一种用于太赫兹波束整形的准光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于太赫兹波束整形的准光学系统，包括平板半导体晶体、超半球硅透镜、非球面准直透镜，超半球硅透镜一面为超半球面，一面为平面，平板半导体晶体固定于超半球硅透镜平面侧，非球面准直透镜置于超半球硅透镜超半球面侧，平板半导体晶体在飞秒激光脉冲和直流偏置电压的激发下产生准直太赫兹波；产生的太赫兹波直接进入超半球硅透镜和非球面准直透镜，输出平行太赫兹波束。还可包括非球面聚焦透镜和焦面，平行太赫兹波束进入非球面聚焦透镜，到达测试焦面位置，产生聚焦太赫兹波。其减少了水汽吸收的影响，提高了系统分辨率，降低了全反射波束的比例，使得最大透过率达到72％，同时减小了空气光路的光程，提升了太赫兹信号质量。

A quasi optical system for terahertz beam shaping

【技术实现步骤摘要】
一种用于太赫兹波束整形的准光学系统
：本专利技术属于太赫兹光谱和成像

，具体涉及一种用于太赫兹波束整形的准光学系统。
技术介绍
：太赫兹指的是频率在0.1THz-10THz之间的一种电磁波,在波谱图上位于红外与毫米波之间,对于太赫兹的研究长期处于空白阶段,20世纪80年代以来,随着超快光电子技术与低尺度半导体技术的发展,人们才逐渐开始了太赫兹波段的研究。作为新兴科技，太赫兹技术受到各国政府的重视，2004年被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，2005年被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”，2005年我国也召开了以太赫兹为主题的香山科学会议。太赫兹波在物质检测与成像方面具有很多独特的优点：(1)太赫兹光谱的频段对应很多大分子整体振动模式和分子间振动模式,这些振动模式对于外界环境更为敏感,使太赫兹光谱在物质特性研究方面具有其它测试手段无法企及的优势；(2)太赫兹属于图谱合一的测量方式，可以同时得到图像与频谱的信息，从而对待测物进行多维度分析；(3)太赫兹系统对黑体辐射(热背景)不敏感,可以达到较高的信噪比；(5)太赫兹光子能量很低，只有meV级别，不会对生物组织产生电离作用，对活体生物很安全；(6)太赫兹具有独特的穿透性，对于很多非极性材料((如塑料、橡胶、纤维、泡沫等)的穿透性很强，非常适用于无损检测领域。基于太赫兹技术如此多的优良特性,使它在军事、安检、产品质量检测、生物、医学、化学和物理学等各个领域都具有潜在的应用价值和广阔的应用前景。在太赫兹系统的实际应用中，非常关键的一环是对于太赫兹波的收集与整形，使其能够准确穿透待测物从而获取有效信息。目前比较常用的方法是由飞秒激光激发特殊制备的半导体晶体，发射太赫兹波，经由硅透镜对太赫兹波发散角进行约束，进一步的通过一对平凸透镜对太赫兹波束进行聚焦，焦点位置位于待测物表面。如图1为现有的太赫兹波束整形系统，由太赫兹光电导发射天线(1)、准直平凸透镜(2)、聚焦平凸透镜(3)组成，其中由太赫兹光电导发射天线(1)内部集成了发射太赫兹波的半导体晶体与硅透镜，准直平凸透镜(2)与聚焦平凸透镜(3)均为球面面型，且材料为HDPE或TPX。但是目前的应用中存在以下几个问题：(1)太赫兹发射天线由厂家单独提供(如menlosystem、toptica等)，与后续的透镜系统不能很好的匹配；(2)硅透镜与平凸透镜面型为标准球面，存在较大球差，使得太赫兹波束不能很好的聚焦；(3)硅透镜折射率较大，其全反射临界角较小，使得很大一部分太赫兹波陷入在硅透镜内部；(4)双平凸透镜一般采用的材料的高密度聚乙烯(HDPE)或聚4-甲基-1-戊烯(TPX)，但是HDPE在2.2THz处存在明显的吸收峰，且在高频段的透过率不高，TPX在6THz以上的透过率也较低，这两种材料都会对太赫兹信号的高频部分造成较大衰减，影响测量效果；(5)太赫兹波束在空气中的传输光路过长，由于水汽吸收问题导致信号减弱，水汽吸收峰也会导致信号失真。
技术实现思路
：本专利技术目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种用于太赫兹波束整形的准光学系统，结合具体的光学系统光路结构进行机械结构的设计。克服了目前通用的太赫兹波束传输光路透镜匹配程度不高、球差较大、透过率低、信号衰减等缺点，为了实现上述目的，本专利技术涉及的用于太赫兹波束整形的准光学系统，包括平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜，超半球硅透镜一面为超半球面，一面为平面，平板半导体晶体固定于超半球硅透镜平面侧，准直透镜置于超半球硅透镜超半球面侧，平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜的光轴重合。进一步地，所述准直透镜为非球面准直透镜，非球面准直透镜凸面为非球面。本专利技术涉及的用于太赫兹波束整形的准光学系统，还包括聚焦透镜和焦面，聚焦透镜置于准直透镜一侧，准直透镜和聚焦透镜凸面相靠近，焦面置于聚焦透镜焦点位置，平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜和聚焦透镜的光轴重合。进一步地，所述准直透镜为非球面准直透镜，所述聚焦透镜为非球面聚焦透镜，非球面准直透镜和非球面聚焦透镜凸面为非球面。进一步地，非球面准直透镜和非球面聚焦透镜之间的空气光路距离为L1,L1一般选取5-50mm，非球面聚焦透镜与焦面直接距离L2一般不大于100mm。进一步地，超半球硅透镜超半球面固定在准直透镜平面侧开设的与超半球硅透镜超半球面相对应的凹槽内。进一步地，超半球硅透镜表面镀太赫兹增透膜。进一步地，非球面聚焦透镜和非球面准直透镜均采用新型环烯烃共聚物(TopasCOC)。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：光学系统由发射太赫兹波的半导体晶体到待测样品采用一体化设计，最大程度保证了光学系统的利用效率，且优化了光路结构，缩短了光学系统尺寸，减少了太赫兹波传输过程中水汽吸收的影响；通过采用非球面的准直透镜和聚焦透镜，大大降低了光学系统像差，提高了系统分辨率；半导体晶体、超半球透镜和准直透镜均采用胶合方式，降低了全反射波束的比例，使得最大透过率达到72％，同时减小了空气光路的光程，减少了太赫兹波传输过程中水汽吸收的影响；非球面准直透镜与非球面聚焦透镜采用新型的环烯烃共聚物(TopasCOC)，增加了透镜使用过程中的稳定性与可靠性，有效控制了色差，降低了高频段的吸收，提升了太赫兹信号质量。附图说明：图1是现有的太赫兹波束整形系统结构原理示意图。图2是实施例1涉及的用于太赫兹波束整形的准光学系统的结构原理示意图。图3是实施例1出射波的波前分析图图4是实施例2涉及的用于太赫兹波束整形的准光学系统的结构原理示意图。图5是实施例2的波前分析图。图6是实施例2的MTF曲线图。图7是实施例2的像面光斑图。具体实施方式：下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例1：本实施例涉及的用于太赫兹波束整形的准光学系统，包括平板半导体晶体1、超半球硅透镜2、准直透镜3，超半球硅透镜2一面为超半球面，一面为平面，平板半导体晶体1胶接于超半球硅透镜2平面侧，准直透镜3置于超半球硅透镜2超半球面侧，平板半导体晶体1、超半球硅透镜2、准直透镜3的光轴重合。超半球硅透镜2采用高阻硅材料，半导体晶体材料的折射率一般为3.4-3.6，在空气中的全反射临界角为16.13°-17.10°，采用与半导体晶体材料折射率相近的高阻硅作为超半球硅透镜的材料，且二者贴合安装，避免发生过多全反射，半导体晶体发出的太赫兹波最大透过率可达72％。进一步地，超半球硅透镜2超半球面卡入准直透镜3平面侧开设的与超半球硅透镜2超半球面相对应的凹槽内，且在连接处胶接固定，两者直接胶合固定连接，缩短空气光路，降低水汽吸收。进一步地，超半球硅透镜2表面镀太赫兹增透膜，以提高透过率。进一步地，所述准直透镜3为非球面准直透镜3，非球面准直透镜3凸面为非球面。采用非球面设计，可以最大程度矫正系统球差，降低光斑直径，提高系统横向分辨率，光斑直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太赫兹波束整形的准光学系统，其特征在于，包括平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜，超半球硅透镜一面为超半球面，一面为平面，平板半导体晶体固定于超半球硅透镜平面侧，准直透镜置于超半球硅透镜超半球面侧，平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜的光轴重合。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹波束整形的准光学系统，其特征在于，包括平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜，超半球硅透镜一面为超半球面，一面为平面，平板半导体晶体固定于超半球硅透镜平面侧，准直透镜置于超半球硅透镜超半球面侧，平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜的光轴重合。


2.根据权利要求1所述的用于太赫兹波束整形的准光学系统，其特征在于，所述准直透镜为非球面准直透镜，非球面准直透镜凸面为非球面。


3.根据权利要求2所述的用于太赫兹波束整形的准光学系统，其特征在于，非球面准直透镜采用TopasCOC。


4.根据权利要求1所述的用于太赫兹波束整形的准光学系统，其特征在于，用于太赫兹波束整形的准光学系统，还包括聚焦透镜和焦面，聚焦透镜置于准直透镜一侧，准直透镜和聚焦透镜凸面相靠近，焦面置于聚焦透镜焦点位置，平板半导体晶体、超半球硅透镜、准直透镜和聚焦透镜的光轴重合。


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【专利技术属性】
技术研发人员：朱新勇，王玉建，刘永利，张朝惠，
申请(专利权)人：青岛青源峰达太赫兹科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37