本實(shí)用新型涉及太赫茲時域光譜系統(tǒng)，具體涉及一種太赫茲泵浦-太赫茲探測時域光譜系統(tǒng)，更具體涉及一種探測太赫茲電場偏振方向任意可調(diào)的太赫茲泵浦-太赫茲探測時域光譜系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，太赫茲時域光譜技術(shù)作為一種測量表征材料太赫茲特性的有效手段變得越來越重要，并具有無損性、高信噪比、高靈敏度、高帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

太赫茲時域光譜系統(tǒng)是基于相干探測技術(shù)的太赫茲產(chǎn)生和探測系統(tǒng)，能夠同時得到太赫茲脈沖的振幅和相位信息，對太赫茲時域波形進(jìn)行傅里葉變換可以直接得到被測樣品的吸收系數(shù)、折射率、透射率等光學(xué)參數(shù)，對其頻譜進(jìn)行分析處理可以得到被測樣品的復(fù)介電常數(shù)、載流子密度和遷移率等物理信息。

現(xiàn)有的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，其產(chǎn)生太赫茲脈沖的方式多數(shù)采用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射，這種方式產(chǎn)生的太赫茲脈沖強(qiáng)度比較弱，而且偏振方向很難調(diào)節(jié)，對于一些樣品位置很難改變卻需要特定太赫茲偏振態(tài)的測量，采用光導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射的方式就顯得不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)用新型目的：本實(shí)用新型的目的是提供一種探測太赫茲電場偏振方向連續(xù)可調(diào)的太赫茲泵浦-太赫茲探測時域光譜系統(tǒng)，通過簡單調(diào)節(jié)就可以得到任意偏振態(tài)的探測太赫茲場。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種太赫茲泵浦-太赫茲探測時域光譜系統(tǒng)，包括飛秒激光光源、第一分束鏡和第二分束鏡，通過飛秒激光光源產(chǎn)生飛秒激光，將飛秒激光分成第一光束、第二光束和第三光束，分別用于泵浦太赫茲場的產(chǎn)生、探測太赫茲場的產(chǎn)生和驅(qū)動太赫茲時域脈沖的電光采樣測量；其中，經(jīng)所述第一分束鏡和第二分束鏡透射的飛秒激光作為第一光束，經(jīng)所述第二分束鏡反射的飛秒激光作為第二光束，經(jīng)所述第一分束鏡反射的飛秒激光作為第三光束。

進(jìn)一步的，還包括第一平面反射鏡延時系統(tǒng)、光柵、透鏡系統(tǒng)、鈮酸鋰晶體、第一拋物鏡、第二拋物鏡和第三拋物鏡，所述第一光束通過第一平面反射鏡延時系統(tǒng)經(jīng)過光柵后，出射的一級衍射光發(fā)生波前傾斜，經(jīng)透鏡系統(tǒng)成像在鈮酸鋰晶體上，在達(dá)到相位匹配的條件下，鈮酸鋰晶體斜邊對應(yīng)的面向外輻射第一太赫茲脈沖，所述第一太赫茲脈沖依次經(jīng)第一拋物鏡、第二拋物鏡以及第三拋物鏡聚焦于待測樣品位置作為泵浦太赫茲場。更進(jìn)一步的，所述透鏡系統(tǒng)包括依次設(shè)置的第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡。

進(jìn)一步的，還包括第一二分之一波片、第一碲化鋅晶體、第六拋物鏡、高阻硅片和第三拋物鏡，所述第二光束經(jīng)第一二分之一波片后作用于第一碲化鋅晶體上，所述第二光束在第一碲化鋅晶體中發(fā)生光整流并輻射第二太赫茲脈沖，所述第二太赫茲脈沖依次經(jīng)第六拋物鏡、高阻硅片和第三拋物鏡準(zhǔn)直會聚于待測樣品位置作為探測太赫茲場。

更進(jìn)一步的，所述泵浦太赫茲場和探測太赫茲場經(jīng)第四拋物鏡、第五拋物鏡后作用于第二碲化鋅晶體上。

進(jìn)一步的，經(jīng)第二分束鏡反射的飛秒激光作為第二光束，所述第二光束經(jīng)第一二分之一波片后作用于第一碲化鋅晶體上，飛秒激光在碲化鋅晶體中發(fā)生光整流并輻射第二太赫茲脈沖，所述第二太赫茲脈沖依次經(jīng)第六拋物鏡、高阻硅片和第三拋物鏡準(zhǔn)直會聚于待測樣品位置作為探測太赫茲場。

進(jìn)一步的，還包括第二平面反射鏡延時系統(tǒng)、第二二分之一波片、第二碲化鋅晶體、四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡和平衡放大光電探測器，所述第三光束依次經(jīng)過第二平面反射鏡延時系統(tǒng)、第二二分之一波片以及第二碲化鋅晶體后到達(dá)四分之一波片處，無太赫茲場時，第三光束的線偏振光經(jīng)過四分之一波片后被轉(zhuǎn)換為圓偏振光，所述圓偏振光通過沃拉斯頓棱鏡的分解被分成兩個相互垂直的分量，分別入射到平衡放大光電探測器的兩個光電探頭上，所述兩個光電探頭的差值最小，接近于零；當(dāng)有太赫茲場時，兩個光電探測器的差值正比于待測太赫茲電場的大小，通過移動第二平面反射鏡延時系統(tǒng)來改變探測飛秒激光脈沖和待測太赫茲脈沖之間的時延，掃描出整個太赫茲的時域脈沖波形。

進(jìn)一步的，探測太赫茲場偏振方向能夠任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程為：

(1)調(diào)節(jié)第一二分之一波片和位于第五拋物鏡之前的第二二分之一波片的光軸為水平方向，此時，水平偏振的飛秒激光經(jīng)過第一二分之一波片和第二二分之一波片仍為水平偏振，調(diào)節(jié)第一碲化鋅晶體的旋轉(zhuǎn)角度使其晶向沿水平方向，此時出射的太赫茲場最大且為水平偏振，即探測太赫茲場為水平偏振；調(diào)節(jié)位于第五拋物鏡之后的第二碲化鋅晶體的旋轉(zhuǎn)角度使其[001]晶向沿豎直方向，此時太赫茲探測效率最高；調(diào)節(jié)四分之一波片使無太赫茲場時平衡光電探測器差值最小，接近于零，對探測太赫茲場進(jìn)行斬波，通過移動第一平面反射鏡延時系統(tǒng)和第二平面反射鏡延時系統(tǒng)來完成第一太赫茲脈沖和第二太赫茲脈沖在不同時延下的光譜測量；

(2)將第一二分之一波片和第二二分之一波片逆時針旋轉(zhuǎn)45度，將第一碲化鋅晶體和第二碲化鋅晶體逆時針旋轉(zhuǎn)90度，此時探測太赫茲場為豎直偏振；調(diào)節(jié)四分之一波片使無太赫茲場時平衡光電探測器差值最小，接近于零，對探測太赫茲場進(jìn)行斬波，通過移動第一平面反射鏡延時系統(tǒng)和第二平面反射鏡延時系統(tǒng)來完成第一太赫茲脈沖和第二太赫茲脈沖在不同時延下的光譜測量；

(3)通過調(diào)節(jié)第一二分之一波片、第二二分之一波片和第一碲化鋅晶體、第二碲化鋅晶體的相對旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)探測太赫茲場偏振方向的任意可調(diào)。

更進(jìn)一步的，對探測太赫茲場進(jìn)行斬波的斬波頻率為300赫茲。

進(jìn)一步的，所述飛秒激光源出射的飛秒激光脈寬為小于100飛秒，中心波長為800納米，重復(fù)頻率為1000赫茲，偏振方向?yàn)樗狡瘛?/p>

進(jìn)一步的，所述第一碲化鋅晶體和第二碲化鋅晶體均為<110>晶向立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)。

有益效果：本實(shí)用新型的系統(tǒng)調(diào)節(jié)簡單有效，在不需要改變待測樣品位置與角度的前提下，只需要調(diào)節(jié)二分之一波片和碲化鋅晶體的旋轉(zhuǎn)角度就可以得到任意偏振方向的探測太赫茲場，對于那些對偏振方向有特殊要求的樣品，可以很方便的獲得任意偏振態(tài)的探測太赫茲場。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施光路圖。

其中包括：飛秒激光光源1，第一分束鏡2，第二分束鏡3，第一高反射鏡4，第一平面反射鏡延時系統(tǒng)5，第二高反射鏡6，第三高反射鏡7，第四高反射鏡8，光柵9，第一聚焦透鏡10，第二聚焦透鏡11，鈮酸鋰晶體12，第一拋物鏡13，第二拋物鏡14，第三拋物鏡15，待測樣品16，第四拋物鏡17，第五拋物鏡18，第二碲化鋅晶體19，四分之一波片20，沃拉斯頓棱鏡21，平衡放大光電探測器22，第七高反射鏡23，第一二分之一波片24，第一碲化鋅晶體25，第六拋物鏡26，高阻硅片27，第八高反射鏡28，第九高反射鏡29，第二平面反射鏡延時系統(tǒng)30，第十高反射鏡31，第十一高反射鏡32，第二二分之一波片33。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型通過飛秒激光光源產(chǎn)生飛秒激光，將飛秒激光分成三束，分別用于泵浦太赫茲場的產(chǎn)生、探測太赫茲場的產(chǎn)生和驅(qū)動太赫茲時域脈沖的電光采樣測量，其中第一光束在鈮酸鋰晶體中發(fā)生光整流效應(yīng)而產(chǎn)生泵浦太赫茲強(qiáng)場，第二光束光在第一碲化鋅晶體中發(fā)生光整流而產(chǎn)生探測太赫茲弱場，兩束太赫茲脈沖通過拋物鏡與高阻硅片的會聚準(zhǔn)直聚焦于樣品位置，第三光束驅(qū)動第二碲化鋅晶體發(fā)生電光檢測從而采樣測量太赫茲脈沖。在兩個碲化鋅晶體之前均加入二分之一波片，并調(diào)節(jié)二分之一波片光軸與飛秒激光偏振方向平行，同時旋轉(zhuǎn)碲化鋅使出射太赫茲信號最強(qiáng)。通過旋轉(zhuǎn)兩個二分之一波片與兩個碲化鋅的角度，即可得到一種探測太赫茲電場偏振方向任意可調(diào)的太赫茲泵浦-太赫茲探測時域光譜系統(tǒng)。

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，通過飛秒激光光源1產(chǎn)生飛秒激光，飛秒激光經(jīng)第一分束鏡2和第二分束鏡3被分為三束光，其中，經(jīng)第一分束鏡2和第二分束鏡3透射的飛秒激光作為第一光束，第一光束經(jīng)第一高反射鏡4、第一平面反射鏡延時系統(tǒng)5、第二高反射鏡6、第三高反射鏡7和第四高反射鏡8入射到光柵9上，光柵9出射的一級衍射光發(fā)生波前傾斜，經(jīng)第一聚焦透鏡10和第二聚焦透鏡11成像于鈮酸鋰晶體12上，在達(dá)到相位匹配的前提下，鈮酸鋰晶體12斜邊對應(yīng)的面向外輻射第一太赫茲脈沖，此第一太赫茲脈沖經(jīng)第一拋物鏡13、第二拋物鏡14、第三拋物鏡15聚焦于待測樣品16位置作為泵浦太赫茲場。

經(jīng)第一分束鏡2透射、第二分束鏡3反射的飛秒激光作為第二光束，第二光束經(jīng)第七高反射鏡23反射后，再經(jīng)過第一二分之一波片24作用于第一碲化鋅晶體25上，第二光束在第一碲化鋅晶體25中發(fā)生光整流并輻射第二太赫茲脈沖，此第二太赫茲脈沖經(jīng)第六拋物鏡26、高阻硅片27和第三拋物鏡15準(zhǔn)直會聚于待測樣品16位置作為探測太赫茲場。泵浦太赫茲場和探測太赫茲場經(jīng)第四拋物鏡17、第五拋物鏡18后作用于第二碲化鋅晶體19上。

第一分束鏡2反射的飛秒激光作為第三光束，第三光束經(jīng)過第八高反射鏡28、第九高反射鏡29、第二平面反射鏡延時系統(tǒng)30、第十高反射鏡31、第十一高反射鏡32、第二二分之一波片33、第五拋物鏡18、第二碲化鋅晶體19后到達(dá)四分之一波片20處，無太赫茲場時，調(diào)節(jié)四分之一波片20，使第三光束的線偏振光經(jīng)過四分之一波片20后被轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光通過沃拉斯頓棱鏡21分成兩個相互垂直的分量，分別入射到平衡放大光電探測器22的兩個光電探頭上，此時兩個光電探頭的差值最小，接近于零，當(dāng)有太赫茲場時，兩個光電探測器的差值正比于待測太赫茲電場的大小，通過移動第二平面反射鏡延時系統(tǒng)30來改變探測飛秒激光脈沖和待測太赫茲脈沖之間的時延，即可掃描出整個太赫茲的時域脈沖波形。

調(diào)節(jié)第一二分之一波片24和第二二分之一波片33的光軸為水平方向，此時，水平偏振的飛秒激光經(jīng)過第一二分之一波片24和第二二分之一波片33仍為水平偏振，調(diào)節(jié)第一碲化鋅晶體25的旋轉(zhuǎn)角度使其晶向沿水平方向，此時出射的太赫茲場最大且為水平偏振，即探測太赫茲場為水平偏振。調(diào)節(jié)第二碲化鋅晶體19的旋轉(zhuǎn)角度使其[001]晶向沿豎直方向，此時太赫茲探測效率最高。調(diào)節(jié)四分之一波片20使無太赫茲場時平衡光電探測器差值最小，接近于零，對探測太赫茲場進(jìn)行斬波，斬波頻率為300赫茲，通過移動第一平面反射鏡延時系統(tǒng)5和第二平面反射鏡延時系統(tǒng)30來完成第一太赫茲脈沖和第二太赫茲脈沖在不同時延下的光譜測量，此時探測太赫茲場為水平偏振。

將第一二分之一波片24和第二二分之一波片33逆時針旋轉(zhuǎn)45度，將第一碲化鋅晶體25和第二碲化鋅晶體19逆時針旋轉(zhuǎn)90度，此時探測太赫茲場為豎直偏振。調(diào)節(jié)四分之一波片20使無太赫茲場時平衡光電探測器差值最小，接近于零，對探測太赫茲場進(jìn)行斬波，斬波頻率為300赫茲，通過移動兩個平面反射鏡延時系統(tǒng)來完成第一太赫茲脈沖和第二太赫茲脈沖在不同時延下的光譜測量。

由于線偏振光經(jīng)過二分之波片后，其偏振方向相對于波片光軸和原偏振方向?qū)ΨQ，且碲化鋅出射的太赫茲波的偏振方向與入射飛秒激光的偏振方向一致，所以即可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的第一二分之一波片24和第二二分之一波片33和第一碲化鋅晶體25和第二碲化鋅晶體19的相對旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)探測太赫茲場偏振方向的任意可調(diào)。

使用本實(shí)用新型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法簡單有效，在不需要改變待測樣品位置與角度的前提下，只需要調(diào)節(jié)第一二分之一波片24和第二二分之一波片33以及第一碲化鋅晶體25和第二碲化鋅晶體19的旋轉(zhuǎn)角度就可以得到任意偏振方向的探測太赫茲場。