本實用新型屬于太赫茲測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲電磁波段的開發(fā)和利用具有重大的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價值。太赫茲波的頻率范圍為0.1THz到10THz，由于太赫茲波具有高透視性、高安全性、高光譜分辨率等獨特的性質(zhì)，因此，基于太赫茲波的太赫茲時域光譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。太赫茲時域光譜技術(shù)可以進行太赫茲成像、傳感、材料光譜特性檢測等。其中，太赫茲材料的偏振光譜特性檢測成為近幾年來該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

目前，市場上主要是應(yīng)用常規(guī)的臺式太赫茲時域光譜儀、或利用多觸點光導(dǎo)天線對太赫茲偏振光譜進行測量。但是，太赫茲時域光譜儀在測量時，需要改變?nèi)肷涮掌潏龅钠穹较?，并需要?jīng)過多次掃描才能完成測量，從而大大影響了測量效率；而利用多觸點光導(dǎo)天線對太赫茲偏振光譜進行測量時，主要原理是用于測量相互垂直的太赫茲電場分量，可實現(xiàn)單次測量入射場經(jīng)待測樣品后的偏振態(tài)的變化，但不能測量不同入射偏振方向的太赫茲光譜特性，因此，利用多觸點光導(dǎo)天線進行的測量，測量范圍單一，并且多觸點光導(dǎo)天線價格昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置，旨在解決現(xiàn)有的偏振光譜特性測量裝置測量效率低下的問題。

本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置，所述裝置包括：

旋光晶體，用于使入射的太赫茲脈沖產(chǎn)生旋光色散，已產(chǎn)生旋光色散的太赫茲脈沖透射過待測樣本而生成攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖，所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖入射至聚焦鏡；

所述聚焦鏡，用于將所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖經(jīng)硅片后聚焦至閃鋅礦晶體；

脈沖延時器，用于使入射的探測脈沖產(chǎn)生延時，已延時的探測脈沖入射至寬帶1/4波片；

所述寬帶1/4波片，用于使所述已延時的探測脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振態(tài)的探測脈沖，所述圓偏振態(tài)的探測脈沖入射至第一聚焦透鏡；

所述第一聚焦透鏡，用于將所述圓偏振態(tài)的探測脈沖經(jīng)所述硅片后聚焦至所述閃鋅礦晶體；

所述硅片，用于將所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖透射至閃鋅礦晶體，并將所述圓偏振態(tài)的探測脈沖反射至所述閃鋅礦晶體；

所述閃鋅礦晶體，其切割方向為111°，用于使所述圓偏振態(tài)的探測脈沖與所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖重合，以實現(xiàn)探測脈沖對所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖的探測，已被所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖調(diào)制后的探測脈沖入射至第二聚焦透鏡；

所述第二聚焦透鏡，用于使調(diào)制后的探測脈沖準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的探測脈沖透射至非偏振分束器；

所述非偏振分束器，用于將所述準(zhǔn)直后的探測脈沖分成第一探測子脈沖與第二探測子脈沖，所述第一探測子脈沖入射至第一寬帶半波片，所述第二探測子脈沖入射至第二寬帶半波片；

所述第一寬帶半波片，用于調(diào)整所述第一探測子脈沖的偏振態(tài)，已調(diào)整偏振態(tài)的第一探測子脈沖入射至第一偏振分束器；

所述第一偏振分束器，用于對所述已調(diào)整偏振態(tài)的第一探測子脈沖進行偏振靈敏分束，已偏振分束的第一探測子脈沖入射至第一平衡探測器；

所述第一平衡探測器，用于對接收的所述已偏振分束的第一探測子脈沖進行偏振靈敏測量，以生成第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)，以便基于所述第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)得到所述待測樣本的偏振光譜特性；

所述第二寬帶半波片，用于調(diào)整所述第二探測子脈沖的偏振態(tài)，已調(diào)整偏振態(tài)的第二探測子脈沖入射至第二偏振分束器；

所述第二偏振分束器，用于對所述已調(diào)整偏振態(tài)的第二探測子脈沖進行偏振靈敏分束，已偏振分束的第二探測子脈沖入射至第二平衡探測器；

所述第二平衡探測器，用于對接收的所述已偏振分束的第二探測子脈沖進行偏振靈敏測量，以生成第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)，以便基于所述第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)得到所述待測樣本的偏振光譜特性。

進一步地，將所述測量裝置的待測樣本放置區(qū)域內(nèi)空置，在沒有所述待測樣本插入光路的情況下，測量得到不含所述待測樣本光譜信息的定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)，以便基于所述定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)得到所述待測樣本的偏振光譜特性。

進一步地，所述第一平衡探測器和所述第二平衡探測器還用于分別與外部系統(tǒng)連接，以將所述第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)和所述第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)同步輸出至外部系統(tǒng)顯示或處理。

進一步地，所述硅片為高純硅片，其兩面拋光。

進一步地，所述第一寬帶半波片與所述第二寬帶半波片分別用于對所述第一探測子脈沖的偏振態(tài)和所述第二探測子脈沖的偏振態(tài)進行調(diào)整，以使所述第一平衡探測器接收的已偏振分束的第一探測子脈沖與所述第二平衡探測器接收的已偏振分束的第二探測子脈沖互相成垂直角度。

進一步地，所述非偏振分束器為50:50的非偏振分束器。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

本實用新型所提供的太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置，包括一片旋光晶體、一聚焦鏡、一切割方向為111度的閃鋅礦晶體、一脈沖延時器、一寬帶1/4波片、一硅片、一非偏振分束器、兩只聚焦透鏡、二片寬帶半波片、二塊偏振分束器以及兩只平衡探測器。太赫茲脈沖依次經(jīng)過旋光晶體、待測樣本、聚焦鏡、硅片后，與依次經(jīng)過脈沖延時器、寬帶1/4波片、第一聚焦透鏡、硅片的探測脈沖在閃鋅礦晶體內(nèi)部重合，以實現(xiàn)探測脈沖對所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖的探測。已被所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖調(diào)制后的探測脈沖經(jīng)由非偏振分束器被分成兩路探測子脈沖，第一探測子脈沖一路依次經(jīng)過第一寬帶半波片以及第一偏振分束器被第一平衡探測器接收，從而生成第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)；另一路第二探測子脈沖一路依次經(jīng)過第二寬帶半波片以及第二偏振分束器被第二平衡探測器接收，從而生成第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)。最終基于第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)、第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)得到所述待測樣本的偏振光譜特性。本實用新型由于光路中引入了旋光晶體，因此只需經(jīng)過一次時間掃描，即可獲得待測樣本在不同光譜、不同偏振方向入射情況下的光譜特性；同時，本實用新型采用切割方向為111度的閃鋅礦晶體，可以實現(xiàn)同時在兩個垂直方向上的電光取樣測量，從而大大提高了測量效率。因此，本實用新型所提供的裝置能夠達到高效測量的效果。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

作為本實用新型的第一實施例，如圖1所示，本實用新型提供了一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置。其中，ORD表示旋光晶體、Sample表示待測樣本、FM表示聚焦鏡、Si表示硅片、ZB表示閃鋅礦晶體、TDL表示脈沖延時器、BQW表示寬帶1/4波片、L1表示第一聚焦透鏡、L2表示第二聚焦透鏡、NPS表示非偏振分束器、BHW1表示第一寬帶半波片、BHW2表示第二寬帶半波片、LP1表示第一偏振分束器、LP2表示第二偏振分束器、BD1表示第一平衡探測器和BD2表示第二平衡探測器。

旋光晶體ORD，用于使入射的太赫茲脈沖產(chǎn)生旋光色散，已產(chǎn)生旋光色散的太赫茲脈沖透射過待測樣本Sample而生成攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖，該攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖入射至聚焦鏡FM。其中，旋光晶體ORD使入射的太赫茲脈沖產(chǎn)生旋光色散，即完成光譜-偏振編碼；

聚焦鏡FM，用于將所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖經(jīng)硅片Si后聚焦至閃鋅礦晶體ZB。其中，該聚焦鏡FM可以采用太赫茲透鏡，也可以采用太赫茲聚焦反射鏡；

脈沖延時器TDL，用于使入射的探測脈沖產(chǎn)生延時，已延時的探測脈沖入射至寬帶1/4波片BQW。設(shè)置該脈沖延時器TDL的主要目的是為了使入射的探測脈沖的時間相對于上述的太赫茲脈沖的時間延時，由于探測脈沖時間寬度比太赫茲脈沖時間寬度短得多，因此，該脈沖延時器TDL可改變探測脈沖和太赫茲脈沖的相對時間位置，從而使得探測脈沖可以探測到太赫茲脈沖在不同時間點的信息，每次掃描一個時間點，探測脈沖在閃鋅礦晶體ZB處探測到該時間點的太赫茲脈沖信息；

寬帶1/4波片BQW，用于使所述已延時的探測脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振態(tài)的探測脈沖，該圓偏振態(tài)的探測脈沖入射至第一聚焦透鏡L1。其中，寬帶1/4波片BQW主要是把所述已延時的探測脈沖的線偏振態(tài)變?yōu)閳A偏振態(tài)；

第一聚焦透鏡L1，用于將所述圓偏振態(tài)的探測脈沖經(jīng)硅片Si后聚焦至閃鋅礦晶體ZB；

硅片Si，用于將所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖在低損耗的情況下透射至閃鋅礦晶體ZB，并將所述圓偏振態(tài)的探測脈沖反射至閃鋅礦晶體ZB；

閃鋅礦晶體ZB，其切割方向為111°，用于使所述圓偏振態(tài)的探測脈沖與所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖重合，以實現(xiàn)探測脈沖對所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖的探測，已被所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖調(diào)制后的探測脈沖入射至第二聚焦透鏡L2。此處，設(shè)置閃鋅礦晶體ZB的目的主要是為了實現(xiàn)探測脈沖對所述攜帶待測樣本光譜信息的太赫茲脈沖的探測，即實現(xiàn)對太赫茲脈沖光譜的電光取樣。

第二聚焦透鏡L2，用于使所述調(diào)制后的探測脈沖準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的探測脈沖透射至非偏振分束器NPS；

非偏振分束器NPS，用于將所述準(zhǔn)直后的探測脈沖分成第一探測子脈沖S1與第二探測子脈沖S2，第一探測子脈沖S1入射至第一寬帶半波片BHW1，第二探測子脈沖S2入射至第二寬帶半波片BHW2。在本實施例中，非偏振分束器NPS為50:50的非偏振分束片，用于將所述準(zhǔn)直后的探測脈沖等分成第一探測子脈沖S1與第二探測子脈沖S2；

第一寬帶半波片BHW1，用于調(diào)整第一探測子脈沖S1的偏振態(tài)，已調(diào)整偏振態(tài)的第一探測子脈沖入射至第一偏振分束器LP1；

第一偏振分束器LP1，用于對所述已調(diào)整偏振態(tài)的第一探測子脈沖進行偏振靈敏分束，已偏振分束的第一探測子脈沖入射至第一平衡探測器BD1；

第一平衡探測器BD1，用于對接收的所述已偏振分束的第一探測子脈沖進行偏振靈敏測量，以生成第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)，以便基于所述第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)得到待測樣本Sample的偏振光譜特性；

第二寬帶半波片BHW2，用于調(diào)整第二探測子脈沖S2的偏振態(tài)，已調(diào)整偏振態(tài)的第二探測子脈沖入射至第二偏振分束器LP2；

第二偏振分束器LP2，用于對所述已調(diào)整偏振態(tài)的第二探測子脈沖進行偏振靈敏分束，已偏振分束的第二探測子脈沖入射至第二平衡探測器BD2；

第二平衡探測器BD2，用于對接收的所述已偏振分束的第二探測子脈沖進行偏振靈敏測量，以生成第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)，以便基于所述第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)得到待測樣本Sample的偏振光譜特性。

在對待測樣本進行測量之前，應(yīng)首先將所述測量裝置的待測樣本放置區(qū)域內(nèi)空置，在沒有待測樣本Sample插入光路的情況下，測量得到不含所述待測樣本光譜信息的定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)，以便基于所述定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)得到所述待測樣本的偏振光譜特性。此處測量得到定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)，目的是為了對旋光介質(zhì)，如旋光晶體ORD的旋光特性進行定標(biāo)測量。因此，在測量得到定標(biāo)樣本測量數(shù)據(jù)時，所采用的入射太赫茲脈沖、入射探測脈沖、以及本裝置中所包括的其他光學(xué)元件的角度、大小等特性應(yīng)與測量待測樣本時的太赫茲脈沖、入射探測脈沖、以及本裝置中所包括的其他光學(xué)元件的特性設(shè)置相同。

通過分別測量有和沒有待測樣本插入光路的兩種情況下，第一平衡探測器BD1和第二平衡探測器BD2得到不同的測量數(shù)據(jù)結(jié)果；并根據(jù)第一平衡探測器BD1和第二平衡探測器BD2得到的不同的測量數(shù)據(jù)結(jié)果，即可推算出經(jīng)過待測樣品后太赫茲脈沖的振幅、相位以及偏振信息等數(shù)據(jù)，從而基于該太赫茲脈沖的振幅、相位以及偏振信息等數(shù)據(jù)，進一步得到待測樣品的偏振光譜特性。

進一步地，第一寬帶半波片BHW1與第二寬帶半波片BHW2分別用于對第一探測子脈沖S1的偏振態(tài)和第二探測子脈沖S2的偏振態(tài)進行調(diào)整，以使所述第一平衡探測器接收的已偏振分束的第一探測子脈沖與所述第二平衡探測器接收的已偏振分束的第二探測子脈沖互相成垂直角度。

進一步地，第一平衡探測器BD1還用于與外部系統(tǒng)連接，第二平衡探測器BD2還用于與外部系統(tǒng)連接，以將所述第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)和所述第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)同步輸出至外部系統(tǒng)顯示或處理。所述外部系統(tǒng)可以為PC電腦等。

進一步地，硅片Si為高純硅片，其兩面拋光。

綜上所述，本實用新型第一實施例通過引入具有旋光色散功能的介質(zhì)，只需經(jīng)過一次時間掃描，即可獲得待測樣本在不同光譜、不同偏振方向入射情況下的光譜特性，因此本實用新型所提供的裝置能夠達到高效測量的效果；同時，本實用新型實施例采用切割方向為111度的閃鋅礦晶體替代了傳統(tǒng)的切割方向為110度的閃鋅礦晶體，可以實現(xiàn)同時在兩個垂直方向上的電光取樣測量。

作為本實用新型的第二實施例，如圖1所示，本實施例提供了一種太赫茲材料的偏振光譜特性測量裝置。

首先，可采用800nm的鈦寶石飛秒激光泵浦太赫茲電光晶體、光導(dǎo)開關(guān)、或空氣等來產(chǎn)生太赫茲脈沖。所產(chǎn)生的太赫茲脈沖可先用一90°離軸拋物面鏡進行準(zhǔn)直后，再入射至旋光晶體中。該旋光晶體可選擇既具備旋光色散特性，又對太赫茲場吸收較弱的石英晶體。待測樣本被放置于前述的石英晶體的后面，太赫茲脈沖經(jīng)待測樣本后，可用另一90°離軸拋物面鏡進行聚焦，即圖中所示FM，其焦點位置在閃鋅礦晶體處。其中，該閃鋅礦晶體的作用是為了電光取樣。在本實施例中，該閃鋅礦晶體為切割角度為111度的閃鋅礦晶體。

同時，本實施例所用的探測脈沖取自于800nm的鈦寶石飛秒激光器的輸出脈沖的一小部分。該探測脈沖先經(jīng)一脈沖時間延時器TDL和一寬帶1/4波片BQW后，原來的線偏振狀態(tài)被調(diào)整為圓偏振狀態(tài)。聚焦透鏡L1可采用平凸石英透鏡。圓偏振狀態(tài)的探測脈沖經(jīng)聚焦透鏡L1后也被聚焦于上述切割角度為111度的閃鋅礦晶體處。在該閃鋅礦晶體內(nèi)，探測脈沖與太赫茲脈沖在該處空間重合，從而進一步通過掃描時間延時線實現(xiàn)探測脈沖對太赫茲脈沖的探測。

然后，探測脈沖透過閃鋅礦晶體，被一50:50的非偏振分束片等分為兩子脈沖，分別為S1和S2。S1經(jīng)過第一寬帶半波片BHW1和第一偏振分束器LP1后被第一平衡探測器BD1接收，其中，第一偏振分束器LP1為線偏振器。該第一平衡探測器BD1的輸出光強，即第一探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)表達式如下：

其中，P_tot表示探測脈沖的功率，ψ₁表示閃鋅礦晶體方向與第一偏振分束器的主軸間的夾角，δ₁表示閃鋅礦晶體方向和第一寬帶半波片主軸間的夾角，n表示閃鋅礦晶體的折射率、γ41表示閃鋅礦晶體的電光系數(shù)、L表示閃鋅礦晶體的厚度、和分別表示相互垂直的兩個方向上的太赫茲電場。

同樣地，S2經(jīng)過第二寬帶半波片BHW2和第二偏振分束LP2后被第二平衡探測器BD2接收，其中，第二偏振分束器LP2為線偏振器。該第二平衡探測器BD2的輸出光強，即第二探測子脈沖的測量數(shù)據(jù)表達式如下：

其中，P_tot表示探測脈沖的功率，ψ₂表示閃鋅礦晶體方向與第二偏振分束器的主軸間的夾角，δ₂表示閃鋅礦晶體方向和第二寬帶半波片主軸間的夾角，n表示閃鋅礦晶體的折射率、γ41表示閃鋅礦晶體的電光系數(shù)、L表示閃鋅礦晶體的厚度、和分別表示相互垂直的兩個方向上的太赫茲電場。

通過調(diào)整第一寬帶半波片和第二寬帶半波片，使得cos(2ψ₁-4δ₁)＝±1、以及sin(2ψ₂-4δ₂)＝±1，可以同時測量和并依據(jù)同時測量得到的兩個垂直方向的太赫茲場時間波形，根據(jù)需要將該時間波形進行傅里葉變換，即可得到不同待測太赫茲材料的偏振光譜的振幅、相位以及偏振變化。

當(dāng)上述cos(2ψ₁-4δ₁)＝+1或cos(2ψ₁-4δ₁)＝-1時，sin(2ψ₂-4δ₂)＝0；同樣，sin(2ψ₁-4δ₁)＝+1或sin(2ψ₁-4δ₁)＝-1時，cos(2ψ₂-4δ₂)＝0。因此，通過分別調(diào)整第一寬帶半波片和第二寬帶半波片，使得兩路光分別滿足上述兩種情況，就可同時分別測量和綜上所述，本實用新型第二實施例通過引入具有旋光色散功能的介質(zhì)，只需經(jīng)過一次時間掃描，即可獲得待測樣本在不同光譜、不同偏振方向入射情況下的光譜特性，因此本實用新型所提供的裝置能夠達到高效測量的效果；同時，本實用新型實施例采用切割方向為111度的閃鋅礦晶體替代了傳統(tǒng)的切割方向為110度的閃鋅礦晶體，可以實現(xiàn)同時在兩個垂直方向上的電光取樣測量。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。