一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀，包含透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)兩種模式。飛秒激光聚焦產(chǎn)生的太赫茲波，被第一離軸拋物鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)第二離軸拋物鏡聚焦到樣品上，進(jìn)行透射或者反射模式測(cè)量，經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波被第三離軸拋物鏡收集后，經(jīng)第四離軸拋物鏡聚焦到探測(cè)晶體上，得到太赫茲的時(shí)域光譜。本發(fā)明將第二和第三離軸拋物鏡和樣品架集成到一塊底板上作為一個(gè)測(cè)量模塊。兩個(gè)短焦距離軸拋物鏡和透射樣品架集成為透射測(cè)量模塊。兩個(gè)長(zhǎng)焦距離軸拋物鏡和反射樣品架集成為反射測(cè)量模塊。采用五維調(diào)整裝置夾持第一和第四離軸拋物鏡，用于切換透射模塊或反射模塊時(shí)快速恢復(fù)第一和第四離軸拋物鏡的最優(yōu)位置。本發(fā)明的太赫茲時(shí)域光譜儀調(diào)整過(guò)程簡(jiǎn)單快速，有利于太赫茲時(shí)域光譜儀的集成化和用戶操作。
【專利說(shuō)明】一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]電磁波譜技術(shù)作為人類認(rèn)識(shí)世界的工具，擴(kuò)展了人們觀察世界的能力。人眼借助于可見光可以欣賞五顏六色的世界，利用紅外變換光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)等可以了解分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等性質(zhì)，利用X射線衍射技術(shù)可以了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。而太赫茲光譜技術(shù)作為新興的光譜技術(shù)能夠與紅外、拉曼光譜技術(shù)形成互補(bǔ)，甚至在某些方面能夠發(fā)揮不可替代的作用，從而成為本世紀(jì)科學(xué)研宄的熱點(diǎn)領(lǐng)域。
[0003]太赫茲波兼具光譜特性和傳輸特性，使用太赫茲波的檢查技術(shù)成為一種比X射線更有效和獨(dú)特的無(wú)損檢查方法。因?yàn)椋褂锰掌澆ㄔO(shè)備的輻射性更小，成像的對(duì)比度更清楚，還有可能實(shí)現(xiàn)X射線無(wú)可比擬的化學(xué)識(shí)別。太赫茲波的應(yīng)用范圍涉及通信、生物醫(yī)藥、傳感領(lǐng)域等。
[0004]近十幾年來(lái)，隨著超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。太赫茲技術(shù)之所以引起人們廣泛的關(guān)注，首先是因?yàn)槲镔|(zhì)的太赫茲光譜(包括透射譜和反射譜)包含著非常豐富的物理和化學(xué)信息，研宄物質(zhì)在這一波段的光譜對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義；其次是因?yàn)樘掌澝}沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如太赫茲輻射的瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和低能性等。
[0005]太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是太赫茲技術(shù)的典型代表，是一種新興的、非常有效的相干探測(cè)技術(shù)。常見的太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)分為透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)。它主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置及相應(yīng)的探測(cè)裝置組成。飛秒激光聚焦產(chǎn)生的太赫茲波，被第一離軸拋物鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)第二離軸拋物鏡聚焦到樣品上，進(jìn)行透射或者反射模式測(cè)量，經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波被第三離軸拋物鏡收集后，經(jīng)第四離軸拋物鏡聚焦到探測(cè)晶體上，得到太赫茲的時(shí)域光譜。
[0006]由于在同一套太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)中既要進(jìn)行透射樣品測(cè)量，又要進(jìn)行反射樣品測(cè)量，所以需要進(jìn)行光路的切換。透射樣品和反射樣品均放置在第二離軸拋物鏡和第三離軸拋物鏡之間，但透射到反射切換時(shí)，需要更換樣品及第二和第三離軸拋物鏡。透射樣品測(cè)量時(shí)，需要短焦距的第二和第三離軸拋物鏡，反射樣品測(cè)量時(shí)，需要長(zhǎng)焦距的第二和第三離軸拋物鏡。首次調(diào)試光路時(shí)，還需調(diào)試第一和第四離軸拋物鏡的位置和姿態(tài)。
[0007]目前大部分太赫茲時(shí)域光譜儀在更換測(cè)量方式時(shí)，四個(gè)離軸拋物鏡和樣品架的位置和姿態(tài)均需要調(diào)整，且調(diào)整過(guò)程繁瑣復(fù)雜，不利于太赫茲時(shí)域光譜儀的集成化和用戶操作。本發(fā)明正是針對(duì)上述問(wèn)題，提出的一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了簡(jiǎn)化透射測(cè)量模式和反射測(cè)量模式切換時(shí)的復(fù)雜調(diào)整過(guò)程，確保切換光路精準(zhǔn)復(fù)位，本發(fā)明提出以下方案:
[0009]一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀，包含透射測(cè)量和反射測(cè)量?jī)煞N模式，飛秒激光聚焦產(chǎn)生的太赫茲波，被第一離軸拋物鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)第二離軸拋物鏡聚焦到樣品上，進(jìn)行透射或者反射模式測(cè)量，經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波被第三離軸拋物鏡收集后，經(jīng)第四離軸拋物鏡聚焦到探測(cè)晶體上，得到太赫茲的時(shí)域光譜。
[0010]其中，第二、第三離軸拋物鏡和樣品架集成到一塊底板上作為一個(gè)測(cè)量模塊，兩個(gè)短焦距離軸拋物鏡和樣品架集成為透射測(cè)量模塊。兩個(gè)長(zhǎng)焦距離軸拋物鏡和樣品架集成為反射測(cè)量模塊。測(cè)量時(shí)，根據(jù)需要將不同的模塊置于光譜儀中進(jìn)行測(cè)量，模塊與光譜儀之間由機(jī)械定位銷進(jìn)行定位。
[0011]第一和第四離軸拋物鏡置于光譜儀中光路中，但為了配合透射測(cè)量模塊和反射測(cè)量模塊的切換，第一和第四離軸拋物鏡應(yīng)能保證調(diào)整位置和姿態(tài)。為此，本發(fā)明采用五維調(diào)整裝置夾持第一和第四離軸拋物鏡。此五維調(diào)整裝置包括一個(gè)二維平移臺(tái)，兩個(gè)擺角臺(tái)和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，用于調(diào)整離軸拋物鏡的前后、左右、俯仰、偏擺及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。五維調(diào)整裝置與離軸拋物鏡之間用銷釘定位來(lái)保證離軸拋物鏡在光路中的高度。調(diào)節(jié)手柄均采用可讀數(shù)裝置，用于記錄首次裝調(diào)時(shí)最優(yōu)光路位置的讀數(shù)。
[0012]首次裝調(diào)光譜儀光路時(shí)，先將透射測(cè)量模塊置于光路中，調(diào)整第一和第四離軸拋物鏡的位置和姿態(tài)，同時(shí)用工裝夾持第二和第三離軸拋物鏡進(jìn)行調(diào)整，待光路達(dá)到最優(yōu)時(shí)，用螺釘將第二和第三離軸拋物鏡鏡架與透射模塊底板固定。然后將透射樣品架置于光路正確位置，用螺釘與透射模塊底板固定。此時(shí)，透射測(cè)量模塊已整體集成，包括第二和第三離軸拋物鏡(短焦距)，透射樣品架。透射模塊底板與光譜儀底板由銷釘定位，保證模塊在光譜儀中的正確位置。記錄第一和第四離軸拋物鏡五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)，用于切換反射模塊后重新移入透射模塊時(shí)快速恢復(fù)第一和第四離軸拋物鏡的最優(yōu)位置。
[0013]待透射測(cè)量模塊裝調(diào)和集成完畢后，移出透射模塊，利用銷釘定位放入反射模塊底板，用工裝調(diào)整第二和第三離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)，同時(shí)調(diào)整光譜儀中的第一和第四離軸拋物鏡的五維調(diào)節(jié)裝置，待光路最優(yōu)后，用螺釘將第二和第三離軸拋物鏡鏡架與反射模塊底板固定。然后將樣品架置于光路正確位置，用螺釘與反射模塊底板固定。此時(shí)，反射測(cè)量模塊已整體集成，包括第二和第三離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)，樣品架。反射模塊底板與光譜儀底板用透射模塊的銷釘孔定位，保證模塊在光譜儀中的正確位置。記錄第一和第四離軸拋物鏡五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)，用于切換透射模塊后重新移入反射模塊時(shí)快速恢復(fù)第一和第四離軸拋物鏡的最優(yōu)位置。
[0014]本發(fā)明的五維調(diào)節(jié)裝置包括一個(gè)二維平移臺(tái)、兩個(gè)擺角臺(tái)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)。二維平移臺(tái)固定在光譜儀的安裝底板上，實(shí)現(xiàn)第一、第四離軸拋物鏡的前后左右二維平移。二維平移臺(tái)上安裝兩個(gè)擺角臺(tái)，實(shí)現(xiàn)第一、第四離軸拋物鏡的俯仰和偏擺二維角度調(diào)整。最后安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)第一、第四離軸拋物鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)和第一、第四離軸拋物鏡之間用銷釘定位，保證拋物鏡在光譜儀中高度。
[0015]考慮到反射測(cè)量方式樣品需要能準(zhǔn)確反射光路，本發(fā)明提出的樣品架反射基準(zhǔn)面由三銷釘定位，樣品反射面緊貼三銷釘端面，樣品背面由彈簧施加壓緊力保證樣品反射面與銷釘定位面重合，這樣樣品就能在樣品架中保持準(zhǔn)確的安裝位置，從而在光路中實(shí)現(xiàn)反射太赫茲波。
[0016]基于以上提出的方案，本發(fā)明能夠快速準(zhǔn)確地調(diào)整第一、第四離軸拋物鏡，且能保證各測(cè)量模塊和樣品架在光路中的正確位置，并實(shí)現(xiàn)以下效果:
[0017]首次裝調(diào)光譜儀光路完成后，透射測(cè)量模塊和反射測(cè)量模塊均已集成，且兩種測(cè)量模塊在光譜儀中的最優(yōu)測(cè)量光路也可以確定。進(jìn)行透射樣品測(cè)量時(shí)，將透射模塊置于光路中，同時(shí)輸入已確定的第一和第四離軸拋物鏡(短焦距)五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)，恢復(fù)透射測(cè)量最優(yōu)光路進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行反射樣品測(cè)量時(shí)，將反射模塊置于光路中，同時(shí)輸入已確定的第一和第四離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)，恢復(fù)反射測(cè)量最優(yōu)光路進(jìn)行測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的太赫茲時(shí)域光譜儀透射測(cè)量方式的示意圖；
[0019]101-透射模塊底板，102-飛秒脈沖激光，103-THZ輻射源，104-第一離軸拋物鏡，105-第二離軸拋物鏡(短焦距)，106-銷釘定位孔1，107-樣品，108-樣品架，109-銷釘定位孔2，110-第三離軸拋物鏡(短焦距)，111-第四離軸拋物鏡，112-THZ探測(cè)器；
[0020]圖2是本發(fā)明的太赫茲時(shí)域光譜儀反射測(cè)量方式的示意圖；
[0021]201-反射模塊底板，202-第二離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)，203-反射鏡1，204-反射鏡2，205-第三離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)；
[0022]圖3是本發(fā)明用于調(diào)節(jié)104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡的五維調(diào)節(jié)裝置不意圖；
[0023]301-前后調(diào)節(jié)手柄，302-左右調(diào)節(jié)手柄，303-俯仰調(diào)節(jié)手柄，304-偏擺調(diào)節(jié)手柄，305-旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄；
[0024]圖4是本發(fā)明的樣品架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]401-樣品架主體，402-定位銷釘，403-壓簧，404-樣品頂柱；

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0027]實(shí)施例:
[0028]圖1和圖2是本發(fā)明的太赫茲時(shí)域光譜儀透射測(cè)量方式和反射測(cè)量方式的示意圖。飛秒脈沖激光102聚焦到103THZ輻射源產(chǎn)生的太赫茲波，被104第一離軸拋物鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)105或202第二離軸拋物鏡聚焦到樣品107上，進(jìn)行透射或者反射模式測(cè)量，經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波被110或205第三離軸拋物鏡收集后，經(jīng)111第四離軸拋物鏡聚焦到112探測(cè)器中的探測(cè)晶體上，得到太赫茲的時(shí)域光譜。
[0029]本發(fā)明將兩種測(cè)量方式集成于一套太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)中，切換測(cè)量方式只須更換相應(yīng)的測(cè)量模塊即可。如圖1所示，105第二離軸拋物鏡(短焦距)、107樣品、108樣品架和110第三離軸拋物鏡(短焦距)集成在101透射模塊底板上，組成透射測(cè)量模塊。如圖2所示，202第二離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)、203反射鏡1、107樣品、108樣品架、204反射鏡
2、205第三離軸拋物鏡(長(zhǎng)焦距)集成在201反射模塊底板上，組成反射測(cè)量模塊。在一套太赫茲時(shí)域光譜儀中，透射測(cè)量模塊和反射測(cè)量模塊可以切換，用106和109兩個(gè)銷釘定位孔確保模塊在光譜儀光路中的正確位置，且可以保證切換測(cè)量方式后的重復(fù)定位精度。
[0030]首次調(diào)試太赫茲時(shí)域光譜儀光路時(shí)，需要調(diào)整調(diào)整104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡的位置和姿態(tài)，同時(shí)用工裝夾持105第二離軸拋物鏡和110第三離軸拋物鏡進(jìn)行調(diào)整，待光路達(dá)到最優(yōu)時(shí)，用螺釘將105第二離軸拋物鏡和110第三離軸拋物鏡鏡架與101透射模塊底板固定。然后將108透射樣品架置于光路正確位置，用螺釘與101透射模塊底板固定。此時(shí)，透射測(cè)量模塊已整體集成。
[0031]同理，利用106和109兩個(gè)銷釘定位孔放入201反射模塊底板，用工裝調(diào)整202第二離軸拋物鏡、203反射鏡1、204反射鏡2、108樣品架和205第三離軸拋物鏡，同時(shí)調(diào)整光譜儀中的104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡，待光路最優(yōu)后，用螺釘將202第二離軸拋物鏡鏡架和205第三離軸拋物鏡鏡架與201反射模塊底板固定。然后將108反射樣品架置于光路正確位置，用螺釘與201反射模塊底板固定。此時(shí)，反射測(cè)量模塊已整體集成。
[0032]可以看到，兩種測(cè)量方式所處于光譜儀中的最優(yōu)光路不同，所以切換模塊時(shí)需要調(diào)節(jié)光譜儀光路，而此時(shí)，透射測(cè)量模塊和反射測(cè)量模塊上的所有鏡架和樣品架均已固定，那么就需要調(diào)節(jié)104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡的位置和姿態(tài)。為了切換測(cè)量模塊后，快速的調(diào)節(jié)104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡并恢復(fù)至最優(yōu)光路，本發(fā)明采用了圖3所示的五維調(diào)整裝置來(lái)調(diào)節(jié)104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡。該裝置的五維調(diào)節(jié)螺桿均可以讀數(shù)，在首次裝調(diào)光譜儀光路時(shí)，記錄透射方式最優(yōu)光路時(shí)104第一離軸拋物鏡、111第四離軸拋物鏡五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)和反射方式最優(yōu)光路時(shí)104第一離軸拋物鏡、111第四離軸拋物鏡五維調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)螺桿讀數(shù)。這兩個(gè)讀數(shù)作為光譜儀的輸入?yún)?shù)，用于切換透射模塊或反射模塊后快速恢復(fù)104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡的最優(yōu)位置。
[0033]如圖3所示，104為第一離軸拋物鏡，301和302為實(shí)現(xiàn)前后左右移動(dòng)二維平移臺(tái)的調(diào)節(jié)手柄，303為擺角臺(tái)的調(diào)節(jié)手柄，實(shí)現(xiàn)俯仰調(diào)節(jié)，304為擺角臺(tái)的調(diào)節(jié)手柄，實(shí)現(xiàn)俯偏擺調(diào)節(jié)，305為旋轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)節(jié)手柄，實(shí)現(xiàn)離軸拋物鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。104離軸拋物鏡與旋轉(zhuǎn)臺(tái)之間用銷釘定位，保證離軸拋物鏡高度不用調(diào)節(jié)。每個(gè)調(diào)節(jié)手柄均帶有刻度，可以讀出最優(yōu)光路下的各個(gè)調(diào)節(jié)位置的讀數(shù)。這樣，切換相應(yīng)的測(cè)量模塊，調(diào)節(jié)首次調(diào)試時(shí)記錄的最優(yōu)光路讀數(shù)，便可快速恢復(fù)至滿足測(cè)量要求的最優(yōu)光路。同理，111第四離軸拋物鏡的調(diào)節(jié)方式也是如此。
[0034]如圖2所示，反射測(cè)量方式下，107樣品需要反射太赫茲波，這就需要107樣品的反射面作為基準(zhǔn)面精確定位，為此，本發(fā)明提出了如圖4所示的樣品架結(jié)構(gòu)。在401樣品架主體結(jié)構(gòu)上，鑲上三個(gè)402定位銷釘，三個(gè)銷釘呈360度均布，尖端倒圓，三個(gè)圓端點(diǎn)定位一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平面P，然后107樣品的前表面緊貼在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平面P上。樣品背面用404樣品頂柱夾持，靠403壓簧的壓緊力使107樣品的前表面與銷釘定義的基準(zhǔn)平面緊密重合。
[0035]由于本發(fā)明提出的太赫茲時(shí)域光譜儀在測(cè)量樣品時(shí)對(duì)樣品所處的環(huán)境要求較高，為了避免外界環(huán)境(溫度，濕度，灰塵等)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，本發(fā)明對(duì)兩種測(cè)量模塊及104第一離軸拋物鏡和111第四離軸拋物鏡進(jìn)行局部密封。
[0036]盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于飛秒激光的太赫茲時(shí)域光譜儀，包含透射測(cè)量和反射測(cè)量?jī)煞N模式，飛秒激光聚焦產(chǎn)生的太赫茲波，被第一離軸拋物鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)第二離軸拋物鏡聚焦到樣品上，進(jìn)行透射或者反射模式測(cè)量，經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波被第三離軸拋物鏡收集后，經(jīng)第四離軸拋物鏡聚焦到探測(cè)晶體上，得到太赫茲的時(shí)域光譜，其特征在于第二、第三離軸拋物鏡及樣品架固定在一塊獨(dú)立的光學(xué)平板上，第一、第四離軸拋物鏡分別由一個(gè)可讀數(shù)的五維調(diào)整裝置固定，五維調(diào)整裝置可進(jìn)行前后、左右、俯仰、偏擺及旋轉(zhuǎn)五維調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲時(shí)域光譜儀，其特征在于五維調(diào)整裝置由一個(gè)二維平移臺(tái)、兩個(gè)擺角臺(tái)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成。
3.如權(quán)利要求1所述的太赫茲時(shí)域光譜儀，其特征在于光學(xué)平板與太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)量模塊之間用銷釘進(jìn)行定位。
4.如權(quán)利要求1所述的太赫茲時(shí)域光譜儀，其特征在于第一、第四離軸拋物鏡與五維調(diào)整臺(tái)之間由銷釘固定。
5.如權(quán)利要求1所述的太赫茲時(shí)域光譜儀，其特征在于反射樣品架的反射基準(zhǔn)面由三銷釘定位，樣品反射面緊貼三銷釘端面，樣品背面由彈簧施加壓緊力保證樣品反射面與銷釘定位面重合。
6.如權(quán)利要求1-5所述的太赫茲時(shí)域光譜儀，其特征在于第一離軸拋物鏡、第二離軸拋物鏡、第三離軸拋物鏡、第四離軸拋物鏡、樣品架所組成的部分，采用局部密封設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3586GK104515748SQ201510028781
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2015年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月21日
【發(fā)明者】馮忠磊, 張翼, 姚思一, 楊曉紅 申請(qǐng)人:大恒光電科技發(fā)展(北京)有限公司