通用太赫兹光谱光电测试系统

摘要

本发明揭示了一种能够通过多种定制光源和探测器组合、用户选择光路部件、添加外围辅助设备可以实现傅里叶光谱、透射光谱、反射光谱和太赫兹电子器件光电特性等多种测试功能的太赫兹光电特性测试系统，具有高信噪比、高分辨率、强扩展性、低成本等优点，可以广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析。该发明对光谱和光电响应测试系统的光路、电路和控制进行了优化设计和系统集成，设计了紧凑合理的光学、机械和真空腔结构，采用了计算机控制的精确机械扫描和数据采集，最终可以实现使用多种不同光源和探测器组合、测试分析材料与太赫兹光源和探测器等核心器件的太赫兹光电特性的目的。

权利要求

1.通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于包括设于系统密封腔1内的如下模块：可见光输出模块，包括按光路依次设置的激光器2、反射镜3、可见光窗口4、准直光阑5和旋转反射镜6，利用可见光调整整个系统的光路；

太赫兹波输出模块，包括离轴非球面反射镜7、斩波器8、直线导轨9、离轴非球面反射镜10、太赫兹输入窗口11、离轴非球面反射镜12、光阑13和太赫兹源14，用于向系统密封腔1输出光通量可调的太赫兹波，并输出斩波器8调制后的太赫兹波；

干涉模块，包括太赫兹分束器15、可见光分束器16、静反射镜17、电动位移平台19及组装于其上的动反射镜18，用于将入射的可见光或太赫兹波形成干涉；

透射样品模块，包括离轴非球面反射镜23、样品架24、样品仓25和离轴非球面反射镜

26，用于对样品进行透射谱测量的水平方向和垂直方向位置控制；

探测模块，包括可见光探测器20、直线导轨21、反射镜22、反射镜27、太赫兹输出窗口

28、离轴非球面反射镜29和太赫兹探测器30，用于分别探测可见光、太赫兹源输出的太赫兹波和干涉调制后的太赫兹波；

以及与探测模块信号相连的控制模块，包括电学端口31和计算机及软件系统32，提供系统中各部件的电压、电流和交互通信信号及控制各零部件的工作情况，并对探测结果进行计算分析和显示。

2.根据权利要求1所述的通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于：所述样品架24与计算机及软件系统32信号相连，样品架24受控沿水平方向或垂直方向变换位置。

3.根据权利要求1所述的通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于：所述太赫兹分束器15及可见光分束器16为2mm厚的高纯硅片。

4.根据权利要求1所述的通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于：所述电学端口

31还连接有用于进行功能扩展的电学测试、光学测试外围辅助设备，至少包括电压源、示波器、探测器中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于：所述系统架构完成后的系统密封腔1内充满有干燥的氮气。

6.权利要求1所述通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其特征步骤包括：I、光路预调制，所述可见光探测器20通过对入射可见光的干涉测量判断静反射镜17与动反射镜18之间垂直与否，并将结果信号反馈到控制模块进行垂直调整；

II、太赫兹光谱测试，所述太赫兹源14发出的太赫兹波经过干涉模块后透过样品架24上的样品或器件，出射信号再由太赫兹探测器30采集，得到材料或器件的太赫兹傅里叶光谱；或将所发出的太赫兹波直接透过样品架24上的样品或器件，出射信号再由太赫兹探测器30采集，得到材料或器件的太赫兹透射光谱；

III、探测模块将测得的太赫兹傅里叶光谱或太赫兹透射光谱输出至计算机及软件系统32，并对测量的结果进行计算分析，得到并显示光电特性的测试结果。

7.根据权利要求6所述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其特征在于：步骤I中所述入射的可见光光路控制，是顺次通过准直光阑5和旋转反射镜6调制实现的。

8.根据权利要求6所述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其特征在于：步骤I中可见光的干涉与步骤II中太赫兹波的干涉，通过电动位移平台19的移动使经静反射镜17和动反射镜18反射回到相应分束器的两束光产生光程差，形成干涉。

9.根据权利要求6所述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其特征在于：所述样品架24与计算机及软件系统32相连，计算机及软件系统32根据预设测试程序信号驱动样品架24沿水平方向或垂直方向变位置。

说明书

通用太赫兹光谱光电测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光电测试系统，尤其指一种用于测试太赫兹光谱且能够通过定制光源和探测器组合、用户自行选择光路部件、添加外围辅助设备实现多种太赫兹光电特性测试的系统。本发明广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和生物医学分析。 背景技术

[0002] 太 赫 兹 波 是 频 率 为0.3THz-30THz(波 长 约10μm-1mm，光 子 能 量 约1.2meV-120meV)的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。
室温下的黑体辐射、宇宙的背景电磁辐射、自然界中的许多有机大分子特别是生物分子的振动和旋转特征频率都在太赫兹波段范围里。因此物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息。与传统光源相比，太赫兹波辐射源具有相干、低能、穿透力强等独特、优异的特性，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。近年来，随着真空电子技术、半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，太赫兹科学与应用技术已经成为国际研究的热点。

[0003] 太赫兹技术应用的一个重要依据就是材料的太赫兹光谱和电学响应，因此太赫兹光电测试技术是太赫兹技术研究和应用的关键之一。现有的太赫兹光谱光电测试系统在使用中具有很大的局限性，表现为系统复杂、成本高、功能单一、用户定制性差。专利申请号为200610171670.5的“测量太赫兹时域光谱的方法及设备”，通过测量两束脉冲激光束之间的各个相位差处的太赫兹脉冲电场强度得到太赫兹时域光谱，具有较高的探测带宽和频谱分辨力，但是该方法需要两台飞秒激光器，成本太高，系统复杂。专利申请号为200620025319.0的“基于光学整流的太赫兹时域光谱仪”，使用飞秒激光器结合光学整流的方法产生太赫兹脉冲并进行测量，光谱分辨精度高，但是其测量时间长，测量结果受激光功率抖动的影响较大。专利申请号为200910051781.X的“一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统”，基于非线性差频原理生成的太赫兹源，再经过光学和机械结构，进行计算机控制，最终自动测量样品太赫兹波段透射谱和反射谱特性，但是该系统使用大量的进口激光器及光学、机械元件，不仅成本较高，也不利于推广应用。

发明内容

[0004] 为克服上述现有技术中设备复杂、成本高、功能单一、用户可定制性差的不足，本发明的目的在于提供一种通用太赫兹光谱光电测试系统，可灵活使用多种不同光源和探测器组合、能够适用于广泛的材料与器件的太赫兹光电特性测试分析。

[0005] 实现上述本发明目的的一个首要技术方案为：

[0006] 通用太赫兹光谱光电测试系统，其特征在于包括设于系统密封腔1内的如下模块：

[0007] 可见光输出模块，包括按光路依次设置的激光器2、反射镜3、可见光窗 口4、准直光阑5和旋转反射镜6，利用可见光调整整个系统的光路；

[0008] 太赫兹波输出模块，包括离轴非球面反射镜7、斩波器8、直线导轨9、离轴非球面反射镜10、太赫兹输入窗口11、离轴非球面反射镜12、光阑13和太赫兹源14，用于向系统密封腔1输出光通量可调的太赫兹波，并输出斩波器8调制后的太赫兹波； [0009] 干涉模块，包括太赫兹分束器15、可见光分束器16、静反射镜17、电动位移平台19及组装于其上的动反射镜18，用于将入射的可见光或太赫兹波形成干涉； [0010] 透射样品模块，包括离轴非球面反射镜23、样品架24、样品仓25和离轴非球面反射镜26，用于对样品进行透射谱测量的水平方向和垂直方向位置控制； [0011] 探测模块，包括可见光探测器20、直线导轨21、反射镜22、反射镜27、太赫兹输出窗口28、离轴非球面反射镜29和太赫兹探测器30，用于分别探测可见光、太赫兹源输出的太赫兹波和干涉调制后的太赫兹波；

[0012] 以及与探测模块信号相连的控制模块，包括电学端口31和计算机及软件系统32，提供系统中各部件的电压、电流和交互通信信号及控制各零部件的工作情况，并对探测结果进行计算分析和显示。

[0013] 进一步地，前述的通用太赫兹光谱光电测试系统，其中该样品架24与计算机及软件系统32信号相连，样品架24受控沿水平方向或垂直方向变换位置。

[0014] 此外，该太赫兹分束器及可见光分束器为2mm厚的高纯硅片；该电学端口还连接有用于进行功能扩展的电学测试、光学测试外围辅助设备，至少包括 电压源、示波器、探测器等，可选其中的一种或多种组装连接；该系统架构完成后的系统密封腔内充满有干燥的氮气。

[0015] 实现上述本发明目的的一个次要技术方案为：

[0016] 一种通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其特征步骤包括： [0017] I、光路预调制，所述可见光探测器20通过对入射可见光的干涉测量判断静反射镜17与动反射镜18之间垂直与否，并将结果信号反馈到控制模块进行垂直调整；II、太赫兹光谱测试，所述太赫兹源14发出的太赫兹波经过干涉模块后透过样品架24上的样品或器件，出射信号再由太赫兹探测器30采集，得到材料或器件的太赫兹傅里叶光谱；或将所发出的太赫兹波直接透过样品架24上的样品或器件，出射信号再由太赫兹探测器30采集，得到材料或器件的太赫兹透射光谱；III、探测模块将测得的太赫兹傅里叶光谱或太赫兹透射光谱输出至计算机及软件系统32，并对测量的结果进行计算分析，得到并显示光电特性的测试结果。

[0018] 进一步地，前述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，步骤I中所述入射的可见光光路控制，是顺次通过准直光阑5和旋转反射镜6调制实现的。 [0019] 进一步地，前述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，步骤I中可见光的干涉与步骤II中太赫兹波的干涉，通过电动位移平台19的移动使经静反射镜17和动反射镜18反射回到相应分束器的两束光产生光程差，形成干涉。

[0020] 进一步地，前述的通用太赫兹光谱光电测试系统的实现方法，其中该样品 架24与计算机及软件系统32相连，计算机及软件系统32根据预设测试程序信号驱动样品架24沿水平方向或垂直方向变换位置。

[0021] 上述本发明通用太赫兹光谱光电测试系统，其优点是：

[0022] 该通用太赫兹光谱光电测试系统，能适用于多种探测器和光源的组合，定制性强，可形成太赫兹的傅里叶光谱、透射光谱、反射光谱，并分析得到太赫兹电子器件的光电特性。此外，还使得该光电测试系统还具备了操作使用方便、测量精度及系统信噪比高，产品架构简单，生产成本显著降低的特性。

[0023] 附图说明

[0024] 图1为本发明通用太赫兹光谱光电测试系统的原理示意图

[0025] 图中各附图标记的含义为：

[0026] 1～系统密封腔、2～激光器，3～反射镜、4～可见光窗口、5～准直光阑、6～旋转反射镜、7～离轴非球面反射镜、8～斩波器、9～直线导轨、10～离轴非球面反射镜、11～太赫兹输入窗口、12～离轴非球面反射镜、13～光阑、14～太赫兹源、15～太赫兹分束器、16～可见光分束器、17～静反射镜、18～动反射镜、19～电动位移平台、20～可见光探测器、21～直线导轨、22(22-1、22-2)～反射镜、23～离轴非球面反射镜、24～样品架、25～样品仓、26～离轴非球面反射镜、27～反射镜、28～太赫兹输出窗口、29～离轴非球面反射镜、30～太赫兹探测器、31～电学端口、32～计算机及软件系统。

[0027] 图中的实线为激光的光路；虚线为太赫兹波的光路；点划线为计算机与系统中相关构件的连接线；点线为电学端口与系统中相关构件的连接线。

[0028] 具体实施方式

[0029] 本发明设计了一种能够满足太赫兹光源、探测器等核心器件、太赫兹波段材料与结构测试分析中所涉及的共性需求，采用了优化的光谱和光电响应测试系统将光路、电路和计算机控制集成，使本发明可以形成大、中、小型、甚至是微型的太赫兹光电测试系统。该系统可以扫描获得样品的光、电谱并分析得到器件和样品的太赫兹光电特性。该系统可以使用任何一种现有的太赫兹光源(如SiC Glowbar、高压汞灯、Gunn亚毫米波信号源、返波管等)和太赫兹探测器(如热释电、Golay Cell、硅辐射热计等)。本发明设计了紧凑合理的光学、机械和真空腔结构，采用了计算机控制的精确机械扫描和数据采集。 [0030] 该通用太赫兹光谱光电测试系统的原理示意图如图1所示，由系统密封腔1，激光器2，反射镜3、17、18、22和27，可见光窗口4，准直光阑5，旋转反射镜6，离轴非球面反射镜7、10、12、23、26和29，斩波器8，直线导轨9和21，太赫兹输入窗口11，光阑13，太赫兹源14，太赫兹分束器15，可见光分束器16，电动位移平台19，可见光探测器20，样品架24，样品仓25，太赫兹输出窗口28，太赫兹探测器30，电学测试端口31和计算机32组成。 [0031] 整个太赫兹光电测试系统主要分为以下六个模块：

[0032] 由He-Ne激光器2、反射镜3、可见光窗口4、准直光阑5和旋转反射镜6构成可见光输出模块，可以实现系统的可见光输出，是系统光路调整的基础；

[0033] 离轴非球面反射镜7、斩波器8、直线导轨9，离轴非球面反射镜10、太赫兹输入窗口11、离轴非球面反射镜12、光阑13和太赫兹源14为太赫兹光输出模块，可以将光通量可调的太赫兹波输入到系统密封腔1，并输出调制后的太赫兹波；

[0034] 太赫兹分束器15、可见光分束器16、静反射镜17、动反射镜18和电动位移平台19为干涉模块，将平行光通过分束器分成两路，再经反射镜反射回到分束器，电动位移平台19的移动使经过反射镜17和18反射回到分束器的两束光产生光程差，从而形成干涉，干涉模块是系统的核心部分；

[0035] 离轴非球面反射镜23、样品架24、样品仓25和离轴非球面反射镜26为透射样品模块，将平行入射光聚焦于待测样品区，并将透射光平行输出；

[0036] 可见光探测器20、直线导轨21、反射镜22、反射镜27、太赫兹输出窗口28、离轴非球面反射镜29、太赫兹探测器30为探测模块，通过调整光路，可以分别探测可见光、太赫兹源输出的太赫兹光和干涉调制后的太赫兹光；

[0037] 电学端口31和计算机及软件系统32为控制模块，可以为太赫兹光电测试系统中的零部件提供电压、电流和交流信号以及控制零部件的工作情况，并对测量的结果进行计算分析和显示；其中电学端口31还可连接有用于进行功能扩展的电学测试、光学测试外围辅助设备，包括电压源、示波器、探测器等。

[0038] 具体来看该光电测试系统各构件的结构特征及功能。

[0039] 系统密封腔1的作用是将太赫兹光电测试系统密封，并在其中充干燥的氮气，消除空气中的水和二氧化碳等杂质对测量结果的影响。

[0040] 激光器2的作用是调试、校准光源，用于调整太赫兹光电测试系统的光路和作为频率校准。

[0041] 反射镜3的作用是调整激光器2的光路方向。

[0042] 准直光阑5的作用是激光器2发出的激光光路的准直。

[0043] 旋转反射镜6的作用是改变激光器2的光路方向，旋转反射镜6处于图1所示方向时将激光反射至图1右面的光路，用于调整系统的干涉模块；旋转反 射镜6旋转180°后将激光反射至图1左面的光路，用于系统太赫兹源发射后的光路调整。 [0044] 离轴非球面反射镜7和10的作用是将平行太赫兹光聚焦后再平行射出，以便对太赫兹光进行调制。

[0045] 斩波器8的作用是实现对太赫兹光信号的调制，可将太赫兹光辐射信号调制成交变信号，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，可作为参考信号。 [0046] 直线导轨9和21的作用是实现离轴非球面反射镜10和反射镜22的线性平移。 [0047] 太赫兹输入窗口11的作用是太赫兹光进入系统密封腔1的输入口。 [0048] 离轴非球面反射镜12的作用是将输入的太赫兹光平行射出。

[0049] 光阑13的作用是调节控制太赫兹光的光通量。

[0050] 太赫兹源14的作用是发射太赫兹光。

[0051] 太赫兹分束器15的作用是通过其半透半反的性质，将太赫兹光分成两路，分开的两路光分别反射后在经过太赫兹分束器15，从而形成干涉。

[0052] 可见光分束器16的作用是通过其半透半反的性质，将激光分成两路来调节反射镜17和18的角度及俯仰以形成干涉。

[0053] 反射镜17和18的作用是调整经过分束器15和16的两束光的光路方向。 [0054] 电动位移平台19的作用是使反射镜18沿轨道方向等速度微量移动。 [0055] 可见光探测器20的作用是测量激光的功率。

[0056] 样品架22的作用是放置需要测量的样品，并且可以对样品进行透射谱测量的水平和垂直方向的位置控制。

[0057] 离轴非球面反射镜23和24的作用是将平行太赫兹光聚焦于样品架22上 的样品，再使透射光平行出射。

[0058] 样品仓25的作用是方便取放样品，并保持系统密封腔1内的平衡环境。 [0059] 太赫兹输出窗口28的作用是太赫兹光射出系统密封腔1的输出口。 [0060] 离轴非球面反射镜29的作用是将系统密封腔1平行射出的太赫兹光汇聚于一点，以便于探测器的接收。

[0061] 太赫兹探测器30的作用是测量系统输出太赫兹光的功率。

[0062] 电学测试端口31的作用是给太赫兹光源、太赫兹探测器、可见光探测器、斩波器、电动位移平台、待测器件的偏置提供电压、电流和交流信号等。

[0063] 计算机32的作用是根据测量的要求控制电动位移平台19、可见光探测器20和太赫兹探测器30的工作情况，并对测量的结果进行计算分析和显示。

[0064] 前述本发明的通用太赫兹光谱光电测试系统，结合附图进一步的描述为： [0065] 激光器2(He-Ne)发出的可见光先经反射镜3反射，再通过可见光窗口4进入系统密封腔1后入射到旋转反射镜6，旋转反射镜6处于图中所示状态时可以将平行入射的可将光反射至可见光分束器16。平行的可见光被可见光束器16分成两路，一路平行光被静反射镜17反射后再通过可见光分束器16，另一路平行光被在电动位移平台19上移动的动反射镜18反射后再被可见光分束器16反射，两路平行太赫兹光在第二次经过可见光分束器16后相互干涉，干涉的可见光被可见光探测器20探测。由此。可以利用可见光探测器20反馈的信号来调节和判断可见光分束器16、静反射镜17和动反射镜18的俯仰角度及相对位置是否正确。确定可见光分束器16、静反射镜17和动反射镜18的相对位置及俯仰角度后，取下可见光探测器20，使可见光被离轴非球面反射镜23聚焦于样品架24处，从而确定样品架24的位置。经过样品的透射光被离轴非球 面反射镜26反射后平行射向反射镜27，再经过太赫兹输出窗口28射出系统密封腔1后透射光被离轴非球面反射镜29聚焦于太赫兹探测器30，从而由可见光确定太赫兹探测器30的放置位置。旋转反射镜6旋转180°后，可以将平行的可见光反射至离轴非球面反射镜7，被离轴非球面反射镜7聚焦于斩波器8，从而确定斩波器8的放置位置及高度，经过斩波器8的可见光再被离轴非球面反射镜10反射后平行出射，射出系统密封腔1，最后可见光被离轴非球面反射镜12聚焦于太赫兹源14，从而确定太赫兹源14的放置位置及高度。

[0066] 太赫兹源14发出的太赫兹光经过光阑13，入射到离轴非球面反射镜12后平行出射，经过太赫兹输入窗口11进入系统密封腔1。离轴非球面反射镜10在直线导轨9上可以延导轨做线性运动。当离轴非球面反射镜10位于10-1位置时，平行的太赫兹光被离轴非球面反射镜10聚焦于斩波器8处，再被离轴非球面反射镜7反射后平行出射。平行的太赫兹光被太赫兹分束器15分成两路，一路平行光被静反射镜17反射后再通过太赫兹分束器15，另一路平行光被在电动位移平台19上移动的动反射镜18反射后再被太赫兹分束器15反射，两路平行太赫兹光在第二次经过太赫兹分束器15后相互干涉。反射镜22在直线导轨21上可以延导轨做线性运动。当反射镜22位于22-1位置时，干涉的平行太赫兹光直接入射到离轴非球面反射镜23，并且被离轴非球面反射镜23聚焦于样品架24处。经过样品的太赫兹透射光被离轴非球面反射镜26反射后平行射向反射镜27，再经过太赫兹输出窗口28射出系统密封腔1，最后干涉调制后的太赫兹透射光被离轴非球面反射镜29聚焦于太赫兹探测器30，从而可以探测得到样品的太赫兹傅里叶透射光谱。当离轴非球面反射镜
10位于10-2位置时，经过太赫兹窗口11进入系统密封腔1的平行太赫兹光被位于22- 2位置的反射镜22反射，进入透射样品模块，即被离轴非球面反射镜23聚焦于样品架24处。
经过样品的太赫兹透射光被离轴非球面反射镜26反射后平行射向反射镜27，再经过太赫兹输出窗口28射出系统密封腔1，最后太赫兹透射光被离轴非球面反射镜29聚焦于太赫兹探测器30，从而可以探测得到样品的太赫兹透射光谱。根据用户需求与定制，电学端口31为太赫兹源14、太赫兹探测器30、可见光探测器20、斩波器13、电位移平台19、待测器件提供必要的电压、电流和交流信号。计算机32是根据测量的要求控制电动位移平台19、可见光探测器20和太赫兹探测器30的工作情况，并对测量的结果进行计算分析和显示。 [0067] 通过以上结构及实现方法的描述，本发明的实质性特征已明确，其效果主要归结为以下几点：

[0068] 1、适用于多种探测器和光源的组合，定制性强，可以形成傅里叶光谱、透射光谱、反射光谱和太赫兹电子器件光电特性等多种测试功能。

[0069] 2、校准光源为系统的调试和维护提供了快捷的保障。

[0070] 3、电学端口的设计使复杂的光电测试得以实现，为用户提供了扩展空间。 [0071] 4、将光电测试系统使用系统密封腔来密封，并在其中充干燥的氮气，消除空气中的水和二氧化碳等杂质对测量结果的影响，提高了系统的测量精度。

[0072] 5、光电测试系统使用计算机控制，单次测量时间短，并可以多次重复测量取平均值，大大提高系统的信噪比。

[0073] 6、该太赫兹光谱光电测试系统的主要光学、机械构件均为常规材料简单加工得到，成本较低，易于应用与推广。