CN220730041U - 一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，涉及太赫兹波段光学测量技术领域。其中，该光学系统包括设置在光路上的激光器、分光镜、光参量放大器、斩波器、太赫兹产生晶体，太赫兹滤波片、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴打孔抛物面反射镜、光学延迟装置、第一凸透镜、被测样品、第二凸透镜、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器。本实用新型的系统构成简单、建置成本低、稳定性高、可修复性强并且容易维护。

Description

一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹波段光学测量技术领域，具体而言，涉及一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统。

背景技术

色散，即材料的折射率随入射光频率的变化而变化的特性，该色散特性会造成脉冲展宽、群相位失匹配等现象，制约了自由空间光学系统、光纤通讯系统向高质量方向的发展。而含有丰富频率成分的光脉冲在样品内的传播速度就是由色散和折射率共同决定。色散和折射率测量实质就是测量不同频率的光脉冲在色散介质中传输相同距离所用的时间延迟，或测量具有丰富频率分量的光脉冲在色散介质中的群速度。

目前，针对紫外、可见光、红外等频段样品色散或群速度测量方法有很多，包括时延法、相移法、干涉法等。例如，时延法是测量不同频率光脉冲通过样品的时延量，进而通过多项式拟合得到群速度值；相移法通过比较参考值和测量值之间的相位差，从而得到群速度值；干涉法利用迈克尔逊干涉仪，通过调节迈克尔逊干涉仪的参考臂和测量臂的相对距离，得出参考值和测量值之间的相位差。但上述方法，难以用于测量太赫兹频段内脉冲的群速度参数，阻碍太赫兹频率内群速度参数测量的因素可能有以下三点：

（1）太赫兹脉冲通常包含非常丰富的频率成分，其频率覆盖范围通常超过5倍频程，通过测量所有单一频率的时延或相位以最终获得太赫兹脉冲群速度的方式，具有非常巨大的工作量且对系统的稳定性需求极高。

（2）太赫兹脉冲的频谱分布通常是不规则的，不服从严格的高斯型，通过每一频点的时延或相位参数只能近似计算整个太赫兹脉冲的群速度。

（3）受太赫兹源和探测器技术水平的限制，搭建太赫兹频段内时延法、相移法或干涉法测量太赫兹脉冲群速度参数的系统难度较高。

因此，亟需一种新的测量装置，实现对样品内太赫兹脉冲群速度参数的直接测量。

实用新型内容

本实用新型提供的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统就是利用物质内普遍存在的克尔效应对样品内太赫兹脉冲群速度参数进行测量，本实用新型中测量太赫兹脉冲群速度的灵敏度可以达到0.001mm/ps，可以应用于对频率组成成分复杂的太赫兹脉冲在样品内的群速度值进行测量。

为达上述目的，本实用新型提供了一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其包括设置在光路上的激光器、分光镜、光参量放大器、斩波器、太赫兹产生晶体，太赫兹滤波片、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴打孔抛物面反射镜、光学延迟装置、第一凸透镜、被测样品、第二凸透镜、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器；其中：

所述激光器优选钛蓝宝石飞秒激光放大器，用于发射波长为800nm、脉冲宽度为35fs的激光，800nm的飞秒激光经过所述分光镜分出一束作为泵浦光和一束作为探测光。泵浦光通过所述光参量放大器，转化为波长为800~2600nm中任意波长、脉冲宽度为50fs的激光，并通过所述斩波器、所述太赫兹产生晶体产生太赫兹脉冲；太赫兹脉冲经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，再依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜进行波前调制，之后再经由第三离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述被测样品。探测光依次经过所述光学延迟装置、所述第一凸透镜、所述第三离轴打孔抛物面反射镜后与太赫兹脉冲共同聚焦于所述被测样品上，所述被测样品由强太赫兹脉冲激发三阶非线性克尔效应，导致同时聚焦于所述被测样品上的探测光发生偏振旋转；受太赫兹脉冲调制的探测光脉冲经由所述第二凸透镜汇聚成平行光后通过所述四分之一波片、所述沃拉斯顿棱镜进行偏振态分束后，通过所述光电平衡探测器进行信号采集；调节所述光学延迟装置，可以得到用以计算样品太赫兹脉冲群速度的时间延迟信息。

在本实用新型的一实施例中，所述被测样品厚度在300μm~3mm之间。

在本实用新型的一实施例中，所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，所述斩波器的斩波频率为30~400Hz。

在本实用新型的一实施例中，所述光参量放大器输出波长在800~2600nm之间。

在本实用新型的一实施例中，所述太赫兹产生晶体为DAST晶体。其还可被DSTMS、BNA、OH1等晶体替换。

在本实用新型的一实施例中，所述太赫兹产生晶体产生的太赫兹电场强度为0.1~80MV/cm。

在本实用新型的一实施例中，所述由第三离轴打孔抛物面反射镜反射的太赫兹波与所述被测样品所在平面的夹角介于80°~100°之间。

在本实用新型的一实施例中，所述第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜焦距比例应为1：4，其优选值应该小于1：2。

在本实用新型的一实施例中，所述被测量的样品以石英和蓝宝石为例。本系统所述可被测量的样品包括但不限于各种用于太赫兹波段的窗口材料、基底材料、生物样品、半导体材料、晶体等，如石英、金刚石、硅、砷化镓、氮化硅、蓝宝石、聚乙烯、有机溶剂、蛋白质溶液等。

在本实用新型的一实施例中，所述被测量的太赫兹脉冲频段覆盖0.1~10THz。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统创新的应用了样品中普遍存在的三阶非线性克尔效应现象，实现了对样品中太赫兹脉冲群速度的直接测量。太赫兹脉冲聚焦到被测样品上，并在被测样品中传播，传播过程激发了样品的各向异性。探测光在同一时刻聚焦到样品中的同一位置，并同时在样品内传播。太赫兹脉冲和探测光脉冲在样品内相遇时，由于样品的三阶非线性克尔效应，太赫兹脉冲会改变探测光脉冲的偏振状态。通过调整探测光路线上的时间延迟装置，使探测光脉冲和太赫兹脉冲以一定的时间间隔先后到达样品。由于太赫兹脉冲和探测光脉冲在样品内具有不同的群速度，因此当时间间隔较小时，太赫兹脉冲和探测光脉冲依然可以在样品内追击相遇并产生对探测光脉冲偏振态的调制。调整时间延迟装置，测量探测光脉冲被调制的时间范围，即可基于参考的探测光脉冲速度、时间范围和样品厚度等参数，获得太赫兹脉冲群速度参数。本实用新型中测量太赫兹脉冲群速度的灵敏度可以达到0.001mm/ps，是首次实现对样品内太赫兹脉冲传播群速度的直接测量。本实用新型的系统构成简单、建置成本低、稳定性高、并且容易维护。本实用新型首次实现对样品内太赫兹脉冲群速度的直接测量，并具有较高的灵敏度，在太赫兹领域内元器件制造、样品检测、基底窗口材料分析、自由空间内太赫兹系统搭建与仪器制造等方面均具有极大的科研和应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统示意图（俯视图）；

图2为本实用新型中使用的太赫兹脉冲频谱；

图3为本实用新型中系统对石英样品的测量结果；

图4为本实用新型中系统对蓝宝石样品的测量结果。

附图标记说明：1-激光器；2-分光镜；3-光参量放大器；4-斩波器；5-太赫兹产生晶体；6-太赫兹滤波片；7-第一离轴抛物面反射镜；8-第二离轴抛物面反射镜；9-第三离轴打孔抛物面反射镜；10-光学延迟装置；11-第一凸透镜；12-被测样品；13-第二凸透镜；14-四分之一波片；15-沃拉斯顿棱镜；16-光电平衡探测器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提供的样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统示意图（俯视图），其包括设置在光路上的激光器1、分光镜2、光参量放大器3、斩波器4、太赫兹产生晶体5，太赫兹滤波片6、第一离轴抛物面反射镜7、第二离轴抛物面反射镜8、第三离轴打孔抛物面反射镜9、光学延迟装置10、第一凸透镜11、被测样品12、第二凸透镜13、四分之一波片14、沃拉斯顿棱镜15、光电平衡探测器16，其中：

激光器1用于发射波长为800nm、脉冲宽度为35fs的激光，800nm的飞秒激光经过分光镜2分出一束作为泵浦光和一束作为探测光。泵浦光通过光参量放大器3，转化为波长为800~2600nm中任意波长、脉冲宽度为50fs的激光，并通过斩波器4、太赫兹产生晶体5产生太赫兹脉冲。太赫兹脉冲经过太赫兹滤波片6滤除杂散光，再依次经过第一离轴抛物面反射镜7、第二离轴抛物面反射镜8进行波前调制，之后再经由第三离轴打孔抛物面反射镜9反射后聚焦至被测样品12。探测光依次经过光学延迟装置10、第一凸透镜11、第三离轴打孔抛物面反射镜9后与太赫兹脉冲共同聚焦于被测样品12上，所述被测样品12由强太赫兹脉冲激发三阶非线性克尔效应，导致同时聚焦于所述被测样品12上的探测光发生偏振旋转。受太赫兹脉冲调制的探测光脉冲经由第二凸透镜13汇聚成平行光后通过四分之一波片14、沃拉斯顿棱镜15进行偏振态分束后，通过光电平衡探测器16进行信号采集。调节所述光学延迟装置，可以得到用以计算样品太赫兹脉冲群速度的时间延迟信息。

图1中，第一离轴抛物面反射镜7的等效焦距可以为1英寸，第二离轴打孔抛物面反射镜8的等效焦距可以为4英寸。

本实施例中，被测样品12厚度在300μm~3mm之间。

本实施例中，激光器1为钛蓝宝石飞秒激光放大器，斩波器4的斩波频率为30~400Hz。

本实施例中，光参量放大器3输出波长在800~2600nm之间。

本实施例中，太赫兹产生晶体5为DAST晶体，其还可被DSTMS、BNA、OH1等晶体替换。

本实施例中，太赫兹产生晶体5产生的太赫兹电场强度为0.1~ 80MV/cm。

本实施例中，由第三离轴打孔抛物面反射镜9反射的太赫兹波与被测样品12所在平面的夹角介于80°~100°之间。

本实施例中，第一离轴抛物面反射镜7和第二离轴抛物面反射镜8焦距比例应为1：4，其优选值应该小于1：2。

本实施例中，被测量的样品12以石英和蓝宝石为例。本系统可被测量的样品包括但不限于各种用于太赫兹波段的窗口材料、基底材料、生物样品、半导体材料、晶体等，如石英、金刚石、硅、砷化镓、氮化硅、蓝宝石、聚乙烯、有机溶剂、蛋白质溶液等。

如图2所示，本实施例中被测量的太赫兹脉冲频段覆盖0.1~10THz。

本实用新型采用以下方法进行测量，该方法可以应用于例如图1所示的系统中，其包括以下步骤：

S1：所述激光器发射波长为800nm的激光。

S2：800nm的激光经过所述分光镜分出一束泵浦光和一束探测光。

S3：泵浦光通过所述光参量放大器，转化为波长为800~2600nm中任意波长、脉冲宽度为50fs的激光，并通过所述斩波器、所述太赫兹产生晶体产生太赫兹脉冲。太赫兹脉冲经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，再依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜进行波前调制，之后再经由第三离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述被测样品。

S4：探测光依次经过所述光学延迟装置、所述第一凸透镜、所述第三离轴打孔抛物面反射镜后与太赫兹脉冲共同聚焦于所述被测样品上，所述被测样品由强太赫兹脉冲激发三阶非线性克尔效应，导致同时聚焦于所述被测样品上的探测光发生偏振旋转。受太赫兹脉冲调制的探测光脉冲经由所述第二凸透镜汇聚成平行光后通过所述四分之一波片、所述沃拉斯顿棱镜进行按偏振态分束后，通过所述光电平衡探测器进行信号采集。调节所述光学延迟装置，可以得到用以计算样品太赫兹脉冲群速度的时间延迟信息。

S5：基于测量到的时间延迟信息获取时间范围t，并由折射率表获得探测光脉冲在样品中的参考速度，则对于厚度为l的被测样品，太赫兹脉冲在样品中群速度参数可由公式获取。

图3为应用图1所述系统对厚度l为0.6mm石英样品的测量结果，可以观察到时间范围t约为1ps；由折射率表获得探测光脉冲在石英样品中的折射率n为1.4533，对应的参考速度为0.2064mm/ps；经公式计算，本实施例中太赫兹脉冲在石英样品中的传播群速度参数为0.154mm/ps。

图4为应用图1所述系统对厚度l为0.6mm蓝宝石样品的测量结果，可以观察到时间范围t约为2.6ps；由折射率表获得探测光脉冲在蓝宝石样品中的折射率n为1.7601，对应的参考速度为0.1704mm/ps；经公式计算，本实施例中太赫兹脉冲在蓝宝石样品中的传播群速度参数为0.098mm/ps。

本实用新型创新的应用了样品中普遍存在的三阶非线性克尔效应现象，首次实现了对样品中太赫兹脉冲群速度高灵敏度的直接测量，测量灵敏度可达0.001mm/ps。和传统时延法以及相位法逐一测量各频率点折射率进而间接近似计算色散和群速度的方法相比，本实用新型可以直接获得任意频率成分构成的太赫兹脉冲在样品中的群速度。本实用新型的系统构成简单、建置成本低、稳定性高、并且容易维护。本实用新型首次实现对样品内太赫兹脉冲群速度的直接测量，并具有较高的灵敏度，在太赫兹领域内元器件制造、样品检测、基底窗口材料分析、自由空间内太赫兹系统搭建与仪器制造等方面均具有极大的科研和应用价值。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，包括设置在光路上的激光器、分光镜、光参量放大器、斩波器、太赫兹产生晶体，太赫兹滤波片、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴打孔抛物面反射镜、光学延迟装置、第一凸透镜、被测样品、第二凸透镜、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器，其中：

所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，用于发射波长为800nm、脉冲宽度为35fs的激光，800nm的飞秒激光经过所述分光镜分出一束作为泵浦光和一束作为探测光；泵浦光通过所述光参量放大器，转化为波长为800~2600nm中任意波长、脉冲宽度为50fs的激光，并通过所述斩波器、所述太赫兹产生晶体产生太赫兹脉冲；太赫兹脉冲经过所述太赫兹滤波片滤除杂散光，再依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜进行波前调制，之后再经由第三离轴打孔抛物面反射镜反射后聚焦至所述被测样品；探测光依次经过所述光学延迟装置、所述第一凸透镜、所述第三离轴打孔抛物面反射镜后与太赫兹脉冲共同聚焦于所述被测样品上；所述被测样品由强太赫兹脉冲激发三阶非线性克尔效应，导致同时聚焦于所述被测样品上的探测光发生偏振旋转；受太赫兹脉冲调制的探测光脉冲经由所述第二凸透镜汇聚成平行光后通过所述四分之一波片、所述沃拉斯顿棱镜进行偏振态分束后，通过所述光电平衡探测器进行信号采集；调节所述光学延迟装置，可以得到用以计算样品太赫兹脉冲群速度的时间延迟信息。

2.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述被测样品厚度为300μm~3mm。

3.根据权利要求1所述的样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述激光器为钛蓝宝石飞秒激光放大器，所述斩波器的斩波频率为30~400Hz。

4.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述太赫兹产生晶体产生的太赫兹电场强度为0.1~80MV/cm。

5.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，由所述第三离轴打孔抛物面反射镜反射的太赫兹波与所述被测样品所在平面的夹角介于80°~100°之间。

6.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜焦距比例应小于1：2。

7.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述样品包括用于太赫兹波段的窗口材料、基底材料、生物样品、半导体材料、晶体。

8.根据权利要求1所述的一种样品中太赫兹脉冲群速度的测量系统，其特征在于，所述太赫兹脉冲频段可覆盖0.1~10THz。