除了由于環(huán)境因素而可發(fā)生的栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122之間的定時(shí)誤差，環(huán)境因素包括來(lái)自拉伸或扭曲的光纖應(yīng)力、振動(dòng)、溫度漂移等。盡管光學(xué)脈沖120和122可以在空間上被分開以激活換能器，但是也可以通過(guò)使用不同的波長(zhǎng)或其它非正交偏振態(tài)來(lái)分開射束。
[0039]形成開關(guān)126和128的光導(dǎo)間隙可以被集成在天線的中點(diǎn)(midpoint)處。光導(dǎo)開關(guān)126和128通常包括形成被設(shè)計(jì)為當(dāng)開關(guān)“打開”或者處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)具有高電阻率(resistivity)并且當(dāng)開關(guān)“閉合”或者處于接通狀態(tài)時(shí)具有高導(dǎo)電率(conductivity)(這是當(dāng)被激光脈沖激活時(shí)發(fā)生的)的高速半導(dǎo)體材料上的間隙的一組電極。所述半導(dǎo)體材料的特征在于其非常短的載流子壽命，該載流子壽命將開關(guān)的光引發(fā)的接通狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間限制到亞皮秒持續(xù)時(shí)間。
[0040]然而，應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)110適用于光導(dǎo)以及電光太赫茲產(chǎn)生和采樣系統(tǒng)。例如，系統(tǒng)110可以利用電光太赫茲產(chǎn)生器與光導(dǎo)太赫茲采樣門或者光導(dǎo)太赫茲發(fā)生器與電光采樣門，或者具有光導(dǎo)太赫茲發(fā)生器和采樣門，或者具有電光太赫茲發(fā)生器和采樣門。收發(fā)器124包括傳統(tǒng)天線(S卩，偶極或螺旋等)不是必須的。例如發(fā)射器基于用于在電光晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲脈沖的切倫科夫(Cherenkov)技術(shù)、并且通過(guò)使采樣光學(xué)脈沖與傳入的太赫茲信號(hào)共同傳播來(lái)使接收器使用同一晶體探測(cè)太赫茲信號(hào)是可以的。
[0041]此外，光學(xué)纖維118的使用通過(guò)提供光纖118的柔性臍帶(umbilical)來(lái)允許移動(dòng)的自由以將脈沖114從激光源112導(dǎo)向收發(fā)器124。由于光學(xué)脈沖串的最通常使用的源是光纖激光器，所以可以使用如激光源112的這樣的激光器。收發(fā)器124可以包括盡可能靠近光導(dǎo)天線以減小噪聲的放大電子器件，臍帶通常還具有提供功率(power)并且將所得到的電信號(hào)傳導(dǎo)給系統(tǒng)的其余部分的電導(dǎo)體。天線組件也通常包含各種透鏡組件(典型的硅超半球或聚合物透鏡)。脈沖的精確定時(shí)和脈沖長(zhǎng)度的控制提供較高分辨率(resolut1n)結(jié)果。這樣，經(jīng)常地，對(duì)于當(dāng)兩個(gè)光學(xué)脈沖沿著它們的正交偏振的光學(xué)路徑行進(jìn)時(shí)這兩個(gè)光學(xué)脈沖中的散射，需要考慮某種形式的散射補(bǔ)償。
[0042]參照?qǐng)D4和圖5，圖4示出了作為收發(fā)器124的一部分的收發(fā)器芯片125的一個(gè)示例。這里，空間上分開并且電隔離的發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128在兩個(gè)蝶形(bowtie)天線二分之一部分的中點(diǎn)處被示出。如圖5中最佳地示出的，發(fā)射器天線126在頂部為半蝶形，而接收器天線128在底部為半蝶形天線。如前所述，栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122分別被聚焦到發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128上。天線136和138、因此發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128之間的間隔為大約10微米。它們的光導(dǎo)間隙為大約I微米。
[0043]考慮到它們極為貼近，兩個(gè)蝶形二分之一部分作為單個(gè)天線以太赫茲頻率執(zhí)行。光學(xué)波長(zhǎng)和太赫茲波長(zhǎng)之間的1000倍差異因此使得發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128能夠被物理分開以及被電隔離和光隔離，而不使太赫茲性能顯著降低。參照?qǐng)D6，以灰色示出的附加隔離可以由定位在發(fā)射器天線二分之一部分和接收器天線二分之一部分之間的保護(hù)帶或屏蔽提供。定位在發(fā)射器天線二分之一部分和接收器天線二分之一部分之間的保護(hù)帶或屏蔽的變化同樣適用于本說(shuō)明中所描述的其它示例。這使得高增益放大器能夠被合并在接收器開關(guān)128中，而它不被發(fā)射器開關(guān)126飽和。發(fā)射器開關(guān)126使相對(duì)大的DC偏壓施加在其間隙上以用于產(chǎn)生初始太赫茲脈沖。通過(guò)隔離發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128，沒(méi)有DC電壓施加在接收器開關(guān)128上，從而消除了散粒噪聲和激光波動(dòng)噪聲，并且從接收器開關(guān)128產(chǎn)生最高可能的信號(hào)與噪聲。還注意，兩個(gè)天線126和128可以被配置為雙發(fā)射器或雙接收器或一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器的組合。
[0044]圖7示出了收發(fā)器芯片125的另一個(gè)示例。描繪了單個(gè)全尺寸蝶形太赫茲天線140，其中空間上分開并且電隔離的發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128集成到一個(gè)天線間隙中。用于發(fā)射器開關(guān)126的偏壓被施加在介電層上以及光導(dǎo)間隙之間。取決于偏壓施加布置，開關(guān)的一側(cè)或兩側(cè)可以被隔離。這里，在圖7中兩側(cè)被隔離。如圖4和圖5中那樣，兩個(gè)開關(guān)126和128之間的間隔為大約10微米，而它們的光導(dǎo)間隙為大約I微米。
[0045]發(fā)射器偏壓焊盤(pad)的大小被保持為小以減小寄生損失。在偏壓被施加并且栗浦脈沖120撞擊光導(dǎo)間隙的情況下，該間隙的導(dǎo)電率降至幾十歐姆，并且亞皮秒電脈沖通過(guò)絕緣層耦合到天線140。該天線140然后如通常那樣輻射，發(fā)射太赫茲脈沖。接收器開關(guān)128如以上描述的那樣類似地執(zhí)行。如果集成到發(fā)射器開關(guān)126中的耦合電容器足夠小，則由接收器開關(guān)測(cè)量的信號(hào)將幾乎是無(wú)失真的。發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128可以通過(guò)高通電容器142和144而彼此電隔離。
[0046]參照?qǐng)D8和圖9，示出了收發(fā)器芯片125的另一個(gè)示例。這里，用于發(fā)射器開關(guān)126的天線146與用于接收器開關(guān)128的天線148正交。絕緣層150被放置在天線146和148之間?；旧?，天線146和148彼此成90度。這意味著栗浦脈沖120將產(chǎn)生與接收器天線148正交的偏振太赫茲脈沖。沒(méi)有什么可以被接收器天線148接收，除非太赫茲射束從其正交偏振態(tài)改變。
[0047]如果太赫茲脈沖傳播通過(guò)雙折射介質(zhì)(諸如將由塑料、木質(zhì)產(chǎn)品或任何其它太赫茲透明介質(zhì)中的應(yīng)力或疲勞引起)，則這是可能的。這樣的示例將使得雙折射中的變化能夠被檢測(cè)到并且被成像以確定零部件或材料中的缺陷。只要天線146和148共享公共的中心點(diǎn)并且開關(guān)126和128足夠貼近且被適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)到栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122，該正交配置就可以無(wú)失真地運(yùn)行。此外，天線146和148之間的角度(因此偏振)關(guān)系不限于對(duì)準(zhǔn)且正交的偏振態(tài)。天線146和148之間的任何角度關(guān)系可以是可能的。此外，兩個(gè)天線146和148可以被配置為兩個(gè)發(fā)射器或兩個(gè)接收器或一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器的組合。
[0048]參照?qǐng)D1OA和圖10B，提供了射束分離器116的更詳細(xì)的視圖。圖1OA是偏振的栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122之間的關(guān)系和射束分離器116的概念圖。射束分離器116可以是雙折射晶體。用于射束分離器116的優(yōu)選晶體是釩酸釔(YVO4)，但是諸如方解石的其它材料也可以被使用。
[0049]如果光學(xué)纖維118是保偏光學(xué)纖維，則光學(xué)纖維118允許線性偏振的光學(xué)脈沖傳播同時(shí)保持它們的線性偏振態(tài)。保偏光學(xué)纖維具有彼此正交定向以支持正交偏振態(tài)的快軸和慢軸。通過(guò)在光纖118的輸入端使用偏振射束組合器，可以將兩個(gè)單獨(dú)的保偏光纖組合到第三保偏光纖。在兩個(gè)單獨(dú)的光纖中傳播的偏振脈沖然后可以被組合到單個(gè)光纖118中，并且彼此獨(dú)立且正交偏振地傳播。該單個(gè)光纖118然后可以支持栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122兩者的遞送。在另一個(gè)實(shí)施例中，只要天線136和138被緊密地包裝并因此可以通過(guò)使用兩個(gè)單獨(dú)的光纖或者具有雙芯(core)的單個(gè)光纖被激活，栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122就可以不正交。
[0050]在光纖118的輸出端121，射束分離器116被用于將與栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122對(duì)應(yīng)的兩個(gè)偏振態(tài)分開。射束分離器116通過(guò)使沿著射束分離器116的非尋常軸偏振的脈沖從沿著尋常軸偏振的脈沖橫向移位(displace)來(lái)將正交偏振的激光脈沖120和122分開。射束分離器116中使用的晶體的厚度是確定栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122的交點(diǎn)的移位的一個(gè)因素。栗浦脈沖120和探測(cè)脈沖122的焦點(diǎn)被設(shè)置為與發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128的間距匹配。
[0051 ]射束分離器116位于光纖118的輸出端121與發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128之間。該區(qū)域中還包括將兩個(gè)射束向下聚焦到間隙大小的數(shù)量級(jí)的斑點(diǎn)尺寸的聚焦光學(xué)器件152。因此，當(dāng)光離開光纖118時(shí)，它經(jīng)受聚焦光學(xué)器件152和射束分離器116，聚焦光學(xué)器件152和射束分離器116—起作用以使兩個(gè)射束120和122聚焦并且將兩個(gè)射束120和122分開。聚焦光學(xué)器件152和射束分離器116的次序不是關(guān)鍵的。在一個(gè)示例中，射束分離器116位于聚焦光學(xué)器件152與發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128之間。聚焦光學(xué)器件152可以是如圖1OB中所示的自聚焦透鏡(grin lens)，或者可以如圖1OA中所示與光學(xué)纖維118集成。
[0052]除了偏振之外，將兩個(gè)脈沖120和122分開的替代方法是可能的，諸如波長(zhǎng)。另外，因?yàn)槔跗置}沖120和探測(cè)脈沖122在時(shí)間上是分開的，所以不需要一定將兩個(gè)脈沖120和122如它們?cè)跁r(shí)間上被隔離的那樣在物理上隔離。如果如上所述在天線處栗浦脈沖120與探測(cè)脈沖122在物理上不分開，則兩個(gè)脈沖流將撞(impact)在兩個(gè)天線上。盡管這意味著當(dāng)從發(fā)射器開關(guān)126發(fā)起太赫茲脈沖時(shí)，接收器開關(guān)128是“活動(dòng)”(active)的，但是來(lái)自單獨(dú)的天線的太赫茲脈沖的彳丁進(jìn)時(shí)間意味著很小的太赫茲能量將到達(dá)接收器開關(guān)128，以被檢測(cè)為噪聲。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，天線處的兩個(gè)光學(xué)脈沖120和122的間隔描述一種已知的實(shí)現(xiàn)。
[0053]圖11-15示出了收發(fā)器124。如圖11中最佳地示出的，收發(fā)器芯片125被示為安裝在硅超半球透鏡129的平面?zhèn)?。圖12示出了被用于將收發(fā)器芯片125電連接到收發(fā)器電路的氧化鋁過(guò)渡載體154。還示出了射束分離器116。旋轉(zhuǎn)射束分離器116的能力使得能夠?qū)⒗跗置}沖120和探測(cè)脈沖122的兩個(gè)激光斑點(diǎn)精確地對(duì)準(zhǔn)到收發(fā)器開關(guān)126和接收器開關(guān)128上。可替代地，射束分離器116也不需要是單獨(dú)的部件，而是可以被集成到收發(fā)器芯片125的基板上。
[0054]圖13示出了超半球透鏡129上的收發(fā)器組件124被安裝到柯伐模塊(Kovarmodule)前壁158時(shí)的收發(fā)器組件124。作為圖13的側(cè)視圖的圖14示出了聚焦光學(xué)器件152(優(yōu)選為自聚焦透鏡)、射束分離器116和收發(fā)器芯片125之間的關(guān)系。圖15中所示的擴(kuò)展視圖示出了兩個(gè)正交偏振射束120和122如何被自聚焦透鏡152聚焦并且當(dāng)它們到達(dá)收發(fā)器芯片125上時(shí)如何被射束分離器橫向分開。栗浦脈沖120第一個(gè)到達(dá)，碰撞發(fā)射器開關(guān)126，探測(cè)脈沖122第二個(gè)到達(dá)，碰撞接收器開關(guān)128。所得到的組件被安裝使得開關(guān)126和128光導(dǎo)換能器被盡量實(shí)際地靠近沉浸式超半球硅透鏡129的焦點(diǎn)放置以使發(fā)出的太赫茲輻射準(zhǔn)直或近乎準(zhǔn)直并且提高效率。
[0055]這通過(guò)使用比太赫茲波長(zhǎng)短的波長(zhǎng)的光學(xué)輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。這允許光學(xué)輻射在空間上被分成多個(gè)隔離的射束120和122，這些射束然后被用于產(chǎn)生和/或測(cè)量多個(gè)太赫茲信號(hào)，每個(gè)太赫茲信號(hào)具有在大小上大幅度長(zhǎng)于正在激活太赫茲產(chǎn)生和接收開關(guān)126和128的輻射的光學(xué)波長(zhǎng)(或波長(zhǎng))的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)分布，從而使得所有的所述多個(gè)太赫茲信號(hào)能夠共享公共的射束路徑。
[0056]參照?qǐng)D16，還可能的是，在一個(gè)測(cè)量配置中使用兩個(gè)或更多個(gè)收發(fā)器。收發(fā)器160基本上是收發(fā)器124的復(fù)制系統(tǒng)，并且將不被詳細(xì)描述，因?yàn)閷?duì)于收發(fā)器124的描述是適用的。在該示例中，收發(fā)器160接收共享與收發(fā)器124相同的激光源112。與射束分離器116類似的射束分離器162從光纖164接收光學(xué)脈沖118，并且將光學(xué)脈沖分成栗浦脈沖166和探測(cè)脈沖168。與收發(fā)器124—樣，栗浦脈沖166被提供給發(fā)射器開關(guān)170，而探測(cè)脈沖168被提供給接收器開關(guān)172。
[0057]作為示例，收發(fā)器124可以輻射太赫茲脈沖174，其中部分176被接收器開關(guān)128接收和/或部分178可以通過(guò)樣品180透射到接收器開關(guān)172，該接收器開關(guān)172位于受測(cè)試的樣品180的相對(duì)側(cè)的第二收發(fā)器160中。該第二測(cè)量是在透射模式下進(jìn)行的。通過(guò)該配置，反射和透射太赫茲數(shù)據(jù)二者可以同時(shí)從樣品180獲得。逆向的一組測(cè)量也是可能的并且是同時(shí)的。也就是說(shuō)，該配置中的第二收發(fā)器160也可以輻射太赫茲脈沖182。該脈沖182可以由第一收發(fā)器124在透射模式下以及由第二收發(fā)器160在反射模式下測(cè)量?？偣菜拇螠y(cè)量(兩次在透射下，兩次在反射下)可以從樣品166上的同一個(gè)點(diǎn)并且同時(shí)地進(jìn)行。
[0058]這樣，從一個(gè)系統(tǒng)到另一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生和接收太赫茲信號(hào)的任何組合是可能的，因?yàn)橛糜诩せ畎l(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)的所有的光學(xué)脈沖都是源自同一個(gè)激光源，并因此被準(zhǔn)確地同步。通過(guò)本發(fā)明還可能的是使用使兩個(gè)收發(fā)器安裝在樣品的任一側(cè)的薄膜配置。通過(guò)該配置，不同的太赫茲偏振可以被用于測(cè)量樣品。
[0059]所得到的系統(tǒng)相對(duì)于使用兩個(gè)單獨(dú)的天線系統(tǒng)的典型系統(tǒng)給予了若干優(yōu)點(diǎn)。首先，需要較少的材料，從而降低了成本并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于組合設(shè)備僅需要一個(gè)模塊、超半球、透鏡系統(tǒng)、光學(xué)纖維、電子臍帶等。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是如果該系統(tǒng)被用于反射測(cè)量，則由兩個(gè)單獨(dú)的天線模塊組成的系統(tǒng)通常需要在太赫茲射束中使用薄膜來(lái)克服發(fā)射天線和接收天線不能在同一個(gè)物理位置中的事實(shí)。
[0060]薄膜的存在導(dǎo)致太赫茲能量損失，并且給系統(tǒng)增加了復(fù)雜度。這樣的系統(tǒng)中的兩個(gè)單獨(dú)的模塊還需要對(duì)準(zhǔn)以最大化通過(guò)系統(tǒng)的太赫茲信號(hào)。這里呈現(xiàn)的系統(tǒng)消除了薄膜，因?yàn)榘l(fā)射器和接收器在同一個(gè)太赫茲電磁路徑中，從而降低了損失和對(duì)準(zhǔn)要求。其優(yōu)點(diǎn)在美國(guó)專利N0.8，436，310中被討論，該專利通過(guò)其整體引用而并入本文。
[0061]如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識(shí)到的，以上描述意在作為本發(fā)明的原理的實(shí)現(xiàn)的說(shuō)明。該描述并非意圖限制本發(fā)明的范圍或應(yīng)用，因?yàn)樵诓幻撾x隨附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神的情況下，本發(fā)明易于修改、變化和改變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 射束分離器，所述射束分離器被配置為將光學(xué)脈沖分成栗浦脈沖和探測(cè)脈沖； 收發(fā)器，所述收發(fā)器具有發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)，其中，所述栗浦脈沖被引向發(fā)射器開關(guān)，并且所述探測(cè)脈沖被引向接收器開關(guān);并且 其中，當(dāng)所述栗浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時(shí)從所述收發(fā)器發(fā)出電磁輻射。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括單個(gè)光學(xué)纖維，其中，所述光學(xué)脈沖經(jīng)由所述單個(gè)光學(xué)纖維被提供給射束分離器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述單個(gè)光學(xué)纖維是保偏光纖。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述栗浦脈沖和探測(cè)脈沖在所述保偏光纖中時(shí)是正交偏振的。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括散射補(bǔ)償器，所述散射補(bǔ)償器與所述單個(gè)光學(xué)纖維進(jìn)行光學(xué)通信以補(bǔ)償當(dāng)所述光學(xué)脈沖傳播通過(guò)單個(gè)光學(xué)纖維時(shí)引起的光學(xué)脈沖的散射。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射為太赫茲輻射。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述太赫茲輻射是連續(xù)波太赫茲輻射或者脈沖太赫茲福射。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)彼此分開。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)彼此分隔開I微米至IJl毫米的距離。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)各自具有天線。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，用于所述發(fā)射器開關(guān)的天線與用于所述接收器開關(guān)的天線正交。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)利用單個(gè)天線。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)通過(guò)高通電容器彼此電隔離。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述射束分離器是雙折射窗口。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述雙折射窗口由釩酸釔或者方解石制成。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括聚焦光學(xué)器件，所述聚焦光學(xué)器件位于所述單個(gè)光學(xué)纖維和射束分離器之間，用于使來(lái)自所述單個(gè)光學(xué)纖維的光學(xué)脈沖聚焦。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述聚焦光學(xué)器件是自聚焦透鏡。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括半球形透鏡，其中，所述收發(fā)器被安裝在所述半球形透鏡的平面?zhèn)取?9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述接收器開關(guān)被配置為接收由所述發(fā)射器開關(guān)發(fā)出并且從樣品反射的電磁輻射的至少一部分。20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括第二收發(fā)器，其中，所述第二收發(fā)器被配置為接收由所述發(fā)射器開關(guān)發(fā)出并且通過(guò)樣品的電磁輻射的至少一部分。
【文檔編號(hào)】G01J5/02GK105917200SQ201480073733
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2014年12月17日
【發(fā)明人】T·斯特羅格, G·斯圖克, S·威廉姆森
【申請(qǐng)人】派克米瑞斯有限責(zé)任公司