(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210861882.5 (22)申请日 2022.07.21 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 吴晓君　才家华　熊虹婷　 (74)专利代理 机构 北京天汇航智知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11987 专利代理师 高永 (51)Int.Cl. G01N 21/3586(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种太赫兹二维光谱系统及非线性分析方 法 (57)摘要 本发明涉及一种太赫兹二维光谱系统及非 线性分析方法， 属于太赫兹光谱技术领域， 解决 了现有技术中太赫兹光谱系统功能单一、 产生的 太赫兹脉冲的强度不能控制且强度低的问题。 本 发明的太赫兹二维光谱系统利用两个延时模块， 能够产生两个具有可控时间延时的强场太赫兹 脉冲， 可以分析激发 ‑探测二维光谱中的频率非 线性信息， 可用于材料的电子和振动激发等； 另 外， 将第二分束镜和合束镜可拆装的设置， 可产 生多条光路传输方式， 使得系统多功能性强， 且 转变简单易操作。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115236026 A 2022.10.25 CN 115236026 A 1.一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 包括飞秒激光器、 第一分束镜、 第 二分束镜、 第一反射镜、 第一延时模块、 合束镜、 斩波器、 连续衰减片、 铌酸锂倾斜波前太赫兹模块、 第 三反射镜、 第一离轴抛物面镜、 第二离轴抛物 面镜、 样品架、 第三离轴抛物面镜、 第四离轴抛 物面镜、 碲化锌晶体、 第二延时模块、 第二二分之一玻片、 第一凸透镜、 第二凸透镜、 四分之 一玻片、 沃拉斯顿棱镜、 平衡探测器和锁相放大器； 其中， 第二分束镜和合束镜可拆装的设 置， 用于产生多条光路传输方式； 飞秒激光器用于产生飞秒激光； 第一分束镜设置于飞秒激光的光路上， 用于将飞秒激光分为第一泵浦光束和探测光 束； 第二分束镜设置于第 一泵浦光束的光路上， 用于将第 一泵浦光束分为光强等强的第 二 泵浦光束和第三泵浦光束； 第二分束镜分束的第 二泵浦光的光路与合束镜之间设置第 一延时模块； 第 二分束镜分 束的第三泵浦光的光路与合束镜之 间设置第一反射镜； 第二泵浦光束 经第一延时模块入射 合束镜， 第三泵浦光束经第一反射镜入射 合束镜； 第一延时模块， 用于调整第 二泵浦光束的光程或者第 二泵浦光束与第 三泵浦光束之间 的相对时间延时以此控制第二泵浦光束与第三泵浦光束的时间延迟； 斩波器和连续衰减片依次设置于合束镜的出射端； 斩波器用于控制光束脉冲的重复频 率； 连续衰减片用于控制光束的强度； 铌酸锂倾斜波前太赫兹模块设置于连续衰减片的出射端和第 一离轴抛物面镜之间， 用 于将第二泵浦光束和/或第三泵浦光束转 化为第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲； 第三反射镜、 第 一离轴抛物面镜、 第二离轴抛物面镜、 样品架、 第三离轴抛物面镜、 第四 离轴抛物面镜和碲化锌晶体依次设置于铌酸锂倾斜波 前太赫兹模块的出射端； 铌酸锂倾斜 波前太赫兹模块出射的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲经第三反射镜入射至第一离 轴抛物面镜后经第二离轴抛物面镜聚焦于第二离轴抛物面镜的焦点处； 在样品架上放置样 品， 调整样品架的位置使样品位于第二离轴 抛物面镜的焦点处， 同时使得从样品透射的第 一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲发散后再经第三离轴抛物面镜和 第四离轴抛物面镜聚 焦于碲化锌晶体； 第二延时模块设置于探测光束的光路上， 第 一分束镜和第 二延时模块之间设置有第 一 反射镜， 用以调整探测光束的光 程后出射探测光束； 第二二分之一玻片和第 一凸透镜依次设置于第 二延时模块和第四离轴抛物面镜之间； 第二二分之一玻片和第二延时模块之间设置有第一反射镜； 第一凸透镜设置于第 二二分之一玻片和第四离轴抛物面镜之间； 第四离轴抛物面镜上 设置有小孔， 探测光束经第一凸透镜从第四离轴抛物面镜上的小孔穿过并被聚焦于碲化锌 晶体； 第二凸透镜、 四分之一玻片、 沃拉斯顿棱镜和平衡探测器依次设置于碲化锌晶体的出 射端； 锁相放大器与平衡探测器和斩波器电连接， 用以从平衡探测器中提取与斩波器重复频 率相同的第一太赫兹脉冲和/或第二太赫兹脉冲信号， 并送至计算机处 理。 2.根据权利要求1所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 铌酸锂倾斜波前太赫权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115236026 A 2兹模块包括反射 光栅、 第二反射镜、 第一 二分之一玻片、 成像系统和铌酸锂晶体。 3.根据权利要求2所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 成像系统包括第 一透 镜和第二透镜， 第一透镜和第二透镜分别设置于第一二分之一玻片的光入射端和光出射 端， 用于将光束成像为两倍缩小的像并正入射到铌酸锂晶体。 4.根据权利要求2所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 铌酸锂晶体为三棱柱 状， 横截面 为等腰三角形。 5.根据权利要求1 ‑4任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 铌酸锂倾斜 波前太赫兹模块设置有两组。 6.根据权利要求1 ‑3任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 还包括换镜 装置， 第二分束镜和 合束镜上均设置有换镜装置， 换镜装置可拆装的设置于太赫兹二维光 谱系统。 7.根据权利要求1 ‑3任一项所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 还包括第一 挡光板， 合束镜包括第一出射端和第二出射端； 第一挡光板设置于合束镜的第二出射端， 用 于遮挡第二泵浦光束和/或第三泵浦光束经合束镜后不再使用的光束。 8.根据权利要求1 ‑3任一所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 还包括第二挡 光板， 第二挡光板设置于第二分束镜分束的第二泵浦光束的光路与合束镜之间和/或第二 分束镜分束的第三泵浦光束的光路与合束镜之间。 9.根据权利要求1 ‑3任一所述的一种太赫兹二维光谱系统， 其特征在于， 第 一延时模块 包括平移台和第四反射镜； 第二延时模块包括平 移台和第五反射镜 。 10.一种太赫兹二维光谱非线性分析方法， 采用所述权利要求1 ‑9任一项的太赫兹二维 光谱系统， 具体包括以下步骤： S1、 飞秒激光器发射飞秒激光， 飞秒激光由第一分束镜分束为第一泵浦光束和探测光 束； 第一泵浦光束由第二分束镜分束为第二泵浦光束和第三泵浦光束； 第二泵浦光束经第 一延时模块 射至合束镜， 第三泵浦光束经第一反射镜射至合束镜； S2、 挡住第三泵浦光束， 此时只有第二泵浦光束入射至合束镜， 铌酸锂倾斜波前太赫兹 模块只产生第一太赫兹脉冲； 由第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变第二泵浦光束 的光程， 第二延时模块以步长0.01mm的步进距离 改变探测光束的光程， 测量得到多个第一 太赫兹脉冲的波形Mi， 其中i为1～n的正整数； S3、 挡住第二泵浦光束， 当只有第三泵浦光束入射至合束镜时， 铌酸锂倾斜波前太赫兹 模块只产生第二太赫兹脉冲， 第二延时模块以步长0.01mm的步进距离改变探测光束的光 程， 测量得到一个第二太赫兹脉冲的波形N； S4、 当第二泵浦光束和第三泵浦光束都入射传播至合束镜时， 铌酸锂倾斜波前太赫兹 模块产生第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲； 第一延时模块以步长0.01mm的步进距离改变 第二泵浦 光束的光程， 且第一延时模块移动的起点和终点与步骤S2中第一延时模块移动的 起点和终点相同， 第二延时模块以步长0.01mm的步进距离 改变探测光束的光程， 测量得到 多个第一太赫兹脉冲和第二太赫兹脉冲都存在的波形MjN， 其中j为1～n的正整数， 且i ＝j； S5、 将波形Mi与波形N的数值相加， 得到的波形记为Mi+N， 将Mi+N与波形MjN的数值相减， 即： Mi+N‑MjN， 记为SNLij， 其中， i＝j； 以第二延时模块的延迟时间为x轴， 以第一延时模块的 延迟时间为y轴， 以每 个SNLij波形的数值大小为 值， 组成时域 二维数组， 记为TNL；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115236026 A 3