一種測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一 體化系統(tǒng)及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲電磁波的頻率范圍通常定義為0. 1至10太赫茲，目前，太赫茲波在許多領(lǐng) 域用于成像和光譜分析。太赫茲時域光譜技術(shù)（TTD巧是一種測定材料太赫茲頻段折射率 和吸收系數(shù)相敏技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有太赫茲時域光譜系統(tǒng)采用透射式或非垂直入射的反射式結(jié)構(gòu)，如圖1、2,其基 本原理為；飛秒激光經(jīng)分束棱鏡炬巧分為兩束，累浦光入射到太赫茲光電導(dǎo)天線（或發(fā)射 晶體）（T服）上產(chǎn)生太赫茲脈沖，并透過樣品（Sample)或經(jīng)樣品反射后繼續(xù)傳輸，最后入射 到探測晶體巧OC)上；另一束探測光通過偏振片（P)，被薄膜鏡（FM)反射到探測晶體巧OC) 上；通過檢測探測光和累浦光之間的相位延遲，可W得到太赫茲福射的電場強(qiáng)度，探測晶體 后面放置的1/4波片（QW巧為探測光提供的光學(xué)偏置，使系統(tǒng)工作在線性區(qū)域，沃拉斯頓 (Wollaston)棱鏡（PB巧將探測光的相位延遲轉(zhuǎn)化為兩束偏振方向互相正交的線偏振光的 強(qiáng)度調(diào)制，一對光電二極管連接成平衡探測模式（平衡探測器炬D))探測光強(qiáng)的調(diào)制，光電 二極管輸出的差分信號輸入鎖相放大器（LIA)放大。此外，累浦光可由延遲線值L)和斬波 器（C)進(jìn)行調(diào)制，獲得鎖相放大器的參考信號。
[0004] 然而，圖2采用非垂直入射的反射式結(jié)構(gòu)，不利于太赫茲光譜和成像。首先，利用 非垂直入射反射光譜，折射率和吸收系數(shù)的分析公式較為復(fù)雜，難W獲得精確的分析結(jié)果； 其次，在太赫茲飛行時間斷層掃描中，太赫茲束非垂直入射到樣品的各層會產(chǎn)生附加的偏 移，該限制了=維立體圖像最大訪問深度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)及方 法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，并利用同一系統(tǒng)測量太赫茲垂直透射譜和反射譜。
[0006] 本發(fā)明是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)，包括： 1/2波片，分束器，斬波器，第一至第走反射鏡，第一至第=透鏡，太赫茲源，離軸拋物鏡，起 偏器，薄膜鏡，球面鏡，電光晶體，1/4波片，沃拉斯通棱鏡，平衡探測器，鎖相放大器，激光經(jīng) 1/2波片后進(jìn)入分束器，所述分束器將激光分為累浦光和探測光；累浦光經(jīng)斬波器后再分 別經(jīng)過第一反射鏡、由第二反射鏡、第=反射鏡構(gòu)成的光學(xué)延遲線、第四反射鏡、第五反射 鏡折射后，經(jīng)第一透鏡、太赫茲源產(chǎn)生產(chǎn)生太赫茲脈沖，太赫茲脈沖射入薄膜鏡；探測光經(jīng) 第六反射鏡折射后，經(jīng)過起偏器、第二透鏡、薄膜鏡、電光晶體、1/4波片、第=透鏡、沃拉斯 通棱鏡后射入平衡探測器，所述平衡探測器與鎖相放大器功能性電連接；
[0007] 所述薄膜鏡射出的太赫茲波經(jīng)離軸拋物鏡射入球面鏡中，在離軸拋物鏡與球面鏡 之間的太赫茲波上設(shè)有照射目標(biāo)，所述照射目標(biāo)包括第走反射鏡、待測樣品。
[000引優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括在電機(jī)驅(qū)動下沿垂直于太赫茲福射的方向平移的樣品支 架，所述樣品支架上設(shè)有=個位點(diǎn)，其中兩個位點(diǎn)分別設(shè)置第走反射鏡、待檢測樣品，另一 個位點(diǎn)為空載位點(diǎn)，所述樣品支架在=個位點(diǎn)之間平移用于分別測量樣品反射譜或兩次透 射譜、全反射鏡反射譜和球面鏡反射譜。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了上述測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)在獲取 樣品光學(xué)參數(shù)方面的應(yīng)用，所述應(yīng)用包括通過測量反射光譜并獲取樣品光學(xué)參數(shù)方面的應(yīng) 用，所述測量反射光譜并獲取樣品光學(xué)參數(shù)的方法包括W下步驟：
[0010] 讓太赫茲波入射到待測樣品上，測量反射光譜，記為氏"(?);然后讓太赫茲波入 射到第走反射鏡上，測量反射光譜，記為Euf(?);最后，讓太赫茲波直接入射到球面鏡上， 折射率為1 ;根據(jù)上述測量結(jié)果，得出E,^?)、Euf(w)兩者間的比值：
[0011]
(1)
[001引 由式（1)得到樣品的折射率和吸收系數(shù)：
[001 引
[0015]其中：
所述待測樣品為內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、前后表面平行的平板，樣 品的厚度為1，復(fù)折射率為如切=?〇)+批〇)，其中，《為太赫茲波的角頻率，n〇)折射 率，K(O)為消光系數(shù)。
[0016] 優(yōu)選地，所述應(yīng)用還包括在測量兩次透射光譜并獲取樣品光學(xué)參數(shù)方面的應(yīng)用， 所述測量兩次透射光譜并獲取樣品光學(xué)參數(shù)的方法包括W下步驟：
[0017] 讓太赫茲波入射到樣品上，測量經(jīng)兩次透過待測樣品的透射光譜，記為氏"(?); 然后讓太赫茲波直接入射到球面反射鏡上，測量反射光譜，記為Euf(?);根據(jù)上述測量結(jié) 果，得到Es"(?)、Euf(w)兩者間的比值：
[001 引
(4)
[0019] 假定待測樣品為弱吸收材料，即K(?)<<1，由（4)式得到樣品的折射率：
[0020] (5)
[0021] 化及吸收系數(shù)：
[0022]
(6)。
[0023] 本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0024] 1、分束、延遲和斬波部分；利用分束棱鏡炬巧，將飛秒激光分為探測光束和累浦 光束，探測光束經(jīng)薄膜反射鏡（FM)反射后到達(dá)探測端，累浦光束可由第二反射鏡、第=反 射鏡構(gòu)成的光學(xué)延遲線值L)和斬波器（C)進(jìn)行調(diào)制，獲得延遲信號和鎖相放大器的參考信 號，該部分與現(xiàn)有技術(shù)一致；
[0025] 2、累浦部分；累浦光束入射到光導(dǎo)天線（或晶體）（T服）產(chǎn)生太赫茲福射，進(jìn)入離 軸拋物鏡（PM)并被球面鏡（SM)、薄膜反射鏡（FM)反射，最后到達(dá)探測端，該部分對現(xiàn)有技 術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，增加一個球面鏡（SM),減少了多個離軸拋物鏡（PM)和反射鏡（M);
[0026] 3、樣品支架；在離軸拋物鏡（PM)和球面鏡（SM)之間加入如圖4所示的樣品支架， 樣品支架裝有樣品（Sample)、第走反射鏡（M7)，可W沿垂直于太赫茲福射方向移動，使太 赫茲波兩次透過樣品（先透過樣品，然后被球面鏡反射，最后再次透過樣品）、全反射或在 空氣中兩次穿過支架（被球面鏡反射），對應(yīng)圖4的a,b，C=個位置，該部分為本技術(shù)發(fā)明 的核屯、；
[0027] 4、探測部分；探測光和太赫茲波同軸入射到電光采樣晶體巧OC)，信號經(jīng)1/4波片 (QW巧和沃拉斯通棱鏡（PB巧后，由平衡探測器炬D)和鎖相放大器（LIA)進(jìn)行測量，該部分 義用光電義樣，與現(xiàn)有技術(shù)一致。
[002引本發(fā)明通過兩種方式獲取樣品光學(xué)參數(shù)方面，一種是測量反射光譜并獲得樣品光 學(xué)參數(shù)，另外一種則是通過測量兩次透射光譜并獲得樣品光學(xué)參數(shù)。
[0029] 相比于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明具有W下有益效果；本發(fā)明提出測量太赫 茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用到太赫茲時域光譜儀中，可W提高材料 光學(xué)參數(shù)的提取精度，再者，該系統(tǒng)可W應(yīng)用在太赫茲飛行時間斷層掃描中，太赫茲束在樣 品的各層不會產(chǎn)生附加的偏移，可W加大=維立體圖像最大訪問深度。
【附圖說明】
[0030]圖1是現(xiàn)有透射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是現(xiàn)有反射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明測量太赫茲垂直透射譜和反射譜的一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[003引其中，圖1~圖3中，fslaser;飛秒激光；HWP;1/2波片巧S;分束器；C;斬波器；M;反射鏡；L;透鏡；T服；太赫茲源；PM;離軸拋物鏡；DL;延遲線；P;起偏器；FM;薄膜鏡； SM;球面鏡；Sample;樣品；EOC;電光晶體；QWP;1/4波片；PBS;沃拉斯通棱鏡；BD;平衡探 測器；LIA;鎖相放大器；
[0034]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的樣品支架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4中，THz;太赫茲波； Mov油Ie;可移動