单光导天线的脉冲太赫兹时域光谱系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，涉及一种单光导天线的脉冲太赫兹时域光谱系统及探测方法，可以实现太赫兹发射器和探测器在空间上的集成。
【背景技术】
[0002]太赫兹波是对特定波段电磁波的统称，一般所称的太赫兹波段，是指频率为0.1THz?1THz范围，在电磁波谱中介于毫米波和红外之间。太赫兹波处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置，具有透视性、安全性、光谱分辨本领等独特的性质，因而具有非常重要的研宄价值和应用前景。太赫兹光谱及成像技术在生物学、医学疾病诊断、材料科学、军事以及化学基础研宄等许多领域展现出巨大的应用潜力，并迅速成为热门的前沿研宄方向。
[0003]太赫兹时域光谱技术是国际上近年来发展起来的太赫兹应用技术之一，是一种新兴的光谱技术，是太赫兹光谱技术的核心研发领域。通过太赫兹时域光谱技术得到样品的光谱信息为时域的电场，经过傅里叶变换之后得到样品频域上的幅度和相位的信息，这一特点使得此技术的应用研宄得到了极大的关注，而且太赫兹时域光谱所具有的相干探测方法、高的时间分辨率和高灵敏度为人们展现了一个全新的光谱学研宄视角，也给光谱学研宄者提供了新的机遇。
[0004]目前，几乎所有的太赫兹时域光谱系统的发射器和探测器在空间上是分离的，系统体积大、成本高、结构复杂，不方便携带。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提出一种单光导天线的脉冲太赫兹时域光谱系统及探测方法，可以实现太赫兹发射器和探测器在空间上的集成，解决现有的太赫兹时域光谱系统体积大、成本高、结构复杂、不方便携带等问题。
[0006]本发明采用的技术方案是:
[0007]一种单光导天线的脉冲太赫兹时域光谱系统，包括飞秒激光器、5:5分束镜、第一金反射镜、第二金反射镜、合束镜、电动平移台、光导天线、第三金反射镜或样品、信号发生器、前置放大器、锁相放大器和计算机；其中所述飞秒激光器，用于输出飞秒激光，提供太赫兹时域光谱系统所需的激励光；所述5:5分束镜，用于将飞秒激光分成能量相等的泵浦光和探测光，泵浦光直接透过5:5分束镜，探测光被5:5分束镜反射，探测光方向与泵浦光垂直；所述第一金反射镜和第二金反射镜，用于反射探测光，改变探测光的传输方向，是光学延迟装置的重要组成部分；所述合束镜用于将泵浦光和探测光合束，使泵浦光和探测光沿着同一路径传输；所述电动平移台，用于移动第一金反射镜和第二金反射镜，以改变探测光的光程，进而改变探测光脉冲与泵浦光脉冲之间的时间延迟，实现扫描探测太赫兹脉冲；所述光导天线，用于发射和探测太赫兹脉冲，是太赫兹时域光谱系统的核心器件；所述第三金反射镜或样品，用于反射太赫兹脉冲，使辐射出的太赫兹脉冲返回到光导天线的半导体材料上，以便探测光脉冲对太赫兹脉冲进行探测；所述信号发生器，用于为光导天线提供偏压信号，同时为锁相放大器提供同步的参考信号；所述前置放大器，用于对光导天线输出的光电流信号进行放大、滤波处理；所述锁相放大器，用于采集前置放大器处理后输出的光电流信号，滤除噪声和偏压信号；所述计算机，采用Labview软件编写的程序来控制电动平移台的移动，同时将锁相放大器采集到的光电流信号进行波形显示和数据存储。
[0008]其中，以上所述第一金反射镜和第二金反射镜固定在电动平移台上，可以随电动平移台前后移动，改变探测光的光程；所述第三金反射镜或样品，当为第三金反射镜时，将样品放在第三反射镜与光导天线之间，既可以测样品的太赫兹透射谱，也可以测样品的太赫兹反射谱；当为样品时，可以测样品的太赫兹反射谱。
[0009]所述5:5分束镜为半透半反镜，与入射光方向成45度；所述合束镜的下表面透射率远大于反射率，上表面反射率远大于透射率；所述光导天线，输出太赫兹信号的信道与信号发生器为光导天线提供偏压信号的信道为同一信道。
[0010]所述光导天线输出的光电流信号，正比于太赫兹脉冲的瞬时电场，通过扫描采集太赫兹脉冲不同位置处的瞬时电场对应的光电流信号，就可以得到太赫兹脉冲电场在时域上的分布，即太赫兹时域光谱。
[0011]本发明同时提供了一种单光导天线的脉冲太赫兹时域光谱系统的探测方法，步骤包括:
[0012]第一步、飞秒激光通过5:5分束镜，分成能量相等的泵浦光和探测光；
[0013]第二步、探测光通过第一金反射镜和第二金反射镜反射后，与泵浦光通过合束镜合束，合束后的泵浦光脉冲和探测光脉冲之间存在时间延迟；
[0014]第三步、合束后的泵浦光和探测光入射到光导天线的半导体材料上，信号发生器为光导天线提供方波偏压信号，同时为锁相放大器提供参考信号；泵浦光脉冲和探测光脉冲到达半导体材料的时间不同，泵浦光脉冲到达半导体材料时，激发半导体材料产生载流子，此时有偏压存在，载流子在偏压的作用下加速运动，辐射出太赫兹脉冲；探测光脉冲到达半导体材料时，也会激发半导体材料产生载流子，此时无偏压存在，载流子在反射回来的太赫兹脉冲瞬时电场的作用下加速运动，产生光电流信号；
[0015]第四步、前置放大器将光电流信号进行放大、滤波处理，锁相放大器采集前置放大器处理后输出的光电流信号；
[0016]第五步、计算机采用Labview软件编写的程序来控制电动平移台的移动，同时将锁相放大器采集到的光电流信号进行波形显示和数据存储。
[0017]其中，以上所述偏压信号为方波，频率为ΙΚΗζ，幅值为10V，且方波的边沿上升和下降时间小于泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的时间延迟；偏压信号的下降沿在时间上位于泵浦光脉冲和探测光脉冲之间，下降沿左侧为泵浦光脉冲，下降沿右侧为探测光脉冲；泵浦光脉冲到达光导天线的半导体材料时有偏压存在，此时光导天线作为太赫兹发射器，辐射太赫兹脉冲，辐射出的太赫兹脉冲经第三金反射镜或样品反射；探测光脉冲到达光导天线的半导体材料时无偏压存在，反射回来的太赫兹脉冲正好到达光导天线的半导体材料上，此时光导天线作为太赫兹探测器，探测太赫兹脉冲。
[0018]所述泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的时间延迟，指的是从辐射太赫兹脉冲到太赫兹脉冲被反射回来再次到达光导天线的半导体材料所用的时间。
[0019]所述前置放大器将光电流信号进行放大、滤波处理，输出光电流信号与输入偏压信号共用一个信道，前置放大器在放大光电流信号的同时，偏压信号也会输入到前置放大器内，又由于偏压信号的幅值远大于前置放大器的输入阈值，因此需要在输入前置放大器之前，串联一个与前置放大器内部阻抗相匹配的大电阻进行分压，将偏压信号的大部分电压分在串联的大电阻上，输入前置放大器的电压就能满足阈值条件，使前置放大器能够正常工作。
[0020]所述锁相放大器米集前置放大器处理后输出的光电流信号，光电流信号与偏压信号具有相同的频率，但是两者在时间上的位置不同，即具有不同的相位，将参考信号通过锁相放大器进行移相，使参考信号与