可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置及其使用方法，涉及太赫兹近场显微镜领域，所述装置包括：第一光纤激光振荡器、第二光纤激光振荡器、光纤分束器、第一延时线、第二延时线、第三延时线、第四延时线、发射天线、第一抛物面镜、第二抛物面镜、原子力显微镜、接收天线、处理器、同步锁相环、第一能量调节模块、第二能量调节模块、第一反射镜和第二反射镜；本发明专利技术实现了太赫兹近场显微镜中泵浦光能量较高且泵浦波长可调的优点。光能量较高且泵浦波长可调的优点。光能量较高且泵浦波长可调的优点。

【技术实现步骤摘要】
可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置及其使用方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹近场显微镜领域，具体地，涉及可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置及其使用方法。

技术介绍

[0002]太赫兹近场显微镜是近几年兴起的技术之一，其突出优势在于将太赫兹时域光谱和近场显微镜相结合，即能够发挥太赫兹波具备一定穿透性的特性，也能够发挥近场显微镜的超分辨优势，从而实现太赫兹频段的超分辨检测。但是目前基于激光泵浦的太赫兹近场显微镜的研究还很少。
[0003]申请人研究发现目前光泵浦—太赫兹近场显微镜具有泵浦光能量较低且泵浦波长不可调的缺点。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，所述装置包括：
[0005]第一光纤激光振荡器、第二光纤激光振荡器、光纤分束器、第一延时线、第二延时线、第三延时线、第四延时线、发射天线、第一抛物面镜、第二抛物面镜、原子力显微镜、接收天线、处理器、同步锁相环、第一能量调节模块、第二能量调节模块、第一反射镜和第二反射镜；
[0006]第一光纤激光振荡器用于输出波长为第一预设值的激光，第一光纤激光振荡器具有两个激光出口分别用于输出第一激光和第二激光，第一激光经过光纤分束器分束为发射激光和接收激光，发射激光经过第一延时线处理后输入发射天线后产生太赫兹波，太赫兹波经第一抛物面镜聚焦至原子力显微镜的原子力探针针尖部分产生散射的太赫兹近场信号，太赫兹近场信号经第二抛物面镜聚焦后准直射出至接收天线，接收激光经过第二延时线处理后射入接收天线，太赫兹近场信号和接收激光作用于接收天线产生电信号，电信号传输至处理器中处理后获得样品的太赫兹近场光谱图像；
[0007]第二激光经过第三延时线处理后输入第一能量调节模块，第三延时线用于补偿第二激光与太赫兹光路的光程差，第一能量调节模块用于对第二激光的脉冲能量进行调节，第一反射镜用于将能量调节后的第二激光向原子力探针针尖部分反射；
[0008]第二光纤激光振荡器用于输出波长可调且位于第一预设范围的激光，第二光纤激光振荡器输出的第三激光经过第四延时线处理后输入第二能量调节模块，第四延时线用于补偿第三激光与太赫兹光路的光程差，第二能量调节模块用于对第三激光的脉冲能量进行调节，第二反射镜用于将能量调节后的第三激光向原子力探针针尖部分反射；
[0009]同步锁相环用于控制第一光纤激光振荡器和第二光纤激光振荡器同步输出。
[0010]申请人研究发现，现有技术中泵浦激光能量较低，要实现太赫兹近场显微技术，产生太赫兹的激光重复频率必须足够高，这样才能满足原子力显微镜针尖抖动频率的解调，
原子力探针的抖动一般为几十千赫兹(kHz)到上百kHz，因此激光的重复频率必须为接近MHz的水平，而目前接近MHz重复频率的激光器所产生太赫兹时域光谱，其信噪比相比于常用的100MHz光纤激光器所产生的太赫兹光谱要低很多。这样就严重制约了其在近场显微镜中的应用。为了追求高信噪比，目前常用的太赫兹光谱仪产生激光为100MHz的光纤激光器，其有效频谱宽度为0.1
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5THz，多次平均采样信噪比为80dB。但是此类光纤激光器的能量并不大，因此，除了用于产生太赫兹光谱外，额外的用于泵浦的激光能量就不高，这样适用的场景范围就会小很多，这也严重制约了光泵浦——太赫兹近场探测技术的进一步发展。
[0011]进一步的，现有技术中泵浦光的波长固定，现有的光泵浦太赫兹近场显微镜其泵浦波长往往是固定的，这对于不同种类的样品探测而言制约较大，因为不同种类的样品需要不同波长的能量进行泵浦探测。
[0012]针对目前光泵浦—太赫兹近场显微镜中泵浦光能量较低且泵浦波长不可调的缺点，本专利技术提出采用第一光纤激光振荡器和第二光纤激光振荡器的双振荡器设计的方法，将第一光纤激光振荡器和第二光纤激光振荡器的重复频率设计为一样，同时采用锁相环将两者进行时钟同步，确保两者发射的激光脉冲同步，
[0013]基于双振荡器和同步锁相环保证了两个激光振荡器的同步，这是做泵浦探测实验的前提条件，同时用作泵浦的第二光纤激光振荡器由于其输出波长可调可以保证激光波长可调谐，并且第二光纤激光振荡器在预设频点的进行了激光优化能量处理，使得第二光纤激光振荡器能够实现大能量。
[0014]优选的，第二光纤激光振荡器的最高激光能量为2.5W(此时对应激光波长为800nm)，在一些特殊优化的频点，针对该频点，选用指定厚度，指定晶向的晶体，也具备大功率的泵浦能量，在690nm频点输出功率为500mW，在710nm频点的输出功率为1.35W，在920nm频点输出功率为1.35W，在1040nm频点输出功率为300mW，上述调谐范围和特殊频点的优化能量均能够实现大能量，宽波段的泵浦，这在以往的光泵浦——太赫兹近场探测的方案中是难以实现的。
[0015]优选的，第一反射镜为可翻折反射镜。设计为可翻折反射镜的目的是在采用第二激光进行泵浦时利用第一反射镜进行反射，在采用第三激光进行泵浦时将第一反射镜翻折避免阻挡第三激光的光路。
[0016]优选的，第一反射镜翻折前的反射光路与第二反射镜的反射光路重合，第一反射镜翻折后第一反射镜位于第二反射镜的反射光路外。其中，将光路设计为重合的目的是由于后端聚焦透镜面积是有限的，对于光路调节而言，要聚焦到针尖是对操作人员的光路调试要求比较高，如果换不同的光路，每一路光都需要单独调节聚焦透镜，这样费时费力，而在同一条光路上，调节好以后通过切换翻折镜就可以实现不同光路的泵浦，而且这种光路从结构上也更加紧凑，便于集成。
[0017]优选的，第二延时线为直线电机延时线，用于通过调节接收光路光程实现与发射光路的光程补偿，以及用于近场解调成像。该延时线最大运动速度为1m/s，内置反馈光栅尺精度为100nm，电机行程为120mm，对应来回光程为240mm(换算成光路行程为800ps)，扫描速度为10波形/秒，对应扫描范围是50ps。该延时线设置在接收光路上，通过对接收光路光程变化实现和发射光路的光程补偿。同时，对于近场环境下使用，该电机能够实现几十纳米级精度的步进运动，从而能够精确寻找近场信号最大值，实现近场解调成像。
[0018]优选的，第一延时线为步进电机补偿延时线，用于调节发射天线与接收天线之间的间距。步进电机延时线运动速度为1cm/s，电机行程为30cm，内置4倍光程，对应来回光程120cm(换算成光路行程为4000ps)。
[0019]申请人研究发现传统的太赫兹时域光谱仪，其延时线往往具备快速扫描的能力，多采用音圈电机进行快速扫描成像，但对于结合近场显微镜情形下的使用，该种太赫兹光谱仪就无法适用，因为高速运动的音圈电机导致信号无法针原子力显微镜的针尖进行解调。如果是步进电机，虽然可以实现对针尖频率的解调，但是要进行近场光谱测量的时候却无法快速扫描。同时，针对不同情形下的样品测量，其需要的光路长度也不一样，传统的太赫兹时域光谱仪还不能实现发射和接收天线之间间距的灵活调整。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，所述装置包括：第一光纤激光振荡器、第二光纤激光振荡器、光纤分束器、第一延时线、第二延时线、第三延时线、第四延时线、发射天线、第一抛物面镜、第二抛物面镜、原子力显微镜、接收天线、处理器、同步锁相环、第一能量调节模块、第二能量调节模块、第一反射镜和第二反射镜；第一光纤激光振荡器用于输出波长为第一预设值的激光，第一光纤激光振荡器具有两个激光出口分别用于输出第一激光和第二激光，第一激光经过光纤分束器分束为发射激光和接收激光，发射激光经过第一延时线处理后输入发射天线后产生太赫兹波，太赫兹波经第一抛物面镜聚焦至原子力显微镜的原子力探针针尖部分产生散射的太赫兹近场信号，太赫兹近场信号经第二抛物面镜聚焦后准直射出至接收天线，接收激光经过第二延时线处理后射入接收天线，太赫兹近场信号和接收激光作用于接收天线产生电信号，电信号传输至处理器中处理后获得样品的太赫兹近场光谱图像；第二激光经过第三延时线处理后输入第一能量调节模块，第三延时线用于补偿第二激光与太赫兹光路的光程差，第一能量调节模块用于对第二激光的脉冲能量进行调节，第一反射镜用于将能量调节后的第二激光向原子力探针针尖部分反射；第二光纤激光振荡器用于输出波长可调且位于第一预设范围的激光，第二光纤激光振荡器输出的第三激光经过第四延时线处理后输入第二能量调节模块，第四延时线用于补偿第三激光与太赫兹光路的光程差，第二能量调节模块用于对第三激光的脉冲能量进行调节，第二反射镜用于将能量调节后的第三激光向原子力探针针尖部分反射；同步锁相环用于控制第一光纤激光振荡器和第二光纤激光振荡器同步输出。2.根据权利要求1所述的可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，第一反射镜为可翻折反射镜。3.根据权利要求2所述的可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，第一反射镜翻折前的反射光路与第二反射镜的反射光路重合，第一反射镜翻折后第一反射镜位于第二反射镜的反射光路外。4.根据权利要求1所述的可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，第二延时线为直线电机延时线，用于通过调节接收光路光程实现与发射光路的光程补偿，以及用于近场解调成像。5.根据权利要求1所述的可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，第一延时线为步进电机补偿延时线，用于调节发射天线与接收天线之间的间距。6.根据权利要求1所述的可调谐泵浦的太赫兹宽频近场成像成谱装置，其特征在于，第一能量调节模块和第二能量调节模块结构相同均包括：半波片、第一布儒斯特反射镜、第二布儒...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐福，胡旻，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：