CN101551273A - 一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，具有频谱分辨率高，测量速度快，测量结果信噪比高的优点，同时可以对样品进行太赫兹波段的扫描成像。该发明基于非线性光学差频原理生成高功率且稳定的太赫兹源，设计合理可行的光学与机械结构，利用计算机进行精准控制，使用高莱探测器对太赫兹波进行双光路测量，最终实现高精度快速自动化测量样品太赫兹波段透射谱和反射谱特性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术，特指一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统。
背景技术
太赫兹波段通常是指频率在0.1THz-10THz(波长3mm-30μm)范围内的电磁波，该波段位于毫米波和红外线之间，近20年来由于激光技术以及电子学外差混频技术的发展使得太赫兹波的产生和探测技术得到快速进步，同时由于太赫兹波本身的独特性能，主要通过使用太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术，使太赫兹技术已广泛应用于物理学、天文学、生物化学、医学、电子通讯等多种学科：如利用生物大分子、DNA等的转动吸收谱位于太赫兹波段的特性来研究得到生化反应中的分子运动信息；利用宇宙中大量存在的太赫兹波段的宇宙背景辐射来进行天文观测；利用太赫兹波的强透射能力和低电离特性进行食品安全检测以及医学辅助成像等；随着研究进展，太赫兹技术将在更多的领域发挥巨大的应用。
为获取样品在太赫兹波段的透射谱和反射谱特性，现有的太赫兹时域光谱系统在使用中有很大的局限性：专利申请号200620025319的“基于光学整流的太赫兹时域光谱仪”，其使用飞秒激光器利用光学整流的方法产生太赫兹脉冲并且进行测量，在使用中的主要问题是：1、测量时间长，整个测量过程中需要不停改变光学延迟线的参数，而调整是通过步进电机的机械调整方式，所花时间太长；2、频谱分辨率受时域采样点数量影响，而时域采样点数量由光学延迟线的最小步长决定，导致频谱分辨率偏低；3、测量结果受激光源功率抖动影响较大。专利申请号200710018042.8的“利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置”，其所使用的可调激光器是半导体型连续光源，虽然经过光纤放大器放大但是功率较小，且主激光器是脉冲型激光器，相差频后产生的太赫兹脉冲峰值功率仍然偏小。
本发明充分考虑实际频谱测量对于功率、频谱分辨率以及测量时间的要求，基于非线性光学差频原理生成高功率且稳定的太赫兹源，设计合理可行的光学与机械结构，利用计算机进行精准控制，使用高莱探测器对太赫兹波进行双光路测量，最终实现高精度快速自动化测量样品太赫兹波段透射谱和反射谱特性的目的。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，解决了时域光谱测量系统的测量时间过长和频谱分辨率过低的问题，同时探测源的高功率显著提高了测量的信噪比从而提高了测量精度，并使用双光路测量的方法消除了功率抖动的影响。
整个太赫兹波谱特性测量系统的技术方案为：
测量样品在太赫兹波段光谱特性的系统原理示意图如图1所示，由主泵浦激光源1、可调谐激光源2、光学延迟线3、近红外衰减片4和7、起偏器5和8、缩束镜6和9、反射镜10、分光棱镜11、非线性差频模块12、太赫兹波准直模块13、滤波片14、分束镜15、透射式样品模块16、反射式样品模块17、远红外衰减片18和19、高莱探测器20和21、电机控制器22、数字示波器23和计算机24组成。计算机、可调谐激光源、电机控制器、电动平台、高莱探测器、数字示波器以电连接方式传递控制和数据信号。非线性差频模块、太赫兹波准直模块、锗滤波片、分束镜、透射式样品模块、反射式样品模块、远红外衰减片、高莱探测器装置封装在隔光并充满干燥氮气的结构内。
主泵浦激光源1、可调谐激光源2的作用是产生合适波长的两差频光束。
光学延迟线3的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的脉冲重叠时间至最佳。
近红外衰减片4和7的作用是调节激光光束的能量。
起偏器5和8的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的偏振方向，其中主泵浦激光源1的偏振方向调整为o光(相对于非线性晶体12.1主光轴)，可调谐激光源2的偏振方向调整为e光(相对于非线性晶体12.1主光轴)。
缩束镜6和9的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的光束直径。
反射镜10的作用是调整主泵浦激光源1的光束方向。
分光棱镜11的作用是将两路激光调整成共线方向。
非线性差频模块12的作用是将两激光光束在非线性晶体12.1中进行光学差频，得到太赫兹波的出射，其中电动平台12.2的作用是调整非线性晶体12.1的光轴方向，使得和入射激光束的夹角满足相位匹配条件，其中使用的非线性晶体12.1是GaSe，其尺寸为10mm×10mm×20mm(xyz，z轴为主光轴)。
太赫兹波准直模块13的作用是准直非线性差频模块12产生的太赫兹波束，使得可以垂直入射样品25。
锗滤波片14的作用是将剩余的两激光光束过滤掉，而将太赫兹波透射。
分束镜15的作用是将太赫兹波分成等功率两路，一路进入透射式样品模块16或者反射式样品模块17，一路进入高莱探测器21进行功率测量，使用双光路测量的方法消除功率抖动影响。
透射式样品模块16的作用是对样品25进行透射谱测量的水平和垂直方向的位置控制。
反射式样品模块17的作用是对样品25进行反射谱测量的水平和垂直方向的位置控制。
远红外衰减片18的作用是调节太赫兹波的能量使得在高莱探测器20的探测范围内。
远红外衰减片19的作用是调节太赫兹波的能量使得在高莱探测器21的探测范围内。
高莱探测器20的作用是测量太赫兹波的功率。
高莱探测器21的作用是测量太赫兹波的功率。
电机控制器22的作用是对非线性差频模块12、太赫兹波准直模块13、透射式样品模块16、反射式样品模块17上的电动平台进行控制。
数字示波器23的作用是将高莱探测器20和高莱探测器21的探测结果进行直接显示以及上传给计算机24。
计算机24的作用是控制整个测量过程并进行科学计算，通过电机控制器22控制电动平台的角度和位移参数，并对数字示波器23测量到的信息进行处理，从而得到样品的透射谱或者反射谱。
由主泵浦激光源1、可调谐激光源2、光学延迟线3、近红外衰减片4和7、起偏器5和8、缩束镜6和9、反射镜10、分光棱镜11、非线性差频模块12实现可调谐太赫兹波的产生；太赫兹波准直模块13、锗滤波片14、分束镜15、透射式样品模块16或反射式样品模块17、远红外衰减片18和19、高莱探测器20和21实现样品太赫兹波段的光谱特性测量；电机控制器22、数字示波器23、计算机24根据测量要求进行系统参数控制，同时对测量结果计算并显示。
本发明的优点是：
1、太赫兹源功率高，测量结果信噪比高，频谱分辨率高；
2、利用计算机控制的自动测量系统，可以对样品进行快速的光谱测量，并可采用重复测量取平均值的方法提高测量精度；
3、使用双光路测量的方法消除了太赫兹功率抖动对于测量结果的影响。
4、充干燥氮气避免了空气中水等对于测量的吸收影响，测量精度提高。
附图说明
图1为系统原理示意图。
图中标号：1为主泵浦激光源、2为可调谐激光源、3为光学延迟线、4为近红外衰减片、5为起偏器、6为缩束镜、7为近红外衰减片、8为起偏器、9为缩束镜、10为反射镜、11为分光棱镜、12为非线性差频模块(12.1为非线性晶体、12.2为电动旋转平台)、13为太赫兹波准直模块(13.1为偏轴抛物面反射镜、13.2为偏轴抛物面反射镜、13.3为电动线性平移台)、14为锗滤波片、15为分束镜、16为透射式样品模块(16.1为电动线性平移台、25为样品)、17为反射式样品模块(17.1为反射镜、17.2为电动线性平移台、25为样品)、18为远红外衰减片、19为远红外衰减片、20为高莱探测器、21为高莱探测器、22为电机控制器、23为数字示波器、24为计算机。图1中粗线为光路，细线为电路。
具体实施方式
结合附图对发明作进一步的描述。
由主泵浦激光源1出射的1064nm波长的脉冲激光依次经光学延迟线3、近红外衰减片4、起偏器5、缩束镜6后，与由主泵浦激光源1出射的355nm波长激光泵浦的可调谐激光源2出射的1050nm-1080nm可调范围的依次经近红外衰减片7、起偏器8、缩束镜9、反射镜10调整后的脉冲激光在分光棱镜11处调整成共线方向，然后通过非线性晶体12.1(电动旋转平台12.2根据计算机指令将非线性晶体12.1光轴方向转至与激光光束为特定夹角)进行光学差频，出射的光束依次通过太赫兹波准直模块13、锗滤波片14、分束镜15分成两路等功率的光束，一路进入透射式样品模块16(透射过样品25)或者进入反射式样品模块17(先在反射镜17.1表面反射，然后在样品25表面反射)，然后经远红外衰减片18进入高莱探测器20进行测量，一路经远红外衰减片19进入高莱探测器21进行测量，两路测量信号传给数字示波器23显示，然后传给计算机24进行软件处理。计算机24给出系统参数指令，改变可调谐激光源2的出射激光波长，通过电机控制器22控制电动旋转台12.2、电动线性平移台13.3、电动线性平移台16.1或者电动线性平移台17.2来改变非线性晶体12.1、抛物面反射镜13.2、样品25的位置参数，然后进行下一次的光谱特性测量。
本发明系统进一步描述如下：
主要器件
a)主泵浦激光器：德国InnoLas公司生产的脉冲Nd:YAG激光器，型号为SpitLight200/10，波长1064nm；
b)可调谐激光器：德国GWU公司生产的OPO激光器，型号为OPOversaScan/120，调谐范围412-2550nm，使用主泵浦激光器的355nm激光进行泵浦；
c)起偏器：美国Newport公司的偏振片，型号为05P309AR.16，其工作波段为960-1160nm；消光比为10000∶1；直径为12.7mm；
d)分光棱镜：Thorlabs公司型号为BS011的宽波段分束棱镜，可用波段为700-1100nm；
e)电动旋转台：德国Owis公司的产品
f)电动线性平移台：德国Owis公司LTM型号
g)分束镜：俄罗斯Tydex公司的THz波段分束镜。
h)高莱探测器：俄罗斯Tydex公司所生产，有效探测口径5mm，光谱范围15-2000μm(0.02-20THz)，响应速率30ms。
Claims (8)
1.一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，由主泵浦激光源(1)、可调谐激光源(2)、光学延迟线(3)、近红外衰减片(4)(7)、起偏器(5)(8)、缩束镜(6)(9)、反射镜(10)、分光棱镜(11)、非线性差频模块(12)、太赫兹波准直模块(13)、锗滤波片(14)、分束镜(15)、透射式样品模块(16)、反射式样品模块(17)、远红外衰减片(18)(19)、高莱探测器(20)(21)、电机控制器(22)、数字示波器(23)和计算机(24)组成，其特征在于：所述的测量系统具有非线性差频模块(12)，可以将主泵浦激光源(1)和可调谐激光源(2)的激光光束在非线性晶体(12.1)中进行差频从而产生高功率的太赫兹波；所述的测量系统具有透射式样品模块(16)和反射式样品模块(17)，可以对样品(25)进行太赫兹波段的透射或者反射特性的测量；所述的测量系统能够根据所要测量频率特性范围自动调整可调谐激光源(2)的波长从而改变太赫兹波的频率；所述的测量系统用分束镜(15)将太赫兹信号分成两路信号，并用高莱探测器(20)(21)同时对两路太赫兹信号进行探测(双光路探测消除功率抖动影响)，用数字示波器(23)显示并将数据传给计算机(24)进行科学计算和数据分析。
2.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的主泵浦激光源(1)是掺铷钇铝石榴石型脉冲激光源，波长固定在1064nm。
3.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的可调谐激光源(2)是光学参量振荡器脉冲型激光源，由主泵浦激光源(1)的三倍频355nm输出激光泵浦，可调谐范围在1050nm至1080nm之间，步长小于0.1nm。
4.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的非线性差频模块(12)由非线性晶体(12.1)、电动旋转台(12.2)组成，非线性晶体(12.1)固定在电动旋转台(12.2)上，通过电动旋转台(12.2)的转动来控制非线性晶体(12.1)与入射激光光束的夹角；所述的非线性晶体(12.1)是GaSe。
5.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的太赫兹波准直模块(13)由两块偏轴抛物面反射镜(13.1)、(13.2)、电动线性平移台(13.3)组成，抛物面反射镜(13.1)位置固定，抛物面反射镜(13.2)固定在电动线性平移台(13.3)上，通过电动线性平移台(13.3)来调整抛物面反射镜(13.2)在水平面上的位置从而保证太赫兹波垂直入射样品(25)；所述的太赫兹波准直模块(13)之后有锗滤波片(14)。
6.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的透射式样品模块(16)由电动线性平移台(16.1)、样品(25)组成，样品(25)固定在电动线性平移台(16.1)上，通过电动线性平移台(16.1)来控制样品(25)在水平面和竖直面上的位置。
7.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的反射式样品模块(17)由反射镜(17.1)、电动线性平移台(17.2)、样品(25)组成，反射镜(17.1)位置固定，样品(25)固定在电动线性平移台(17.2)上，通过电动线性平移台(17.2)来控制样品(25)在水平面和竖直面上的位置。
8.根据权利要求1所述的一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，其特征在于：所述的非线性差频模块(12)、太赫兹波准直模块(13)、锗滤波片(14)、分束镜(15)、透射式样品模块(16)、反射式样品模块(17)、远红外衰减片(18)(19)、高莱探测器(20)(21)和样品(25)都封装在充满干燥氮气的密闭结构内。
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