一种可实时获取琼斯矩阵的广义太赫兹时域椭偏检测系统的制作方法

本技术涉及光学光谱，更具体地说，是涉及一种可实时获取琼斯矩阵的广义太赫兹时域椭偏检测系统。

背景技术：

1、光谱测量是指在一定电磁波频谱范围内，通过检测样品的反射或透射光谱，分析获得样品的光学特性。通常，透射光谱测量可用于透明物质，其光谱直接反映样品的衰减。结合样品的厚度等结构参数，可推算获得样品的吸收系数。同理，反射可用于高吸收不透明的样品，其光谱主要由样品折射率决定，可推导样品的折射率系数。然而，简单的反射或透射光谱测量所能获取的信息有限，例如，不能同步获得样品折射率与吸收（即虚部折射率）；当样品具有复杂多层结构、未知厚度、各向异性或非完美平整表面时，上述基本光谱技术存在很大局限性。

2、椭偏光谱仪是一种精度高、功能强大的光谱技术，它不仅能获得被测样品的吸收特征，还能获取多组复数介电属性和结构信息。椭偏测量的基本原理是：光从样品表面反射时，其偏振态会被改变，而这一改变量与样品的光学特性紧密联系，由相应光学模型描述。因此，通过测量偏振态变化，可反演推导出样品的光学及结构特性。并且，该偏振改变与入射角相关，通过多个不同入射角进行检测，甚至结合透射测量，可建立多组独立的光谱——样品关系式，实现对复杂结构样品的表征。其中，椭偏仪分为两种基本形式，即标准椭偏与广义椭偏。前者只能测量共偏振的反射或透射信号，而后者在此基础上还可测量交叉偏振分量，实现对各向异性样品、非平整样品等的表征，具有显著更高的普适性。

3、数学形式上，广义椭偏要求能够获取完整的琼斯或穆勒矩阵，以充分描述不同偏振光照下的变化规律。利用这种方法，可以精确地表征具有未知介电特性的各向异性样品，进而扩展椭偏光谱测量的适用范围至双折射晶体、圆二色性样品、一维或二维材料以及各种偏振相关器件。

4、在太赫兹波段，广义椭偏测量目前只通过频域技术来实现，即基于连续波太赫兹源与光强检测器组合的形式。采用频域系统的技术方案有几个显著的局限性。首先，频域系统采用基于频率调谐辐射及光强非相干测量的模式，需要多个偏振片、相位延迟器或波片的机械旋转配合，测量至少6组偏振分量来实现一次偏振态表征。并且，单频光源还需多次调频与倍频以覆盖一定光谱范围，造成系统复杂性高，测量效率低。第二，频域光源与光强检测仪器体积大，需要庞大的旋转转置以改变入射角，且难以实现垂直形式的光路设计，对灵敏度最优化、多角度测量及样品形式造成了诸多限制。

5、相比之下，太赫兹时域光谱系统（thz-tds）通过光导天线、非线性晶体、空气等离子体或自旋电子源等机制将飞秒红外脉冲频率下转换为宽带、连续的太赫兹辐射。根据发射机制和泵浦源的不同，辐射的太赫兹带宽可达4-30thz，完美填补了商业化红外光谱技术，如傅里叶变换红外（ftir）光谱等在这一频段的空缺。因此，thz-tds可形成从0.2thz到紫外的无缝光谱衔接，提供超宽带的丰富频谱信息。然而，目前尚未出现基于太赫兹时域光谱技术的广义椭偏光谱系统。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种可实时获取琼斯矩阵的广义太赫兹时域椭偏检测系统，包括第一偏振耦合单元、第二偏振耦合单元以及由飞秒激光单元驱动的第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线和第二接收天线；

2、所述飞秒激光单元用于驱动所述第一接收天线以及所述第二接收天线的飞秒激光，相对于所述飞秒激光单元用于驱动所述第一发射天线以及所述第二发射天线的飞秒激光，存在预设的传播时延；

3、所述第一发射天线与所述第二发射天线的主偏发射方向相垂直，所述第一接收天线与所述第二接收天线的主偏接收方向相垂直；

4、所述第一偏振耦合单元用于将源于所述第一发射天线的太赫兹光转换为p-线偏光，将源于所述第二发射天线的太赫兹光转换为s-线偏光，以及将所述p-线偏光和所述s-线偏光聚焦至目标检测面；

5、所述第二偏振耦合单元用于将反射自所述目标检测面的太赫兹光转换为p-偏振分量以及s-偏振分量，将所述p-偏振分量聚焦至所述第一接收天线，以及将所述s-偏振分量聚焦至所述第二接收天线。

6、优选地，所述第一偏振耦合单元包括第一透镜、第二透镜、第一偏振片以及第三透镜；

7、所述第一透镜设于所述第一发射天线的前面，用于将源于所述第一发射天线的太赫兹光转换为第一平行光；

8、所述第二透镜设于所述第二发射天线的前面，用于将源于所述第二发射天线的太赫兹光转换为第二平行光；

9、所述第一偏振片设于所述第一平行光与所述第二平行光的交汇处，且所述第一偏振片与所述第一平行光、所述第二平行光的夹角均为45°，用于透射所述第一平行光中的p-偏振分量，得到p-线偏光，以及用于反射所述第二平行光中的s-偏振分量，得到s-线偏光；

10、所述第三透镜设于所述第一偏振片的前面，用于将所述p-线偏光和所述s-线偏光聚焦至所述目标检测面。

11、优选地，所述第二偏振耦合单元包括第四透镜、第二偏振片、第五透镜以及第六透镜；

12、所述第四透镜设于所述目标检测面的斜上方，用于将反射自所述目标检测面的太赫兹光转换为第三平行光；

13、所述第二偏振片设于所述第四透镜的前面，且与所述第三平行光成45°的夹角，用于透射所述第三平行光的p-偏振分量并反射所述第三平行光的s-偏振分量；

14、所述第五透镜设于所述第二偏振片和所述第一接收天线之间，用于将所述第三平行光的p-偏振分量聚焦至所述第一接收天线；

15、所述第六透镜设于所述第二偏振片和所述第二接收天线之间，用于将所述第三平行光的s-线偏分量聚焦至所述第二接收天线。

16、优选地，若所述目标检测面为金属表面，在所述第四透镜与所述第二偏振片之间还设有第三偏振片，所述第三偏振片用于将所述第三平行光的p-偏振分量和s-偏振分量投影至预设的角度。

17、优选地，所述第一偏振片、所述第二偏振片以及所述第三偏振片均为无基底型亚波长金属光栅偏振片。

18、优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为直径1英寸、焦距35mm的tpx透镜；所述第三透镜和所述第四透镜均为直径1英寸、焦距65mm的tpx透镜。

19、优选地，所述第一发射天线及第二发射天线与所述第一偏振片之间的距离可调，用于调节太赫兹信号在采样窗口上的位置。

20、优选地，所述第一接收天线及第二接收天线与所述第二偏振片之间的距离可调，用于调节太赫兹信号在采样窗口上的位置。

21、优选地，所述飞秒激光单元包括飞秒激光器、延迟单元、第一分束镜、第二分束镜以及第三分束镜；

22、所述第一分束镜将所述飞秒激光器发出的飞秒激光分为第一激光分束和第二激光分束；

23、所述第二分束镜将所述第一激光分束分为第三激光分束和第四激光分束，所述第三激光分束传播并耦合至所述第一发射天线，所述第四激光分束传播并耦合至所述第二发射天线；

24、所述第二激光分束经由所述延迟单元后，被所述第三分束镜分为第五激光分束和第六激光分束，所述第五激光分束传播并耦合至所述第一接收天线，所述第六激光分束传播并耦合至所述第二接收天线。

25、优选地，所述延迟单元包括若干反射镜，各反射镜相互配合以延长所述第二激光分束的传播光路。

26、经由上述的技术方案可知，本技术提供的广义太赫兹时域椭偏检测系统包括第一偏振耦合单元、第二偏振耦合单元以及由飞秒激光单元驱动的第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线和第二接收天线。其中，所述第一发射天线与所述第二发射天线的主偏发射方向相垂直，所述第一接收天线与所述第二接收天线的主偏接收方向相垂直。可以理解，所述第一发射天线、所述第二发射天线、所述第一接收天线以及所述第二接收天线均为太赫兹光导天线，可以在飞秒激光的驱动下发射太赫兹信号，以及在飞秒激光的驱动下，探测到太赫兹信号，由所述第一发射天线、所述第二发射天线、所述第一接收天线以及所述第二接收天线构成双发双收阵列，并形成4个独立光传播通道，分别是第一发射天线-第一接收天线（e1-d1）、第一发射天线-第二接收天线（e1-d2）、第二发射天线-第一接收天线（e2-d1）以及第二发射天线-第二接收天线（e2-d2），分别对应于4个测量电场、、、。所述第一偏振耦合单元将源于所述第一发射天线的太赫兹光转换为p-线偏光，将源于所述第二发射天线的太赫兹光转换为s-线偏光，以及将所述p-线偏光和所述s-线偏光聚焦至目标检测面。可以理解，所述目标检测面可以是待测介质的表面，也可以是参考介质的表面。聚焦至所述目标检测面的太赫兹光被反射至所述第二偏振耦合单元，所述第二偏振耦合单元将反射自所述目标检测面的太赫兹光转换为p-偏振分量以及s-偏振分量，将所述p-偏振分量聚焦至所述第一接收天线，以及将所述s-偏振分量聚焦至所述第二接收天线。其中，由于所述飞秒激光单元用于驱动所述第一接收天线以及所述第二接收天线的飞秒激光，相对于所述飞秒激光单元用于驱动所述第一发射天线以及所述第二发射天线的飞秒激光，存在预设的传播时延。因此，利用所述第一接收天线和所述第二接收天线实现太赫兹光中的p-偏振分量以及s-偏振分量在时域上的采样，即，在所述飞秒激光单元的一次扫描中，即可利用所述双发双收阵列执行对4个信号（、、、）的探测，从而实现了高效且高数据吞吐量的广义椭偏检测。