一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的制作方法

本实用新型涉及激光系统领域，具体而言，涉及一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪。

背景技术：

近年来，太赫兹时域光谱技术发展迅速，利用太赫兹时域光谱技术对材料超快动力学的研究取得了丰富的成果。传统的太赫兹时域光谱技术适合于可重复的(可逆的)材料超快动力学过程的研究，但对于单次的不可逆的材料超快动力学行为就无能为力了。原因在于传统的太赫兹时域光谱系统大多基于电光效应对太赫兹脉冲的时域电场信号进行探测，为了提高信噪比，一般在测量中会使用锁相放大器，并使用多次测量取平均的方法，对可逆的超快过程逐点多次测量，以获取完整的材料超快动力学过程的信息。

近年来太赫兹脉冲单次测量的方法又有了一定发展，可以实现对单个太赫兹脉冲进行时域信号的单次测量。但是这种方法也只能实现对单个太赫兹脉冲的测量，无法实现对包含多个太赫兹子脉冲的太赫兹脉冲序列进行高速的单次测量。在材料不可逆的(即单次过程)超快动态过程的太赫兹光谱研究中，对太赫兹探测脉冲进行连续多次的瞬态测量是目前行业需要解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪，旨在改善上述问题。

本实用新型提供的一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪，包括飞秒激光产生模块、分光延迟模块、倾斜前沿脉冲序列产生模块、太赫兹脉冲序列产生模块、脉冲调制模块和光谱获取模块。所述飞秒激光产生模块产生的飞秒激光传输至所述分光延迟模块，经由所述分光延迟模块产生第一飞秒脉冲序列和第二飞秒脉冲序列，所述第一飞秒脉冲序列经所述倾斜前沿脉冲序列产生模块处理后产生倾斜前沿脉冲序列，所述第二飞秒脉冲序列经所述太赫兹脉冲序列产生模块处理后产生太赫兹脉冲序列。所述倾斜前沿脉冲序列和所述太赫兹脉冲序列均传输至所述脉冲调制模块，所述倾斜前沿脉冲序列在所述脉冲调制模块内被所述太赫兹脉冲序列调制后传输至所述光谱获取模块，由所述光谱获取模块获取调制后的所述倾斜前沿脉冲序列所携带的太赫兹脉冲序列的波形信息。

优选地，所述分光延迟模块包括终端分光片和N级分光装置，每个所述分光装置包括分光器件和光路调节器件，其中，N为大于1的正整数；

所述N级分光装置中的第M级分光装置的分光器件用于将输入该分光器件的入射光分成第一传输方向的第一出射光和第二传输方向的第二出射光，所述光路调节器件用于将第二传输方向的第二出射光调节成第一传输方向的第三出射光，其中，M为正整数，M大于等于1且小于等于N，M等于1时，所述第M级分光装置的入射光为所述飞秒激光，M大于等于 2且小于等于N时，所述第M级分光装置的入射光为前一级分光装置的第一出射光和第三出射光；

所述终端分光片用于将第M级分光装置的沿所述第一传输方向的第一出射光和第三出射光分成沿第一传输方向的所述第一飞秒脉冲序列和沿所述第二传输方向的所述第二飞秒脉冲序列。

优选地，所述分光器件为分光片，所述光路调节器件为反射镜。

优选地，所述倾斜前沿脉冲序列产生模块包括第一光栅，所述第一飞秒脉冲序列以预设入射角度入射到所述第一光栅上，经由所述第一光栅衍射后形成所述倾斜前沿脉冲序列。

优选地，所述倾斜前沿脉冲序列产生模块还包括第一起偏器和第二透镜；

所述倾斜前沿脉冲序列经由所述第一起偏器过滤后传输至所述第二透镜，经由所述第二透镜汇聚后传输至所述脉冲调制模块。

优选地，所述太赫兹脉冲序列产生模块包括第一透镜和非线性晶体；

所述第二飞秒脉冲序列经由所述第一透镜汇聚后传输到所述非线性晶体，在所述非线性晶体上产生多个太赫兹子脉冲，多个所述太赫兹子脉冲形成所述太赫兹脉冲序列。

优选地，所述太赫兹脉冲序列产生模块还包括第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜。所述太赫兹脉冲序列经由所述第一抛物面反射镜后准直到所述第二抛物面反射镜，经由所述第二抛物面反射镜汇聚后入射到所述 脉冲调制模块。

优选地，所述太赫兹脉冲序列产生模块还包括聚乙烯薄片，所述聚乙烯薄片用于将所述非线性晶体产生的所述太赫兹脉冲序列进行滤波处理后传输至所述第一抛物面反射镜。

优选地，所述光谱获取模块包括第三透镜和图像传感器，所述第三透镜用于将经所述脉冲调制模块调制后的所述倾斜前沿脉冲序列汇聚到所述图像传感器，所述图像传感器用于获得所述倾斜前沿脉冲序列所携带的所述太赫兹脉冲系列的波形信息。

优选地，所述光谱获取模块还包括第二检偏器，所述第二检偏器用于将所述太赫兹脉冲序列调制后的所述倾斜前沿脉冲序列的偏振分量传输至所述第三透镜。

上述本实用新型提供的一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪，针对现有技术的时域光谱仪不能实现对太赫兹探测脉冲进行连续多次的瞬态测量的技术问题，本实用新型实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪，飞秒激光产生模块产生的飞秒激光传输至所述分光延迟模块，经由所述分光延迟模块产生第一飞秒脉冲序列和第二飞秒脉冲序列，所述第一飞秒脉冲序列经所述倾斜前沿脉冲序列产生模块处理后产生倾斜前沿脉冲序列，所述第二飞秒脉冲序列经所述太赫兹脉冲序列产生模块处理后产生太赫兹脉冲序列。所述倾斜前沿脉冲序列和所述太赫兹脉冲序列均传输至所述脉冲调制模块，所述倾斜前沿脉冲在所述脉冲调制模块内被所述太赫兹脉冲序列调制后传输至所述光谱获取模块，由所述光谱获取模块获取调制后的所述倾斜前沿脉冲所携带的太赫兹脉冲序列的波形信息，即可实现太赫兹多脉冲瞬态时域光谱的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型较佳实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的模块框图；

图2是本实用新型较佳实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的分光延迟模块的结构示意图；

图3是本实用新型较佳实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的倾斜前沿脉冲序列产生模块和太赫兹脉冲序列产生模块的结构示意图；

图4是本实用新型较佳实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的光谱获取模块的结构示意图；

图5为本实用新型较佳实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的倾斜前沿脉冲序列探测太赫兹脉冲序列的示意图。

附图标记汇总：

太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪100；飞秒激光产生模块110；

分光延迟模块120；第一级分光装置122；第二级分光装置124；终端分光片126；分光器件123；光路调节器件125；

倾斜前沿脉冲序列产生模块130；第一光栅132；第一起偏器134；第二透镜136；

太赫兹脉冲序列产生模块140；第一透镜142；非线性晶体144；聚乙烯薄片146；第一抛物面反射镜147；第二抛物面反射镜148；

脉冲调制模块150；光谱获取模块160；

第二检偏器162；第三透镜164；图像传感器166。

具体实施方式

本领域技术人员长期以来一直在寻求一种改善该问题的工具或方法。

鉴于此，本实用新型的设计者通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，得出本方案所示的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参见图1至图5，本实用新型实施例提供的一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪100。图1为本实用新型实施例提供的一种太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪的模块框图，主要包括飞秒激光产生模块110、分光延迟模块120、倾斜前沿脉冲序列产生模块130、太赫兹脉冲序列产生模块140、脉冲调制模块150和光谱获取模块160。所述飞秒激光产生模块110与所述分光延迟模块120连接，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光，将产生的飞秒激光传输至分光延迟模块120。所述飞秒延迟模块与所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130和所述太赫兹脉冲序列产生模块140均连接，所述分光延迟模块120用于将所接收的飞秒激光分成两列飞秒脉冲序列，可以包括第一飞秒脉冲序列和第二飞秒脉冲序列。

将第一飞秒脉冲序列传输至所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130，由所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130处理后输出倾斜前沿脉冲序列。第二飞秒脉冲序列传输至所述太赫兹脉冲序列产生模块140，由所述太赫兹脉冲序列产生模块140处理后输出太赫兹脉冲序列。

所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130和所述太赫兹脉冲序列产生模块140均与所述脉冲调制模块150连接，所述脉冲调制模块150与所述光谱获取模块160连接。所述倾斜前沿脉冲在所述脉冲调制模块150内经所述太赫兹脉冲序列调制后，携带所述太赫兹脉冲序列的波形信息传输至所述光谱获取模块160，由所述波形获取模块对经过调制的倾斜前沿脉冲进行波形信息采集，获取所述太赫兹脉冲序列的光谱图。

所述飞秒激光产生模块110，可以包括飞秒激光器或者其它能产生飞秒激光的装置。飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e-15秒或0.001皮秒(1皮秒是，1e-12秒)。飞秒激光器是一种脉冲激光器。飞秒是指的脉冲持续时间。

参见图2，本实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪100的分光延迟模块120的结构示意图。所述分光延迟模块120，包括分光装置。为了获得两列飞秒脉冲序列，所述分光延迟模块120可以优选包括终端分光片和N级分光装置。其中，N为大于1的正整数。设定M为正整数，M大于等于1且M小于等于N。所述分光延迟模块的N级分光装置依次设置在一条传输光路上，将最先与所述飞秒激光延迟模块光耦合的分光装置设置为第一级分光装置，沿着所述激光传输光路可以依次包括第一级分光装置、第二级分光装置、、、第M分光装置。为了达到较好的测量效果，获得多个延迟子脉冲，并且减少激光传输过程中的损耗，本实施例所示的分光延迟模块的分光装置的N等于2，也就是可以包括第一级分光装置和第二级分光装置。

每个所述分光装置可以包括分光器件123和光路调节器件125。所述N级分光装置中的第M级分光装置的分光器件用于将输入该分光器件的入射光分成沿第一传输方向传输的第一出射光和沿第二传输方向的第二出射光，所述光路调节器件用于将第二传输方向的第二出射光调节成沿第一传输方向的第三出射光。

M等于1时，所述第M级分光装置的入射光为所述飞秒激光。第一级分光装置的入射光为所述飞秒激光产生装置产生的飞秒激光，经由所述第一级分光装置分光后输出第一出射光和第二出射光。设定第一出射光的传输方向为第一传输方向，可以优选为所述第一传输方向为与所述入射光相同的传输方向。所述第二出射光的传输方向为第二传输方向，与所述第一出射光的传输方向不同。所述光路调节器件用于将第二出射光的出射方向调节成与第一出射光的传输方向相同，也就是将第二传输方向的第二出射光调节成第一传输方向的第三出射光。

M大于等于2且小于等于N时，所述第M级分光装置的入射光为前一级分光装置的第一出射光和第三出射光，进行后续分光操作。当M等于N时，第N级分光装置的第一出射光和第三出射光均入射到终端分光片。所述终端分光片用于将第M级分光装置的沿所述第一传输方向的第一出射光和第三出射光分成沿第一传输方向的所述第一飞秒脉冲序列和沿所述第二传输方向的所述第二飞秒脉冲序列。

所述分光装置中，所述分光器件123可以优选为分光片，所述光路调节器件125可以为反射镜组，利用角度复用形成传输空间。所述分光片的分光比优选为1：1，可以保证分光片分出的两束光能量均匀，否则会导致分光能量不均，会使得产生太赫兹子脉冲的能量不一致，也影响探测效果。

请继续参见图2，所述分光延迟模块120包括两个分光装置和一个终端分光片，每个所述分光装置可以包括一个分光片和三个反射镜。在第一级分光装置122中，包括第一分光片、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜。第一分光片与水平方向成45度夹角，所述第一反射镜与所述第一分光片在同一竖直平面内平行放置，所述第二反射镜与所述第一反射镜在同一水平面内平行放置，所述第三反射镜与所述第二反射镜在同一竖直平面内平行放置，且所述第三反射镜垂直于所述第一分光片放置。

所述飞秒激光沿水平方向传输至所述第一级分光装置122的第一分光片后，分成第一子脉冲和第二子脉冲，所述第一子脉冲沿竖直方向传输至第一反射镜，经由所述第一反射镜反射后沿水平方向传输至第二反射镜，再经由所述第二反射镜反射后沿竖直方向传输至第三反射镜，经由所述第三反射镜反射后沿水平方向传输至所述第二级分光装置124。所述第二子脉冲沿水平方向传输至第二级分光装置124，所述第一子脉冲相对于所述第二子脉冲在时间上有延迟。即是进入所述第一级分光装置122的飞 秒激光经由所述第一级分光装置122后输出两束光路平行且在时间上有延迟的子脉冲。

第一子脉冲沿水平方向传输至第二级分光装置124的第二分光片BS2后，分成第三子脉冲和第四子脉冲，所述第三子脉冲沿竖直方向传输至第四反射镜M4，经由所述第四反射镜M4反射沿水平方向传输至第五反射镜M5，再经由第五反射镜M5反射后传输至第六反射镜M6，经由所述第六反射镜M6反射后沿水平方向传输至终端分光片126。所述第四子脉冲沿水平方向传输至终端分光片126，所述第三子脉冲相对于所述第四子脉冲在时间上有延迟。即是进入所述第二级分光装置124的第一子脉冲经由所述第二级分光装置124后输出两束光路平行且在时间上有延迟的子脉冲。同理可得，所述第二子脉冲经由所述第二级分光装置124后输出第五子脉冲和第六子脉冲，所述第五子脉冲和所述第六子脉冲相互平行，且在时间上有延迟。由于所述第一子脉冲和所述第二子脉冲在时间上有延迟，则相应地，所述第三子脉冲、第四子脉冲、第五子脉冲和第六子脉冲在时间上有延迟。

将前述分光装置获得光路传输方向相互平行、且在时间上有延迟的多个子脉冲，传输至终端分光片126。所述第三子脉冲、第四子脉冲、第五子脉冲和第六子脉冲传输至所述第三分光片后，所述第三子脉冲经由所述第三分光片分光后输出沿水平方向传输的第三横向激光和沿竖直方向传输的第三纵向激光，同理，所述第四子脉冲、第五子脉冲经由所述第三分光片后输出沿水平方向的第四横向激光、第五横向激光、第六横向激光和沿竖直方向传输的第四纵向激光、第五纵向激光和第六纵向激光，即产生了相互垂直的两列飞秒激光，沿水平方向的第一飞秒脉冲序列和沿竖直方向传输的第二飞秒脉冲序列。

所述分光延迟模块120产生的两束飞秒脉冲序列，第一飞秒脉冲序列传输至倾斜前沿脉冲序列产生模块130用于形成倾斜前沿脉冲序列，所述第二飞秒脉冲序列传输至太赫兹脉冲序列产生模块140用于形成太赫兹脉冲序列。

请参见图3，本实用新型实施例提供的太赫兹脉冲序列瞬态时域光谱仪的倾斜前沿脉冲序列产生模块130和太赫兹脉冲序列产生模块140的结构示意图。

所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130可以包括第一光栅132和第七反射镜，所述分光延迟模块120输出的第一飞秒脉冲序列入射到第七反射镜上，经由所述第七反射镜反射后，以预设角度透射到所述第一光栅132上后，其一级衍射光产生带有倾斜脉冲前沿的探测脉冲序列，即形成所述倾斜前沿脉冲序列。

所述倾斜前沿脉冲序列产生模块130还可以包括第一起偏器134和第二透镜136，所述倾斜前沿脉冲序列经由所述第一起偏器134过滤后传输至所述第二透镜136，经由所述聚焦后传输到所述脉冲调制模块。

所述太赫兹脉冲序列产生模块140，可以包括第一透镜142和非线性晶体144。所述分光延迟模块120产生的第二飞秒脉冲序列经由所述第一透镜142汇聚后入射到所述非线性晶体144上，由于非线性光学作用产生多个太赫兹脉冲，即形成太赫兹脉冲序列。

所述太赫兹脉冲序列产生模块140还可以包括第一抛物面反射镜147、第二抛物面反射镜148和聚乙烯薄片146。在所述非线性晶体144上形成的太赫兹脉冲序列，经由所述聚乙烯薄片146进行滤波处理，即是 仅允许太赫兹脉冲透过，而阻挡飞秒脉冲光透过。经过滤波处理后的太赫兹脉冲序列经由所述第一抛物面反射镜147后准直到第二抛物面反射镜148上，经由所述第二抛物面反射镜148汇聚后入射到所述脉冲调制模块上。

在上述实施例的基础上，还可以包括氧化铟锡薄膜，即为ITO。用于透射飞秒激光，反射太赫兹波。所述倾斜前沿脉冲序列和所述太赫兹脉冲序列均经由所述ITO后传输到脉冲调制模块150进行调制，所述脉冲调制模块150可以优选为电光效应晶体。具有倾斜脉冲前沿的倾斜前沿脉冲序列作为探测光，对于太赫兹脉冲序列进行探测。由于太赫兹脉冲序列在电光效应晶体中的电光效应，会使得倾斜前沿脉冲序列的偏振态发生改变，其偏振态的改变量与太赫兹脉冲序列的电场强度成正比。由于作为探测脉冲的倾斜前沿脉冲序列的脉冲前沿在X方向上是倾斜的，因此不同x位置的探测脉冲的垂直于第一起偏器134方向上的偏振强度就正比于太赫兹脉冲不同时刻的电场强度。经由所述太赫兹脉冲序列调制后的倾斜前沿脉冲携带所述太赫兹脉冲序列的相关参数信息，传输至所述光谱获取模块160，以获取太赫兹脉冲序列的波形信息。

请参见图5，本实用新型实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪100的光谱获取模块160，所述光谱获取模块160可以包括第二检偏器162、第三透镜164和图像传感器166，所述第二检偏器162与所述电光效应晶体耦合，所述第二检偏器162与所述第三透镜164耦合，所述第三透镜164与所述图像传感器166耦合。

经由所述太赫兹脉冲序列调制后的倾斜前沿脉冲序列传输至第二检偏器162，由所述第二检偏器162过滤掉所述倾斜前沿脉冲序列中未被太赫兹脉冲序列调制的偏振分量，只允许经由所述太赫兹脉冲序列调制后的 偏振分量通过，传输至第三透镜164，经由所述第三透镜164汇聚到所述图像传感器166，由所述图像传感器166获得每一个探测脉冲的光强分布，进而获得所述倾斜前沿脉冲序列所携带的所述太赫兹脉冲序列的波形信息。在x方向上，倾斜前沿脉冲光的脉冲前沿是倾斜的，因此不同的x位置就代表了不同的时间。被第一检偏器过滤出来的脉冲光的强度正比于太赫兹脉冲电场强度，沿着x方向上的光强分布直接正比于太赫兹脉冲的电场信息，因此沿着y方向对光强进行累加，就可以得到太赫兹脉冲的波形信息。

上述本实用新型实施例提供的太赫兹脉冲瞬态时域光谱仪，针对现有技术的时域光谱仪不能实现对太赫兹探测脉冲进行连续多次的瞬态测量的技术问题，本实用新型实施例提供的太赫兹多脉冲瞬态时域光谱仪100，飞秒激光产生模块110产生的飞秒激光传输至分光延迟模块120，经由所述分光延迟模块120产生第一飞秒脉冲序列和第二飞秒脉冲序列，第一飞秒脉冲序列经由所述倾斜前沿脉冲序列模块处理后产生处理后产生倾斜前沿脉冲序列，第二飞秒脉冲序列经太赫兹脉冲序列产生模块140处理后产生太赫兹脉冲序列。产生的所述倾斜前沿脉冲序列和所述太赫兹脉冲序列传输至脉冲调制模块150，所述脉冲调制模块150可以为电光效应晶体。由于太赫兹脉冲序列在电光效应晶体中的电光效应，作为探测脉冲的倾斜前沿脉冲在脉冲调制模块150内被太赫兹脉冲序列调制，其偏振态发生改变，其偏振态的改变梁与太赫兹脉冲的电场成正比。经调制后的倾斜前沿脉冲传输至光谱获取模块160，由光谱获取模块160获取调制后的倾斜前沿脉冲所携带的太赫兹脉冲序列的波形信息，即可实现太赫兹多脉冲瞬态时域光谱的测量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新 型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。