CN100526856C - 基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置及方法。检测装置包括：飞秒激光器、分束器、光学延迟装置、反射镜、聚焦透镜、光电导天线型太赫兹发射器、聚乙烯透镜、起偏器、碲化锌电光晶体、锁相放大器、高功率放大器和数据采集与处理系统。本发明利用聚乙烯透镜将太赫兹波准直为平行光束，透过纸页后再用聚乙烯透镜将其聚焦到太赫兹探测器上。本发明提出的纸页定量检测方法首先建立纸页定量检测数学模型，然后分别测量太赫兹波透过空气和透过纸页的时域信号，提取延迟时间，应用建立的数学模型计算纸页定量值。本发明测量精度高，抗干扰能力强，受多重反射影响小，使用安全，可以用于造纸领域精确的纸页定量检测中。

Description

基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置及方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术应用领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置及方法。

背景技术

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：(1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到幅度和相位信息。(2)太赫兹辐射对陶瓷、塑料、干木片等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量控制。(3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测。(4)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰。(5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。

纸页定量是指单位面积纸的重量，是衡量纸机性能和质量的重要指标。准确控制纸页定量可以极大地提高经济效益。目前国内外普遍采用β射线衰减技术进行纸页定量的测量，利用穿过纸页或从纸页反射的β射线的减弱原理，基于比尔指数衰减定律进行纸页定量检测。这种方法是利用β射线的幅度信息进行纸页定量检测，容易受散射及漫反射的影响，而且用于产生β射线的大部分射线源对人体有害，存在放射性污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置及方法。

基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置中的飞秒激光器发出的飞秒激光被分束器分成两束，其中一束激光经第一反射镜、光学延迟线和第二反射镜后被聚焦透镜聚焦到光导天线型太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波被第一聚乙烯透镜准直为平行光束照射到待测纸样上，透过待测纸样后被第二聚乙烯透镜聚焦，被ITO导电玻璃反射到碲化锌电光晶体上；另外一束激光经第三反射镜、第四反射镜和起偏器后透射过ITO导电玻璃与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体上；从碲化锌电光晶体透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片后被渥拉斯顿棱镜分成偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器上；平衡探测器的输出信号经锁相放大器后被输入数据处理计算机进行进一步数据处理；锁相放大器输出信号经高功率放大器放大后为光导天线型太赫兹发射器提供偏置电压；数据处理计算机通过光学延迟线控制装置控制光学延迟线。

基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置中的光导天线型太赫兹发射器包括GaAs基底、金属偶极天线、电极导线以及超半球硅透镜，高功率放大器输出的信号经电极导线为光导天线型太赫兹发射器提供正弦型偏置电压，从GaAs基底表面出射的太赫兹脉冲被超半球硅透镜耦合到自由空间。

基于太赫兹时域光谱系统的纸页定量值检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)使用权利要求1所述检测装置测量太赫兹波透过空气的时域波形作为参考信号，将与待测纸样成分和密度相同的不同厚度的标准纸样置于第一聚乙烯透镜与第二聚乙烯透镜之间分别测得其太赫兹时域波形，求出不同厚度的标准纸样的太赫兹时域信号相对于参考信号的延迟时间Δt，建立与待测纸样成分和密度相同的纸页的定量检测数学模型，即B＝M×Δt，其中B为纸页定量值，Δt为延迟时间，M为拟合曲线的斜率，对于成分和密度相同的纸页为常数；

相关运算的公式为： $C(\mathrm{\τ},T)={\∫}_0^T[R\left(t\right)\·W_T\left(t\right)]\·[S(t+\mathrm{\τ})\·W_T(t+\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}$

R(t)——太赫兹波透过空气后的时域信号，即参考信号；

S(t)——太赫兹波透过纸样后的时域信号；

τ——延迟时间；

W_T(t)——窗口函数，窗口函数的中心在T/2，在窗口内W_T(t)取1，其余值取零。公式左边式C(τ，T)取得最大值时对应的τ即为相应的延迟时间。

2)将待测纸样置于第一聚乙烯透镜与第二聚乙烯透镜之间测得其太赫兹时域波形，利用相关运算公式计算得到待测纸样的太赫兹时域波形相对于参考波形的延迟时间τ；利用步骤1)得到的数学模型计算得到纸页定量B＝M×τ。

本发明的优点在于：

1)太赫兹波能够穿透不同成分和厚度的各种纸页，适用于各种规格纸的定量检测；

2)太赫兹波时域光谱中的取样测量技术能够有效抑制背景噪声，因此测量信号的信噪比很高；

3)本发明应用太赫兹波的时间延迟信息，避免了多重反射的影响，利用建立的数学模型可以快速准确的测量纸页定量值；

4)此外本发明应用的太赫兹波能量低，装置使用安全，不会对人体造成任何辐射威胁，不存在放射性污染。

附图说明

图1是基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置的结构示意图；

图2(a)是光电导型太赫兹发射器的结构正视图；

图2(b)是光电导型太赫兹发射器的结构侧视图；

图3是太赫兹波参考信号与太赫兹波分别透过1、2、3张70g/m²规格的书写纸后得到的太赫兹时域波形的变化示意图；

图4是分别为70、80和100g/m²规格的书写纸的厚度(正比于纸页定量值)与其太赫兹波延迟时间的关系图；

图5是分别为130、160、180和200g/m²规格的书写纸的厚度(正比于纸页定量值)与其太赫兹波延迟时间的关系图；

图中：飞秒激光器1、分束器2、光学延迟装置3、光学延迟线3—1、光学延迟线控制器3—2、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、起偏器8、聚焦透镜9、光导天线型太赫兹发射器10、第一聚乙烯透镜11、待测纸样12、第二聚乙烯透镜13、ITO导电玻璃14、碲化锌电光晶体15、数据采集及处理系统16、四分之一波片16—1、渥拉斯顿棱镜16—1、平衡探测器16—3、锁相放大器16—4、数据处理计算机16—5、高功率放大器17、GaAs基底18、金属偶极天线19、电极导线20、超半球硅透镜21。

具体实施方式

如图1所示，基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置中的飞秒激光器1发出的飞秒激光被分束器2分成两束，其中一束激光经第一反射镜4、光学延迟线3—1和第二反射镜5后被聚焦透镜9聚焦到光导天线型太赫兹发射器10上产生太赫兹波，产生的太赫兹波被第一聚乙烯透镜11准直为平行光束照射到待测纸样12上，透过待测纸样12后被第二聚乙烯透镜13聚焦，被ITO导电玻璃14反射到碲化锌电光晶体15上；另外一束激光经第三反射镜6、第四反射镜7和起偏器8后透射过ITO导电玻璃14与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体15上；从碲化锌电光晶体15透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片16—1后被渥拉斯顿棱镜16—2分成偏振方向垂直的两束激光分别照射到平衡探测器16—3上；平衡探测器16—3的输出信号经锁相放大器16—4后被输入数据处理计算机16—5进行进一步数据处理；锁相放大器16—4输出信号经高功率放大器17放大后为光导天线型太赫兹发射器10提供偏置电压；数据处理计算机16—5通过光学延迟线控制装置3—2控制光学延迟线3—1。

如图2所示，基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置中的光导天线型太赫兹发射器10包括GaAs基底18、金属偶极天线19、电极导线20以及超半球硅透镜21，高功率放大器17输出的信号经电极导线20为光导天线型太赫兹发射器10提供正弦型偏置电压，而且其交流特性可以代替斩波器对产生太赫兹波的激光进行调制，简化了装置的光路设置。金属偶极天线19上施加偏置电压后，在金属偶极天线19的两个电极之间形成一个电容器结构，并储存了静电势。当飞秒激光束照射到金属偶极天线19的电极的间隙中时，将会在GaAs基底18表面产生瞬生的自由载流子，这些光生载流子会在偏置电场中加速运动，并将储存的静电势以太赫兹波电磁脉冲的形式释放出来，从GaAs基底18表面出射的太赫兹脉冲被超半球硅透镜21耦合到自由空间中。

碲化锌电光晶体15基于电光取样原理探测太赫兹波，线偏振的探测激光与太赫兹波辐射共线地通过具有电光效应的碲化锌晶体15时，太赫兹辐射的电场改变晶体的折射系数，从而使得其具有双折射性质，因此线偏振的探测光经过碲化锌晶体后偏振度受到碲化锌晶体的调制。从碲化锌晶体15出射的探测激光经过四分之一波片16-1后转化为椭圆偏振光，椭圆偏振光被渥拉斯顿棱镜16-2分为偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器16-3上。在没有太赫兹电场时，这两个偏振分量是平衡的，平衡探测器16-3输出为零；有太赫兹波存在时，太赫兹电场会引起探测光的相位延迟，从而破坏平衡，使平衡探测器16-3输出不为零。探测激光和太赫兹辐射均具有脉冲形式，而且探测光的脉冲宽度远小于太赫兹脉冲的振荡周期，利用光学延迟装置3改变探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间关系，就可以利用探测脉冲的偏振变化将太赫兹辐射的时间波形描述出来。

本发明的原理：

太赫兹波透过纸页时，随纸页成分和厚度变化其幅度和相位将发生相应的变化。图3所示是太赫兹波参考信号与太赫兹波分别透过1、2、3张70g/m²规格的书写纸后得到的太赫兹时域波形的变化示意图。由于纸页厚度较小，太赫兹波与纸页作用时除纸页对太赫兹波的吸收之外还受多重反射的影响，因此利用太赫兹波的幅度信息重建纸页厚度效果不好。而太赫兹波峰值的延迟时间受多重反射影响小，峰值处延迟时间的变化仅与待测纸页在太赫兹波段的折射率和厚度有关，同种成分的纸在太赫兹波段的折射率可以视为常数，因此对同种成分的纸页太赫兹波峰值的延迟时间仅受纸页厚度，即纸页定量的影响。

基于太赫兹时域光谱系统的纸页定量值检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)利用基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置测量太赫兹波透过空气的时域波形作为参考信号R(t)，将与待测纸样12成分和密度相同的厚度分别为d_i的标准纸样置于第一聚乙烯透镜11与第二聚乙烯透镜13之间分别测得其太赫兹时域波形S_i(t)，其中(i＝0～n)。应用相关运算得到S_i(t)与R(t)的延迟时间

$C(\mathrm{\τ},T)={\∫}_0^T[R\left(t\right)\·W_T\left(t\right)]\·[S_i(t+\mathrm{\τ})\·W_T(t+\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}---\left(1\right)$

R(t)——太赫兹波透过空气后的时域信号，即参考信号；

S_i(t)——太赫兹波透过厚度为d_i纸页后的时域信号；

τ——延迟时间；

W_T(t)——窗口函数，窗口函数的中心在T/2，在窗口内W_T(t)取1，其余值取零。公式(1)的左边式C(τ，T)取得最大值时对应的τ即为相应的延迟时间。此外应用窗口函数还可以减小计算量，因为我们仅需要提取峰值处的延迟时间值，所以只要将峰值信息包含在内，可以适当调整窗口的宽度，从而降低计算量。

利用上述方法计算得到厚度d_i(i＝0～n)的纸对应的时间延迟Δt_i(i＝0～n)。然后利用基于最小二乘的线性回归方法求得d与Δt之间的关系

d＝A×Δt             (2)

式中A仅与所研究纸页在太赫兹波段的折射率有关，对相同成分的纸可以视为常数，如图4和图5所示分别为几种不同厚度纸的纸页厚度与太赫兹波延迟时间间的关系。同种规格纸的密度ρ可以视为常数，纸页定量值B与厚度d的关系如下

B＝ρd                (3)

将(2)式带入(3)式可以得到纸页定量B与延迟时间Δt的关系

B＝M×Δt            (4)

式中斜率M＝Aρ与纸页在太赫兹波段的折射率以及纸页密度有关，因此对成分和密度相同的纸M为常数。

2)将待测纸样置于第一聚乙烯透镜11与第二聚乙烯透镜13之间测得其太赫兹时域波形，利用相关运算公式计算得到待测纸样的太赫兹时域波形相对参考波形的延迟时间τ；利用步骤1)得到的数学模型计算得到纸页定量B＝M×τ。

Claims (3)

1.一种基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置，其特征在于，飞秒激光器(1)发出的飞秒激光被分束器(2)分成两束，其中一束激光经第一反射镜(4)、光学延迟线(3—1)和第二反射镜(5)后被聚焦透镜(9)聚焦到光导天线型太赫兹发射器(10)上产生太赫兹波，产生的太赫兹波被第一聚乙烯透镜(11)准直为平行光束照射到待测纸样(12)上，透过待测纸样(12)后被第二聚乙烯透镜(13)聚焦，被ITO导电玻璃(14)反射到碲化锌电光晶体(15)上；另外一束激光经第三反射镜(6)、第四反射镜(7)和起偏器(8)后透射过ITO导电玻璃(14)与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体(15)上；从碲化锌电光晶体(15)透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片(16—1)后被渥拉斯顿棱镜(16—2)分成偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器(16—3)上；平衡探测器(16—3)的输出信号经锁相放大器(16—4)后被输入数据处理计算机(16—5)进行进一步数据处理；锁相放大器(16—4)输出信号经高功率放大器(17)放大后为光导天线型太赫兹发射器(10)提供偏置电压；数据处理计算机(16—5)通过光学延迟线控制装置(3—2)控制光学延迟线(3—1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹时域光谱技术的纸页定量检测装置，其特征在于所述的光导天线型太赫兹发射器(10)包括GaAs基底(18)、金属偶极天线(19)、电极导线(20)、超半球硅透镜(21)，高功率放大器输出的信号经电极导线(20)为光导天线型太赫兹发射器(10)提供正弦型偏置电压，从GaAs基底(18)表面出射的太赫兹脉冲被超半球硅透镜(21)耦合到自由空间。

3.一种使用如权利要求1所述检测装置的基于太赫兹时域光谱系统的纸页定量值检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)使用权利要求1所述检测装置测量太赫兹波透过空气的时域波形作为参考信号，将与待测纸样(12)成分和密度相同的不同厚度的标准纸样置于第一聚乙烯透镜(11)与第二聚乙烯透镜(13)之间分别测得其太赫兹时域波形，利用相关运算公式计算不同厚度的标准纸样的太赫兹时域信号相对于参考信号的延迟时间Δt，建立与待测纸样(12)成分和密度相同的纸页的定量检测数学模型，即B＝M×Δt，其中B为纸页定量值，Δt为延迟时间，M为拟合曲线的斜率，对于成分和密度相同的纸页为常数；

相关运算的公式为： $C(\mathrm{\τ},T)={\∫}_0^T[R\left(t\right)\·W_T\left(t\right)]\·[S(t+\mathrm{\τ})\·W_T(t+\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}$

R(t)——太赫兹波透过空气后的时域信号，即参考信号；

S(t)——太赫兹波透过纸样后的时域信号；

τ——延迟时间；

W_T(t)——窗口函数，窗口函数的中心在T/2，在窗口内W_T(t)取1，其余值取零，公式左边式C(τ，T)取得最大值时对应的τ即为相应的延迟时间；

2)将待测纸样置于第一聚乙烯透镜(11)与第二聚乙烯透镜(13)之间测得其太赫兹时域波形，利用相关运算公式计算得到待测纸样的太赫兹时域波形相对于参考波形的延迟时间τ；利用步骤1)得到的数学模型计算得到纸页定量B＝M×τ。

Images