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

技术领域

本申请涉及光学光谱技术领域，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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本申请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；

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；

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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；

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。

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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；

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；

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。

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。

经由上述的技术方案可知，本申请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

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示例了本申请实施例公开的广义太赫兹时域椭偏检测系统；

图2示例了本申请实施例公开的飞秒激光单元；

图3示例了本申请实施例公开的延迟单元；

图4示例了本申请实施例公开的第一偏振耦合单元及第二偏振耦合单元；

图5示例了本申请实施例公开的太赫兹发射部分的偏振耦合拆解；

图6示例了本申请实施例公开的目标检测面为金属介质时增设的偏振片；

图7示例了本申请实施例公开的四个独立互不干涉的太赫兹脉冲信号；

图8示例了本申请实施例公开的四个信号的傅里叶变换频谱幅值；

图9示例了本申请实施例公开的不同角度组合下所检测到的太赫兹信号。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请的发明人发现，从传统标准时域椭偏改进为广义椭偏会造成偏振消光比误差叠加、偏振调控复杂、损耗大等问题。针对上述缺点，本申请采用全光纤耦合的双发双收光导天线太赫兹时域光谱技术，结合偏振分束-耦合光路系统，实现高效、高精度、超宽带的太赫兹广义椭偏测量。这一设计保留了太赫兹时域光谱系统的超宽带相干检测优势，可同时提供信号频谱的幅值与绝对相位。并且，基于高重频光纤飞秒激光的太赫兹光导天线可实现大于50 Hz的时域信号采样速率，大于90dB的动态范围，提供微弱偏振变化的检测能力。全光纤耦合技术及偏振分束-耦合光路，可实现自由入射角控制及四组独立偏振光谱的同步测量，一次采样即可获得共偏振与交叉偏振所对应的完整琼斯矩阵，具有极高的检测效率。同时，光导天线与偏振耦合形成的偏振控制单元实现了两者消光比的叠加，获得逼近或超过系统动态范围的消光比，从而无需任何矫正。这一设计同时避免了任何偏振选择导致的反射损耗，相比传统设计进一步获得4倍信噪比提升。

下面介绍本申请实施例提供的可实时获取琼斯矩阵的广义太赫兹时域椭偏检测系统。请参阅图1，本申请实施例提供的可实时获取琼斯矩阵的广义太赫兹时域椭偏检测系统可以包括：第一偏振耦合单元30、第二偏振耦合单元40以及由飞秒激光单元50驱动的第一发射天线11、第二发射天线12、第一接收天线21和第二接收天线22。

可以理解，第一发射天线11、第二发射天线12、第一接收天线21和第二接收天线22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，由第一发射天线11、第二发射天线12、第一接收天线21以及第二接收天线22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11-第一接收天线21（E1-D1）、第一发射天线11-第二接收天线22（E1-D2）、第二发射天线12-第一接收天线21（E2-D1）以及第二发射天线12-第二接收天线22（E2-D2），分别对应于4个测量电场

其中，第一发射天线11与第二发射天线12的主偏发射方向相垂直，第一接收天线21与第二接收天线22的主偏接收方向相垂直。

第一偏振耦合单元30用于将源于第一发射天线11的太赫兹光转换为p-线偏光，将源于第二发射天线12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60。

可以理解，所述目标检测面可以是待测物体的表面，也可以是参考介质的表面。聚焦至目标检测面60的太赫兹光被反射至第二偏振耦合单元40。

第二偏振耦合单元40用于将反射自目标检测面60的太赫兹光转换为p-偏振分量以及s-偏振分量，将所述p-偏振分量聚焦至第一接收天线21，以及将所述s-偏振分量聚焦至第二接收天线22。

需要注明的是，飞秒激光单元50用于驱动第一接收天线21以及第二接收天线22的飞秒激光，相对于飞秒激光单元50用于驱动第一发射天线11以及第二发射天线12的飞秒激光，存在预设的传播时延，所述传播时延形成一采集窗口，以供第一接收天线21以及第二接收天线22采集到第一发射天线11以及第二发射天线12发射出来的太赫兹信号。因此，利用第一接收天线21和第二接收天线22可以实现太赫兹光中的p-偏振分量以及s-偏振分量在时域上的采样，即，在飞秒激光单元50的一次扫描中，即可利用所述双发双收阵列执行对4个太赫兹信号（

在本申请的一些实施例中，如图2所示，飞秒激光单元50可以包括飞秒激光器51、延迟单元52、第一分束镜53、第二分束镜54以及第三分束镜55。

其中，飞秒激光器51可以是中心波长为1560nm的飞秒激光器，其具有高度紧凑（约30cm*20cm*4cm）、高重频（100MHz）、高稳定性（24小时<0.5% rms）、极短脉冲（<100fs）等优势。

第一分束镜53将飞秒激光器51发出的飞秒激光分为第一激光分束和第二激光分束。

第二分束镜54将第一激光分束分为第三激光分束和第四激光分束，其中，第三激光分束传播并耦合至第一发射天线11，第四激光分束传播并耦合至第二发射天线12。具体地，第三激光分束首先传播并耦合至第一外部光纤，并经由第一外部光纤传播耦合至第一发射天线11；第四激光分束首先传播并耦合至第二外部光纤，并经由第二外部光纤传播耦合至第二发射天线12。

第二激光分束经由延迟单元52后，被第三分束镜55分为第五激光分束和第六激光分束，其中，第五激光分束传播并耦合至第一接收天线21，第六激光分束传播并耦合至第二接收天线22。具体地，第五激光分束首先传播并耦合至第三外部光纤，并经由第三外部光纤传播耦合至第一接收天线21；第四激光分束首先传播并耦合至第四外部光纤，并经由第四外部光纤传播耦合至第二接收天线22。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，延迟单元52可以包括若干反射镜（图中示例了反射镜数量为3的情况），各反射镜相互配合以延长第二激光分束的传播光路。

可以理解，延迟单元52用于控制发射与接收天线对应的飞秒激光之间的时间延迟，以对太赫兹信号进行时域采样。通过这一光路，一个飞秒激光器可同步驱动4个独立光纤耦合光导天线，实现同步双偏振太赫兹辐射与检测，为高效的椭偏检测提供硬件基础。

在本申请的一些实施例中，如图4所示，第一偏振耦合单元30可以包括第一透镜31、第二透镜32、第一偏振片33以及第三透镜34。

第一透镜31设于第一发射天线11的前面，用于将源于第一发射天线11的太赫兹光转换为第一平行光。

第二透镜32设于第二发射天线12的前面，用于将源于第二发射天线12的太赫兹光转换为第二平行光。

可以理解，第一发射天线11及第二发射天线12发射出的太赫兹光为发散的，第一透镜31及第二透镜32可以分别将其准直为截面直径为预设值的第一平行光和第二平行光，且第一平行光、第二平行光在较长传播距离内不会发生显著发散。

第一偏振片33设于第一平行光与第二平行光的交汇处，且第一偏振片33与第一平行光、第二平行光的夹角均为45°，用于透射第一平行光中的p-偏振分量，得到p-线偏光，以及用于反射第二平行光中的s-偏振分量，得到s-线偏光。

第三透镜34设于第一偏振片33的前面，用于将所述p-线偏光和所述s-线偏光聚焦至目标检测面60。示例性地，第三透镜34可以为直径1英寸、焦距65mm的TPX（Polymethylpentene，聚甲基戊烯）透镜。

在本申请的一些实施例中，第一透镜31、第二透镜32均为直径1英寸、焦距35mm的TPX透镜。在这种配置下，第一平行光、第二平行光的截面直径约25mm。

在本申请的一些实施例中，第一偏振片33为无基底型亚波长金属光栅偏振片，这种偏振片的特点是偏振方向与金属光栅垂直的太赫兹光具有大于99%的透射率，而偏振方向与金属光栅平行的太赫兹光则具有大于99%的反射率，并且，这一特性几乎与入射角无关。因此，有效偏振分量以大于99%的电场透射或反射率进行传播，避免了传统技术中偏振选择导致的信号损耗。如图2所示，第一偏振片33的光栅方向被设置为平行于s-偏振，因此，p-偏振的光可穿透偏振片，而s-偏振的光则会被反射。

本申请所采用的太赫兹光导天线具有接近线偏的辐射及检测特性，即其辐射和检测具有较高的线偏率，主偏方向电场分量约为对应垂直方向偏振电场分量的10倍（即20dB）。因此，第一发射天线11和第二发射天线12分别旋转至使其主偏振方向分别平行于p-方向（

接收端的光路形式与发射端完全对称，即通过另一偏振片（相对传播方向呈45°放置）将从目标检测面60的太赫兹光分为p-与s-两个偏振分量，分别由第一接收天线21和第二接收天线22进行检测。由于偏振片的偏振滤波方向与检测天线的主偏检测方向相同，因此与发射端一样，检测端产生偏振消光比叠加，实现高度线偏检测。

具体地，如图4所示，在本申请的一些实施例中，第二偏振耦合单元40可以包括第四透镜41、第五透镜42、第二偏振片43以及第六透镜44。

第四透镜41设于目标检测面60的斜上方，用于将反射自目标检测面60的太赫兹光转换为第三平行光。

第二偏振片43设于第四透镜41的前面，且与第三平行光成45°的夹角，用于透射第三平行光的p-偏振分量并反射所述第三平行光的s-偏振分量。通过插入第二偏振片43，可以构建金属反射的交叉偏振分量，从而实现高精度的交叉偏振参考信号测量。

第五透镜42设于第二偏振片43和第一接收天线21之间，用于将第三平行光的p-偏振分量聚焦至第一接收天线21。

第六透镜44设于第二偏振片43和第二接收天线22之间，用于将第三平行光的s-线偏分量聚焦至第二接收天线22。

在本申请的一些实施例中，第二偏振片43为无基底型亚波长金属光栅偏振片；第五透镜42以及第六透镜44均为直径1英寸、焦距35mm的TPX透镜；第四透镜41可以为直径1英寸、焦距65mm的TPX透镜。

由前述内容可知，由第一发射天线11、第二发射天线12、第一接收天线21以及第二接收天线22构成的双发双收阵列形成了4个独立光传播通道，并分别对应于4个测量电场

基于此，如图6所示，在本申请的一些实施例中，若所述目标检测面为金属表面，在第四透镜41与第二偏振片43之间还设有第三偏振片45，第三偏振片45用于将第三平行光中的p-偏振分量和s-偏振分量投影至预设的角度。同样地，第三偏振片45为无基底型亚波长金属光栅偏振片。

示例性地，在测量参考信号时，在第四透镜41与第二偏振片43之间放置第三偏振片45，且其光栅沿45°方向。第三偏振片45将金属反射的p-偏振分量与s-偏振分量投影至45°方向，从而产生

在本申请的一些实施例中，第一发射天线11及第二发射天线12与第一偏振片33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；第一接收天线21及第二接收天线22与第二偏振片43之间的距离也可调，用于调节太赫兹信号在采样窗口上的位置。

具体地，由于太赫兹时域光谱系统对信号进行时域采样，因此可以通过调整两个发射天线与偏振耦合器（即第一偏振片33）之间的距离，以及两个检测天线与偏振分束器（即第二偏振片43）之间的距离来自由调节上述4个信号（

如图7所示，4个信号在形状上非常相似，强度也相当，这一点可从图8所展示的傅里叶频谱进一步获得验证。更重要的是，上述的配置为系统提供了极高的消光比，消除了对不完美偏振滤波的复杂校准的需要。图9展示了当偏振片（Pol.）及检测天线（Ant.）的偏振滤波方向相对入射线偏光的偏振方向具有不同的平行（//）或垂直（⊥）关系时所得到的检测信号。可以看见，当两者均平行时（Pol.//且Ant.//），系统具有最高约80dB的信噪比。当近偏振片垂直时（Pol.⊥且Ant.//），仍有相当大的信号分量无法被屏蔽，信号频谱包络清晰可见，最高仍有40dB的信号幅值。而当两者均垂直于入射偏振时（Pol.⊥且Ant.⊥），对入射光达到非常高的屏蔽效果，包络已不太可见。此时，2THz以上频段已落入噪声范围，2THz以下相比灰色线有50dB以上的衰减。表明该偏振片-天线组合具有优异的偏振滤波特性。通过本申请提供的广义太赫兹时域椭偏检测系统，可通过一次扫描实现四组独立偏振分量的实时获取，且均为超宽频复数频谱，具有极高的线偏率。系统的信号采样速率在30Hz左右，因此可在30ms时间获取0.2-3.5THz的宽频琼斯矩阵，实现实时、高速、高偏振控制精度的太赫兹广义椭偏测量。

综上所述：

本申请提供的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。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

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。