[發(fā)明專利]用于使用太赫頻率范圍的輻射來分析樣品的設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201180009472.8
• 申請(qǐng)日: 2011-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN102762973A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: L·特里波迪;J·戈梅里瓦斯;U·R·R·普法伊費(fèi)爾;P·G·哈林玻利瓦爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/35
• 分類號(hào): G01N21/35;G01N21/55;G02B6/122
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 舒雄文;蹇煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于使用太赫頻率范圍的輻射來分析樣品的設(shè)備。

背景技術(shù)

分光設(shè)備現(xiàn)今廣泛用于商業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中以標(biāo)識(shí)和分析不同種類的物質(zhì)。在典型的分光設(shè)備中，探針信號(hào)被發(fā)射至樣品，并且然后分析信號(hào)的反射或透射的部分以捕獲測(cè)試的物質(zhì)的特征頻譜。探針信號(hào)通常是紅外、可見光或微波頻率范圍的電磁輻射，但是也能夠使用電子或光子。探針信號(hào)的選擇涉及將被研究的材料性質(zhì)。

最近，由于太赫（THz）輻射（位于電磁頻譜的微波和紅外光之間的范圍）的可能的寬范圍的科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用，其引起了科學(xué)和工程團(tuán)體的興趣。數(shù)個(gè)分子的振動(dòng)模式位于頻譜的此部分且水非常容易阻擋具有那些頻率的電磁波的事實(shí)使得THz輻射成為研究利用紅外探針信號(hào)或其它類型的探針信號(hào)通常不易取得的材料性質(zhì)的合適的探針。

涉及探測(cè)并生成THz信號(hào)的可能性的技術(shù)困難已經(jīng)長時(shí)間阻礙了完整的（complete）THz分光計(jì)的研發(fā)，但是現(xiàn)在世界上數(shù)個(gè)小組已經(jīng)證明了以該方式使用THz輻射的可能性，并且甚至數(shù)個(gè)商業(yè)THz成像和分光設(shè)備是可得到的。

最新THz分光設(shè)備基于能夠生成短光脈沖來激發(fā)砷化鎵THz發(fā)射體的飛秒激光源。生成的THz輻射被朝向樣品發(fā)射，并且然后再次使用激光脈沖來對(duì)透射或反射的信號(hào)進(jìn)行采樣。圖1和圖2中分別示出了根據(jù)此原理操作的透射（圖1）和反射（圖2）分光計(jì)的示意圖。圖1示出了飛秒激光器200、掃描光學(xué)延遲線201、太赫發(fā)射器202、多個(gè)拋物柱面鏡203、樣品204、太赫探測(cè)器205、電流前置放大器206、以及A/D轉(zhuǎn)換器和DSP（數(shù)字信號(hào)處理）單元207。圖2示出了反射幾何結(jié)構(gòu)中的類似布置。此類型的設(shè)備描述于US6747736中。

執(zhí)行該頻帶中的分光術(shù)的其它設(shè)備使用返波振蕩器（BWO）。

兩種方案均基于分離的且笨重的部件。BWO被認(rèn)為在感興趣的頻率范圍是非常低效的，并且飛秒激光器保持非常笨重和昂貴。

在“All-electronic?terahertz?spectroscopy?device?with?terahertz?free-space?pulses”（J.S.Bostak等，J.Opt.Soc.Am.B,11,No.12,1994年12月）中描述的對(duì)該問題的不同途徑使用用于非常短的脈沖的生成的非線性傳輸線，該脈沖的頻譜含量達(dá)到THz的范圍。圖3中示出了該全電子分光設(shè)備的示意圖。作為上述設(shè)備，此電子THz分光計(jì)也基于分離的且從而相當(dāng)笨重的部件。在6.0GHz的信號(hào)由外部合成器100生成并且在到達(dá)與天線集成的非線性傳輸線106之前由30dBm放大器放大。在6.0GHz的源信號(hào)由非線性傳輸線106壓縮為THz脈沖并由天線發(fā)射。束由硅透鏡收集和聚焦并且由外部拋物面鏡108再次聚焦。類似的布置存在于接收器側(cè)（包括另一外部拋物面鏡108），其中探測(cè)器包括全電子兩-二極管采樣器，該采樣器由來自另一外部合成器101的由30dBm放大器104放大的且由非線性傳輸線107壓縮的信號(hào)和待采樣的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。以此方式生成的IF信號(hào)（中間頻率信號(hào)）被（低噪聲放大器110）放大并且在外部?jī)x器109（其例如能夠由頻譜分析器或振蕩器形成）上可視化。設(shè)置混頻器105來輸出觸發(fā)信號(hào)至外部?jī)x器109。由外部合成器100至其它外部合成器101設(shè)置用于鎖相的10MHz的參考時(shí)鐘102。在引用的參考文獻(xiàn)中描述了此設(shè)備的機(jī)能。對(duì)于以上描述的途徑（基于激光器的一途徑和基于返波振蕩器的另一途徑），此設(shè)備也基于數(shù)個(gè)分離的部件并利用兩個(gè)或三個(gè)外部測(cè)量?jī)x器。結(jié)果，其不適合于普遍的、低成本商業(yè)應(yīng)用。

根據(jù)JP?2007-078621，使用表面等離子體共振來獲取關(guān)于電導(dǎo)體部分附近的試樣的信息的感測(cè)設(shè)備是已知的。激光用于生成和耦合包括THz頻率區(qū)域的電磁波并將電磁波耦合至電導(dǎo)體部分。

根據(jù)WO?2008/105888，包括輻射源和鄰近輻射源安置的集成感測(cè)探針的感測(cè)系統(tǒng)是已知的。輻射源是例如太赫輻射源。集成感測(cè)探針包括基底、波紋反射表面和具有同軸波導(dǎo)尖端的同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過將輻射耦合至表面等離子體偏振子，波紋反射器表面用于增強(qiáng)輻射通過尖端的透射率。能夠包括收集光學(xué)器件的探測(cè)系統(tǒng)在部分透明樣品基底的情況下能夠安置在樣品以下，或在樣品旁邊以測(cè)量散射信號(hào)，或在基底側(cè)上的樣品以上以測(cè)量反射輻射，或其能夠耦合至波導(dǎo)尖端以上的共振器以借助于波導(dǎo)尖端測(cè)量共振的失調(diào)。