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)，并且所述探測脈沖被引向接收器開關(guān)。當所述泵浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時從所述收發(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。
【專利說明】用于發(fā)射和接收電磁輻射的系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請
[0002]本專利文件要求2013年12月17日提交的臨時美國專利申請序號61/917，151的申請日的權(quán)益，該申請?zhí)卮送ㄟ^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)國家航空航天局(NASA)授予的合同NNX12CA81C的美國政府支持下做出的。美國政府在本發(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，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。這繼而從天線發(fā)出電磁脈沖。當光學(xué)脈沖由于由半導(dǎo)體內(nèi)的深能級陷阱造成的快速的載流子俘獲速度而被移除時，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)體包括低溫生長砷化鎵、低溫生長砷化銦鎵、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、但可測量的電場的傳入的電磁輻射。由該電場造成的施加的電壓偏壓通過閉合接收天線中的光導(dǎo)開關(guān)并且測量感應(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(pump-probe)操作方法?；旧?，使用兩個天線。發(fā)射天線被用光學(xué)脈沖“栗浦”，并且發(fā)出太赫茲輻射。接收天線被相對第一脈沖精確地時間延遲的第二脈沖“探測”。該時間延遲通常是可變的，這允許在太赫茲波在從引發(fā)(initiate)太赫茲波時起的不同延遲時間被目標對象修改之后對太赫茲波進行采樣。所得到的整個波形可以通過掃描探測脈沖相對于栗浦脈沖的時間延遲而被重構(gòu)。
[0009]參照圖1，示出了已知的栗浦探測系統(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，該專利通過其整體引用而并入本文。
[0010]用于激勵發(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 ]該配置的一個問題是，當發(fā)射信號和返回信號遇到薄膜32時，大約75 %的太赫茲功率丟失。發(fā)射信號在初始遇到薄膜32時丟失其信號的一半。一半通過薄膜32去往被探測的板或樣品28，而另一半被反射掉并且丟失。返回信號30遭遇相同的損失，因為一半被薄膜32反射到接收器16，而另一半通過薄膜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、并且難以對準(align)。它還要求光纖20和22在長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可能是有問題的，因為由溫度變化、振動效應(yīng)或者簡單地通過扭曲或拉動施加的應(yīng)力所引起的定時波動在一個光纖上比另一個光纖更多地給予。

【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)，并且探測脈沖被引向接收器開關(guān)。當栗浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時從收發(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)由單個光學(xué)纖維被提供給射束分離器。所述單個光學(xué)纖維可以是保偏光纖。當光學(xué)脈沖在保偏光纖中時，栗浦脈沖和探測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)可以各自具有單獨的天線，或者可以共享單個天線。如果單個天線被利用，則發(fā)射器開關(guān)和接收器開關(guān)可以通過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，兩個收發(fā)器被使用，各自位于樣品的相對側(cè)。第一收發(fā)器將發(fā)送電磁輻射通過樣品并去往第二收發(fā)器，而第二收發(fā)器將發(fā)送電磁輻射通過樣品并去往第一收發(fā)器。
[0016]在閱覽以下參照附到本說明書并且形成本說明書的一部分的附圖和權(quán)利要求的描述之后，本發(fā)明的進一步的目的、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得容易明白。
【附圖說明】
[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)器的更詳細的視圖；
[0020]圖4示出具有兩個天線的收發(fā)器的更詳細的視圖；
[0021 ]圖5示出圖4的收發(fā)器的兩個天線的近攝(close-up)視圖；
[0022]圖6示出具有兩個天線的收發(fā)器的更詳細的視圖，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帶或屏蔽的變化；
[0023]圖7示出具有單個天線的收發(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)器的一個實施例的詳細視圖；
[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脈沖的更詳細的視圖；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。
【具體實施方式】
[0031]參照圖2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光學(xué)延遲系統(tǒng)，并且通過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脈沖分開的射束分離器116。光學(xué)脈沖114可以通過使用光學(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)脈沖可以包括獨立的、正交偏振的栗浦激光脈沖和探測激光脈沖。
[0032]在光學(xué)纖維118被利用的情況下，散射(dispers1n)預(yù)補償器117可以被用于補償當光學(xué)脈沖114傳播通過光學(xué)纖維118時引起的光學(xué)脈沖114的散射。散射預(yù)補償器的示例在美國專利N0.6，320，191中被示出和描述，并且通過其整體引用而并入本文。
[0033]然而，應(yīng)當理解，光學(xué)脈沖114可以通過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具有兩個單獨的分量(以正交方式布置的栗浦脈沖和探測脈沖)。這允許兩個不同的光學(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和探測脈沖122。收發(fā)器124接收栗浦脈沖120和探測脈沖122。如稍后將更詳細地描述的，收發(fā)器124包括發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128。當正交偏振的栗浦脈沖120和探測脈沖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，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可以允許一個或多個光纖光纜進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，在該實現(xiàn)中，放大并執(zhí)行信號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，并且當通過探測脈沖122激勵時被接收器開關(guān)128檢測或采樣。
[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(?Ium)到長到最短可測量太赫茲波長(在基板上為?25um，假定基板的折射率為3.5)。間距中的這個范圍允許良好的栗浦-探測分開以防止串擾，同時還允許發(fā)射的130太赫茲信號和接收的134太赫茲信號沿著基本重疊的射束路徑無失真地傳播。射束分離器116被制造為將兩個焦斑(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和探測脈沖122可以先前已通過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平行射束(栗浦脈沖120和探測脈沖122)。栗浦脈沖120和探測脈沖122在被聚焦時形成兩個空間上分開的斑點。單個光纖118、而不是兩個的使用消除了由于環(huán)境因素而可發(fā)生的栗浦脈沖120和探測脈沖122之間的定時誤差，環(huán)境因素包括來自拉伸或扭曲的光纖應(yīng)力、振動、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，但是也可以通過使用不同的波長或其它非正交偏振態(tài)來分開射束。
[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(midpoint)處。光導(dǎo)開關(guān)126和128通常包括形成被設(shè)計為當開關(guān)“打開”或者處于關(guān)斷狀態(tài)時具有高電阻率(resistivity)并且當開關(guān)“閉合”或者處于接通狀態(tài)時具有高導(dǎo)電率(conductivity)(這是當被激光脈沖激活時發(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)時間限制到亞皮秒持續(xù)時間。
[0040]然而，應(yīng)當理解，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)、并且通過使采樣光學(xué)脈沖與傳入的太赫茲信號共同傳播來使接收器使用同一晶體探測太赫茲信號是可以的。
[0041]此外，光學(xué)纖維118的使用通過提供光纖118的柔性臍帶(umbilical)來允許移動的自由以將脈沖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)。脈沖的精確定時和脈沖長度的控制提供較高分辨率(resolut1n)結(jié)果。這樣，經(jīng)常地，對于當兩個光學(xué)脈沖沿著它們的正交偏振的光學(xué)路徑行進時這兩個光學(xué)脈沖中的散射，需要考慮某種形式的散射補償。
[0042]參照圖4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在兩個蝶形(bowtie)天線二分之一部分的中點處被示出。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，兩個蝶形二分之一部分作為單個天線以太赫茲頻率執(zhí)行。光學(xué)波長和太赫茲波長之間的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。參照圖6，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帶或屏蔽的變化同樣適用于本說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。通過隔離發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128，沒有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噪聲，并且從接收器開關(guān)128產(chǎn)生最高可能的信號與噪聲。還注意，兩個天線126和128可以被配置為雙發(fā)射器或雙接收器或一個發(fā)射器和一個接收器的組合。
[0044]圖7示出了收發(fā)器芯片125的另一個示例。描繪了單個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)測量的信號將幾乎是無失真的。發(fā)射器開關(guān)126和接收器開關(guān)128可以通過高通電容器142和144而彼此電隔離。
[0046]參照圖8和圖9，示出了收發(fā)器芯片125的另一個示例。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共享公共的中心點并且開關(guān)126和128足夠貼近且被適當?shù)貙实嚼跗置}沖120和探測脈沖122，該正交配置就可以無失真地運行。此外，天線146和148之間的角度(因此偏振)關(guān)系不限于對準且正交的偏振態(tài)。天線146和148之間的任何角度關(guān)系可以是可能的。此外，兩個天線146和148可以被配置為兩個發(fā)射器或兩個接收器或一個發(fā)射器和一個接收器的組合。
[0048]參照圖1OA和圖10B，提供了射束分離器116的更詳細的視圖。圖1OA是偏振的栗浦脈沖120和探測脈沖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。通過在光纖118的輸入端使用偏振射束組合器，可以將兩個單獨的保偏光纖組合到第三保偏光纖。在兩個單獨的光纖中傳播的偏振脈沖然后可以被組合到單個光纖118中，并且彼此獨立且正交偏振地傳播。該單個光纖118然后可以支持栗浦脈沖120和探測脈沖122兩者的遞送。在另一個實施例中，只要天線136和138被緊密地包裝并因此可以通過使用兩個單獨的光纖或者具有雙芯(core)的單個光纖被激活，栗浦脈沖120和探測脈沖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和探測脈沖122對應(yīng)的兩個偏振態(tài)分開。射束分離器116通過使沿著射束分離器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和探測脈沖122的交點的移位的一個因素。栗浦脈沖120和探測脈沖122的焦點被設(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)域中還包括將兩個射束向下聚焦到間隙大小的數(shù)量級的斑點尺寸的聚焦光學(xué)器件152。因此，當光離開光纖118時，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—起作用以使兩個射束120和122聚焦并且將兩個射束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，將兩個脈沖120和122分開的替代方法是可能的，諸如波長。另外，因為栗浦脈沖120和探測脈沖122在時間上是分開的，所以不需要一定將兩個脈沖120和122如它們在時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與探測脈沖122在物理上不分開，則兩個脈沖流將撞(impact)在兩個天線上。盡管這意味著當從發(fā)射器開關(guān)126發(fā)起太赫茲脈沖時，接收器開關(guān)128是“活動”(active)的，但是來自單獨的天線的太赫茲脈沖的彳丁進時間意味著很小的太赫茲能量將到達接收器開關(guān)128，以被檢測為噪聲。簡單來說，天線處的兩個光學(xué)脈沖120和122的間隔描述一種已知的實現(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)取D12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和探測脈沖122的兩個激光斑點精確地對準到收發(fā)器開關(guān)126和接收器開關(guān)128上?？商娲?，射束分離器116也不需要是單獨的部件，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中所示的擴展視圖示出了兩個正交偏振射束120和122如何被自聚焦透鏡152聚焦并且當它們到達收發(fā)器芯片125上時如何被射束分離器橫向分開。栗浦脈沖120第一個到達，碰撞發(fā)射器開關(guān)126，探測脈沖122第二個到達，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)換能器被盡量實際地靠近沉浸式超半球硅透鏡129的焦點放置以使發(fā)出的太赫茲輻射準直或近乎準直并且提高效率。
[0055]這通過使用比太赫茲波長短的波長的光學(xué)輻射來實現(xiàn)。這允許光學(xué)輻射在空間上被分成多個隔離的射束120和122，這些射束然后被用于產(chǎn)生和/或測量多個太赫茲信號，每個太赫茲信號具有在大小上大幅度長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(或波長)的波長或波長分布，從而使得所有的所述多個太赫茲信號能夠共享公共的射束路徑。
[0056]參照圖16，還可能的是，在一個測量配置中使用兩個或更多個收發(fā)器。收發(fā)器160基本上是收發(fā)器124的復(fù)制系統(tǒng)，并且將不被詳細描述，因為對于收發(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位于受測試的樣品180的相對側(cè)的第二收發(fā)器160中。該第二測量是在透射模式下進行的。通過該配置，反射和透射太赫茲數(shù)據(jù)二者可以同時從樣品180獲得。逆向的一組測量也是可能的并且是同時的。也就是說，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在反射模式下測量。總共四次測量(兩次在透射下，兩次在反射下)可以從樣品166上的同一個點并且同時地進行。
[0058]這樣，從一個系統(tǒng)到另一個系統(tǒng)產(chǎn)生和接收太赫茲信號的任何組合是可能的，因為用于激活發(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激光源，并因此被準確地同步。通過本發(fā)明還可能的是使用使兩個收發(fā)器安裝在樣品的任一側(cè)的薄膜配置。通過該配置，不同的太赫茲偏振可以被用于測量樣品。
[0059]所得到的系統(tǒng)相對于使用兩個單獨的天線系統(tǒng)的典型系統(tǒng)給予了若干優(yōu)點。首先，需要較少的材料，從而降低了成本并且簡化了系統(tǒng)的實現(xiàn)。對于組合設(shè)備僅需要一個模塊、超半球、透鏡系統(tǒng)、光學(xué)纖維、電子臍帶等。另一個優(yōu)點是如果該系統(tǒng)被用于反射測量，則由兩個單獨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克服發(fā)射天線和接收天線不能在同一個物理位置中的事實。
[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)中的兩個單獨的模塊還需要對準以最大化通過系統(tǒng)的太赫茲信號。這里呈現(xiàn)的系統(tǒng)消除了薄膜，因為發(fā)射器和接收器在同一個太赫茲電磁路徑中，從而降低了損失和對準要求。其優(yōu)點在美國專利N0.8，436，310中被討論，該專利通過其整體引用而并入本文。
[0061]如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識到的，以上描述意在作為本發(fā)明的原理的實現(xiàn)的說明。該描述并非意圖限制本發(fā)明的范圍或應(yīng)用，因為在不脫離隨附權(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】
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)，并且所述探測脈沖被引向接收器開關(guān);并且 其中，當所述栗浦脈沖撞擊發(fā)射器開關(guān)時從所述收發(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)，還包括單個光學(xué)纖維，其中，所述光學(xué)脈沖經(jīng)由所述單個光學(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脈沖在所述保偏光纖中時是正交偏振的。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括散射補償器，所述散射補償器與所述單個光學(xué)纖維進行光學(xué)通信以補償當所述光學(xué)脈沖傳播通過單個光學(xué)纖維時引起的光學(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)器件位于所述單個光學(xué)纖維和射束分離器之間，用于使來自所述單個光學(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)出并且通過樣品的電磁輻射的至少一部分。
【文檔編號】G01J5/02GK105917200SQ201480073733
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】T·斯特羅格, G·斯圖克, S·威廉姆森
【申請人】派克米瑞斯有限責任公司