[发明专利]具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统及方法

权利要求书

1.一种具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述系统包括太赫兹波激发单元和弹光取样检测单元，其中：

所述太赫兹波激发单元由飞秒激光器、分光镜、第一平面反射镜、电光聚合物、抛物面反射镜组构成；

所述弹光取样检测单元由第二平面反射镜、光学延迟线、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、弹光取样传感器、四分之一波片、平衡探测器、锁相放大器、斩波器构成；

所述激光器激发的偏振飞秒激光经分光镜分成两束，一束经第一平面反射镜反射后照射电光聚合物材料，基于光整流效应激发出太赫兹波，太赫兹波经过抛物面反射镜组准直和聚焦后，作为激发光脉冲照射待测试样中，光电场分量对待测试样中空间电荷产生扰动作用从而激发出弹性波，弹性波在介质中传播，被与待测试样紧密耦合的弹光取样传感器接收，在弹性波作用下，弹光取样传感器光学特性发生变化，产生应力双折射效应；另一束光作为探测光，经第二平面反射镜反射、光学延迟线延迟后入射到第三平面反射镜，经第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜反射后入射到弹光取样传感器的另一侧表面，由于弹光取样传感器发生应力双折射效应，探测光入射弹光取样传感器后偏振态发生变化，出射光经四分之一波片后分为两束透射到平衡探测器上，平衡探测器检测两束光光强的变化并转换为电信号后作为测量信号输入锁相放大器，斩波器获取偏振飞秒激光信息后作为参考信号输入锁相放大器。

2.根据权利要求1所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述抛物面反射镜组由上抛物面反射镜和下抛物面反射镜构成。

3.根据权利要求1所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述弹光取样传感器为“三明治”结构，自下而上由衬底、高反射铝膜、弹光材料、ITO玻璃盖板构成。

4.根据权利要求3所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述弹光取样传感器的具体制备方法如下：

（1）将高反射铝膜均匀镀于衬底上；

（2）将弹光材料充分溶解于四氢呋喃溶剂中，混合溶液用滤纸多次过滤，充分去除未溶解的固体材料；

（3）利用旋涂机在镀有高反射铝膜一侧的衬底上均匀旋涂滤后溶液，制备弹光材料薄膜；

（4）极化处理后，用ITO玻璃盖板进行封装。

5.根据权利要求4所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述弹光材料为2,4-二硝基苯胺接枝咔唑聚磷腈。

6.根据权利要求1所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述光学延迟线在0ps~560ps扫描范围内扫描。

7.根据权利要求1所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，其特征在于所述激发光脉冲照射待测试样的入射角θ值设定于0°到90°之间。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述系统进行的具有纳米级分辨率的空间电荷测试方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、将待测试样一侧表面均匀涂抹硅油后与弹光取样传感器紧密贴合，固定于样品室中；

步骤二、设定光学延迟线步进电机步长，得到采样时间间隔和采样频率；

步骤三、启动飞秒激光器，测试开始；

步骤四、光学延迟线在一个扫描范围内进行扫描，探测光对弹性波进行时分辨取样，有效取样点分布在弹性波脉冲的若干个周期内；

步骤五、锁相放大器和斩波器接收并记录来自平衡检测器输出的电信号，获取每个有效取样点上弹性波的振幅和相位信息；

步骤六、将取样信息进行合成，获得弹性波完整时域波形，测试结束。

9.根据权利要求8所述的具有纳米级分辨率的空间电荷测试方法，其特征在于所述采样时间间隔Δt表示为：

，

式中，Δs为延迟线光程，2Δs为探测脉冲光程，c为空气中光传播的速度。