一种用于太赫兹波束整形的准光学系统
阅读说明：本技术 一种用于太赫兹波束整形的准光学系统 (Quasi-optical system for terahertz wave beam shaping ) 是由 朱新勇 王玉建 刘永利 张朝惠 于 2019-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a quasi-optical system for shaping terahertz wave beams, which comprises a flat semiconductor crystal, a hyper-hemispherical silicon lens and an aspheric collimating lens, wherein one surface of the hyper-hemispherical silicon lens is a hyper-hemispherical surface, the other surface of the hyper-hemispherical silicon lens is a plane, the flat semiconductor crystal is fixed on the plane side of the hyper-hemispherical silicon lens, the aspheric collimating lens is arranged on the hyper-hemispherical surface side of the hyper-hemispherical silicon lens, and the flat semiconductor crystal generates collimating terahertz waves under the excitation of femtosecond laser pulses and direct current bias voltage; the generated terahertz waves directly enter the super-hemispherical silicon lens and the aspheric collimating lens and output parallel terahertz beams. The terahertz wave focusing device can also comprise an aspheric focusing lens and a focal plane, and a parallel terahertz wave beam enters the aspheric focusing lens and reaches the position of the test focal plane to generate a focusing terahertz wave. The terahertz signal transmission device reduces the influence of water vapor absorption, improves the system resolution, reduces the proportion of total reflection beams, enables the maximum transmittance to reach 72%, reduces the optical path of an air optical path, and improves the quality of terahertz signals.)
技术领域：
本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域技术领域，具体涉及一种用于太赫兹波束整形的准光学系统。
背景技术：
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。
发明内容
：本发明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，本发明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。
本发明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)。
本发明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(Topas COC)，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发明作进一步说明。
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，光斑直径最小可达3μm。
进一步地，非球面准直透镜采用新型环烯烃共聚物(Topas COC)，COC具有低密度、高折射率(太赫兹波段为1.5258)、高透过率、大的阿贝数、低双折射、极低的吸水率(仅为PMMA、PC的1/10)以及耐热性好、热膨胀系数低、化学性能稳定、机械性能优良等诸多优点，便于成型，且更加稳定可靠，大的阿贝数保证了其在太赫兹波段折射率变化很小，可以有效控制色差，高透过率保证了高频段的低吸收，降低太赫兹波束的高频吸收，增大透过率。
本实施例所述的用于太赫兹波束整形的准光学系统，用于输出准直太赫兹波束。具体为：平板半导体晶体1(通常为LT-GaAs、GaAs、InGaAs)在飞秒激光脉冲和直流偏置电压的激发下产生太赫兹波；产生的太赫兹波直接进入超半球硅透镜2和非球面准直透镜3，输出平行太赫兹波束。
图3是实施例1出射波的波前分析图，由图中可看出其出射波的波前PV值与RMS值均为0，说明其输出的为平面波，准直效果达到设计要求。
实施例2：
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、聚焦透镜4和焦面5，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，将聚焦透镜4置于准直透镜3一侧，准直透镜3和聚焦透镜4凸面相靠近，焦面5置于聚焦透镜4焦点位置，平板半导体晶体1、超半球硅透镜2、准直透镜3和聚焦透镜4的光轴重合。
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，所述聚焦透镜4为非球面聚焦透镜4，非球面准直透镜3和非球面聚焦透镜4凸面为非球面。
进一步地，非球面聚焦透镜和非球面准直透镜3采用新型环烯烃共聚物(TopasCOC)。
进一步地，非球面准直透镜3和非球面聚焦透镜4之间的空气光路距离为L1,L1应在保证装配性前提下尽可能小，以降低水汽吸收影响，综合考虑装配性与高透过率，L1一般选取5-50mm。非球面聚焦透镜4与测试样品/焦面5直接距离L2可根据实际使用场景进行设计，不宜过大，一般不大于100mm，以避免过多的水汽吸收损耗。
本实施例所述的用于太赫兹波束整形的准光学系统，用于输出聚焦太赫兹波束。具体为：平板半导体晶体1(通常为LT-GaAs、GaAs、InGaAs)在飞秒激光脉冲和直流偏置电压的激发下产生太赫兹波；产生的太赫兹波直接进入超半球硅透镜2和非球面准直透镜3，输出平行太赫兹波束；平行太赫兹波束经过空气光路L1后进入非球面聚焦透镜4，经过空气光路L2后到达测试焦面5位置。
下表为实施例1和2中用于太赫兹波束整形的准光学系统设计参数表
图5是实施例2的波前分析图，由图中可看出其像面波前PV值为0.0009λ，RMS值为0.0002λ，光学系统像差已经降低到很小的水平，远远满足使用要求。
图6是实施例2的MTF曲线，MTF曲线可以综合评价光学系统各种像差，由图中可看出MTF曲线接近理想光学系统的衍射极限，满足使用要求。
图7是实施例2的像面光斑图，由图中可以看出光斑直径为2.811μm，显著提升了系统横向分辨率。
本发明之准光学系统可以对称使用，同时调整平板半导体晶体的电路结构，可以用于太赫兹波束的接收。