一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统

技术领域：

本发明属于太赫兹成像技术领域，具体涉及一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统。

背景技术：

太赫兹波是一种频率在0.1～10THz(1THz＝10

太赫兹时域光谱技术(Terahertz time domain spectroscopy,THz-TDS)是近年来国际上发展起来的远红外光谱检测技术，它利用物质对太赫兹频带的不同特征吸收谱，分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。有机分子化学键的振动频率主要在中红外频段，然而氢键等分子间弱的相互作用以及构型弯曲等大分子的骨架振动、偶极子的震动和旋转跃迁、晶格的低频振动，则对应于太赫兹红外波段范围，上述振动所体现的分子结构及其相关环境信息，都在太赫兹波段内不同吸收位置及吸收强度上有明显的响应。THz时域光谱测量技术的高信噪比和单个THz脉冲的宽频带特性，使得THz技术能够对材料组成及结构的细微变化做出分析和鉴定。由于太赫兹时域光谱技术可以获得样品丰富的维度信息，使得其具备图谱合一的特性，因此基于THz-TDS的成像技术也具有广阔的应用前景。

无论是光谱探测还是太赫兹成像，很重要的一个部分就是其收发光学系统，目前基于时域光谱技术的太赫兹系统采用最广泛的是光电导太赫兹源与探测器，属于点源与单点探测器。在实际应用中，为了保证光学系统景深、横向分辨率与样品反射信号的收集效率，一般采用基于硅片或薄膜分光的垂直入射光路。

图1为基于硅片或薄膜分光的垂直入射光学系统，太赫兹源1发射的具有一定发散角的太赫兹波束经过第一透镜2后变为平行光束，然后经过太赫兹分光器3分光后，透射光束进入第二透镜4，被聚焦于待测样品5表面，其中的反射信号原路返回经过第二透镜入射至太赫兹分光器3上，一部分波束被反射偏转90°，经过第三透镜6聚焦于太赫兹探测器7上。其中，太赫兹分光器与太赫兹源的光轴呈45°角布置。

电磁波与物质作用时，其透射系数与反射系数可以由Fresnel公式给出：

其中，//和⊥分别表示电磁波偏振方向与入射面平行(P偏振)和垂直(S偏振)的情况，n

n

图1所示垂直入射光学系统中，假设被测样品对于太赫兹波全反射，影响其传输效率的最主要因素即分光器的分光效率α，不考虑材料吸收的情况下，α＝t

发明内容：

针对目前太赫兹垂直入射光学系统分光效率低导致最终到达太赫兹探测器信号的信噪比严重降低的问题，本发明的目的在于提供一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统，包括太赫兹源、第一透镜、太赫兹超表面分束器、第二透镜、太赫兹偏振调制器、第三透镜和太赫兹探测器；

太赫兹源用于发射的具有一定发散角的太赫兹波；

第一透镜用于准直太赫兹波，将太赫兹波变为平行光，所述平行光为线偏振光，平行光以45°入射角入射至太赫兹超表面分束器；

太赫兹超表面分束器3用于将入射的平行光透过至第二透镜一侧，同时用于将入射的携带样品信息的太赫兹波反射至第三透镜一侧；

第二透镜用于将太赫兹超表面分束器透过的太赫兹波聚焦于待测样品表面，并将返回的携带样品信息的太赫兹波准直后以45°入射角入射至太赫兹超表面分束器；

太赫兹偏振调制器置于第二透镜和待测样品之间的光路上，用于将首次经过的太赫兹波的偏振方向偏转45°，将携带样品信息的太赫兹波的偏振方向偏转45°；

第三透镜用于将太赫兹超表面分束器反射的太赫兹波聚焦于太赫兹探测器；

太赫兹探测器用于获取携带样品信息的太赫兹波；

太赫兹超表面分束器的最大透过方向与平行光的偏振方向一致，对平行光的透过率为95％-100％，太赫兹超表面分束器的最大透过方向与准直后的携带样品信息的太赫兹波的偏振方向垂直，对携带样品信息的太赫兹波的反射率为95％-100％。

具体地，所述太赫兹超表面分束器为具有线栅结构的太赫兹超表面分束器，当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向垂直时，透过率在95％以上；当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向平行时，反射率为95％以上。

具体地，所述太赫兹偏振调制器为具有双面垂直交叉排布的凸出四棱柱结构，能够将入射的太赫兹波偏振方向旋转45°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：将太赫兹超表面分束器和太赫兹偏振调制器组合使用，极大提升了垂直入射光学系统的分束效率，使其不受Fresnel理论限制，最大可达100％，极大提升了光学系统对太赫兹波的利用率，也有助于提高对强吸收样品的应用效果。

附图说明：

图1为现有的垂直入射太赫兹光学系统结构原理示意图。

图2为现有技术中不同折射率下分束器分束效率曲线。

图3为本发明涉及的基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统结构示意图，其中，点画线表示太赫兹波束，黑色箭头表示波束传播方向，虚线表示该处太赫兹波偏振方向。

图4当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向垂直时太赫兹超表面分束器的透射原理示意图。

图5当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向平行时太赫兹超表面分束器的反射原理示意图。

图6为本发明涉及的太赫兹偏振调制器的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图3所示，本实施例涉及的一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统，包括太赫兹源1、第一透镜2、太赫兹超表面分束器3、第二透镜4、太赫兹偏振调制器5、第三透镜7和太赫兹探测器8；

太赫兹源1用于发射的具有一定发散角的太赫兹波；第一透镜2、第二透镜4、太赫兹偏振调制器5和待测样品6呈直线依次设置在太赫兹源1光轴上，太赫兹超表面分束器3置于第一透镜2和第二透镜4之间且与太赫兹源的光轴呈45°布置，第三透镜7和太赫兹探测器8置于太赫兹超表面分束器3一侧的光路上，该光路与太赫兹源的光轴垂直；

第一透镜2用于准直太赫兹波，将太赫兹波变为平行光，所述平行光为线偏振光，平行光以45°入射角入射至太赫兹超表面分束器3；

太赫兹超表面分束器3用于将入射的平行光透过至第二透镜4一侧，同时用于将入射的携带样品信息的太赫兹波反射至第三透镜7一侧；

第二透镜4用于将太赫兹超表面分束器3透过的太赫兹波聚焦于待测样品6表面，并将返回的携带样品信息的太赫兹波准直后以45°入射角入射至太赫兹超表面分束器3；

太赫兹偏振调制器5置于第二透镜4和待测样品6之间的光路上，用于将首次经过的太赫兹波的偏振方向偏转45°，将携带样品信息的太赫兹波的偏振方向偏转45°；

第三透镜7用于将太赫兹超表面分束器3反射的太赫兹波聚焦于太赫兹探测器8；

太赫兹探测器8用于获取携带样品信息的太赫兹波；

太赫兹超表面分束器3的最大透过方向与平行光的偏振方向一致，对平行光的透过率为95％-100％，太赫兹超表面分束器3的最大透过方向与准直后的携带样品信息的太赫兹波的偏振方向垂直，对携带样品信息的太赫兹波的反射率为95％-100％。

本实施例涉及的一种基于高效分光的垂直入射太赫兹光学系统，具体工作过程为：

太赫兹源1发射的具有一定发散角的太赫兹波束经过第一透镜2后变为平行光束，该光束为线偏振光，且偏振方向与太赫兹超表面分束器3的最大透过方向一致，以接近100％的透过率经过太赫兹超表面分束器3分光后，透射光束进入第二透镜4，然后经过太赫兹偏振调制器5，偏振方向被偏转45°，最后被聚焦于待测样品6表面，其反射信号原路返回经过太赫兹偏振调制器，偏振方向又被偏转45°，经第二透镜4入射至太赫兹超表面分束器3上，由于此时其偏振方向与最大透过方向垂直，因此被100％反射，经过第三透镜7聚焦于太赫兹探测器8上。

具体地，作为一种实现方式，所述太赫兹超表面分束器3为具有线栅结构的太赫兹超表面分束器。如图4所示，当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向垂直时，其透过率最大，可达95％以上；如图5所示，当入射太赫兹波偏振方向与线栅方向平行时，其反射率最大，可达95％以上。

具体地，如图6所示，本实施例采用具有双面垂直交叉排布的凸出四棱柱结构的太赫兹偏振调制器，可以将垂直入射的太赫兹波偏振方向旋转45°。光束沿着Z轴入射，初始偏振方向为Y向，第一次穿过调制器其偏振方向沿着Z轴旋转45°，第二次穿过时其偏振方向又沿着Z轴旋转45°，变为X向。其单向的调制效率为90％。

将太赫兹超表面分束器3和太赫兹偏振调制器5两种器件应用于图3光学结构中，可以实现约0.73的分束效率，与原来相比大幅提升。

本实施例采用基于超表面结构的太赫兹分束器，该分束器对偏振方向敏感，对于一定偏振方向的太赫兹波束透明，而对于其垂直方向偏振方向的太赫兹波束可以全反射，这样，如果第一次进入分束器的太赫兹波偏振方向处于其最大透过率方向上，而经样品反射第二次进入分束器的太赫兹波偏振方向偏转90°，就可以被完全反射，极大提升分束器分束效率。

本实施例采用基于超表面结构的太赫兹偏振调制器，其具有将垂直超表面入射的太赫兹线偏振波束的偏振方向沿着超表面法线旋转45°的能力，将其置于分束器之后，这样第一次经过分束器的太赫兹波将从两个方向分两次穿过该调制器，从而实现偏振方向旋转90°的目的。

实施例2

本实施例除了太赫兹偏振调制器5置于太赫兹超表面分束器3和第二透镜4之间的光路上，其他均与实施例1相同。