CN103256893B - 测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及方法，测量仪包括有平移台和夹持台，夹持台上夹持有一矩形测量板；测量板的测量平面与太赫兹时域光谱系统的光束呈垂直方向设置；测量板由至少两片不同大小的矩形测量片固定叠加构成；各测量片的中心对正、相对侧边平行设置。该测量仪利用太赫兹时域光谱系统本身可以测量电磁波相位、振幅的特点进行测量；测量仪放在太赫兹时域光谱系统的载物台上，对光斑位置和大小进行测量，获得的数据与光阑法测量的结果吻合；该测量仪可不需要任何辅助电源和电路，能够对太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小进行检测；该测量仪结构简单、灵敏度和测量精度高、价格低廉，测量方法简单实用。

Description

测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及方法
技术领域
本发明是关于一种光斑测量装置，尤其涉及一种用于测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及其测量方法。
背景技术
对于利用电磁波进行物质和材料分析的仪器，包括光斑直径、中心位置、能量分布在内的光斑特征对前期的测试样品制作和后期的数据分析都具有重大影响。目前，人们已经发展了各种类型的光斑测量装置和测量方法，如：【1】利用扫描电荷耦合器件(CCD)测量一个狭窄的贝塞尔束斑(Measuring a narrow Bessel beam spot by scanning acharge-coupled device(CCD)pixel)，【2】使用的边界衍射波测量的激光束的光斑尺寸的方法(Method for measuring the spot size of a laser beam using aboundary-diffraction wave)。但是，以上的现有测量装置及测量方法中，测量仪器使用CCD制成阵列，并配合复杂的电路进行测量；因此，现有技术存在价格高昂、结构复杂、测量过程繁琐，并需要外接电源等缺陷。太赫兹时域光谱系统本身具有可以直接测量电磁波的相位、振幅等优点，而上述现有技术没有充分利用太赫兹时域光谱系统本身的这些特点。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪及方法，可不需要任何辅助的电源和电子电路，能够对太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小进行检测；并且该测量仪结构简单、灵敏度高、价格低廉，测量方法简单实用。
本发明的目的是这样实现的，一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，所述测量仪包括有平移台和连接在平移台上的夹持台，所述夹持台上夹持有一矩形测量板；所述测量板的测量平面与太赫兹时域光谱系统的光束呈垂直方向设置；所述测量板由至少两片不同大小的矩形测量片固定叠加构成；所述各测量片的中心对正、相对侧边平行设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述测量板由第一测量片和第二测量片叠加构成；所述第一测量片的长宽尺寸小于第二测量片的长宽尺寸。
在本发明的一较佳实施方式中，所述各测量片由聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯或石英材料制成。
在本发明的一较佳实施方式中，所述测量片上设有十字刻度线。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一测量片与第二测量片由粘合剂粘接固定。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一测量片与第二测量片一体成型构成所述测量板。
本发明的目的还可以这样实现，利用上述测量仪测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选择太赫兹时域光谱系统的噪声阈值信号A0；
(2)放置和调整测量仪；
(3)确认测量片的尺寸；
(4)数据测量和汇总；
(5)根据测量数据计算光斑大小；
(6)测定光斑中心位置。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(2)中，根据估计的光斑大小选择适当尺寸的测量片，其中，第一测量片的面积要大于光斑面积；将测量仪放置于太赫兹时域光谱系统的载物台上，测量板的下边缘与载物台的台面平行设置；根据系统的参考光位置，调整平移台的螺旋测微器，使得第一测量片的中心对准参考光，获得双层测量片的时域光谱信号S双，其主峰最大值记为A双，该主峰最大值相对应的时间记为T1；然后，旋转螺旋测微器，使得参考光置于仅有第二测量片的位置，获得单层测量片的时域光谱信号S单，其主峰最大值记为A单，该主峰最大值相对应的时间记为T2。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(3)中，在信号S双中，寻找相对于时间T2处的振幅A双’；如果A双’小于或等于A0，认为第一测量片面积大于光斑面积，则进行后续测量；如果A双’大于A0，则第一测量片面积小于光斑面积，需要重新选择测量片。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(4)中，旋转螺旋测微器，将测量板中第一测量片的左侧边缘与参考光重合，继续旋转螺旋测微器，使测量板水平向左移动，由此使参考光沿着第一测量片的水平中心线由左向右移动；在测量板水平向左移动过程中，测量板由左向右依次设定多个测量位置，记录每个测量位置的时域光谱信号曲线以及相对该位置的螺旋测微器的刻度；其中，第一测量片的左侧边缘位置的时域光谱信号定为SL，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NL；第一测量片的右侧边缘位置的时域光谱信号定为SR，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NR；在第一测量片的左侧边缘位置和右侧边缘位置之间的各测量位置的时域光谱信号定为SI，相对各位置的螺旋测微器的刻度定为NI，I＝1，2，3，4……；记录并汇总各个时域光谱信号SI曲线中相对于时间T1和T2的振幅，分别定为AIT1和AIT2。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(5)中，按照由左向右的顺序，依次比较AIT2与A0的大小，找出第一次AIT2小于等于A0的位置的相对螺旋测微器刻度，记为NP1；找出第一次AIT2大于A0的位置，记录紧邻该位置的左侧测量位置的螺旋测微器刻度，记为NP2；
参考光到所测光斑左侧边缘的距离定为R1；参考光到所测光斑右侧边缘的距离定为R2；所测光斑的直径定为D；
R1＝|NL-NP1|；R2＝|NP2-NR|；则光斑直径D＝R1+R2。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(6)中，所测光斑相对于参考光偏心程度为Q；
Q＝|R1-R2|/2；
其中：当R1＞R2时，为所测光斑相对于参考光左偏Q，当R1＜R2时，为所测光斑相对于参考光右偏Q。
在本发明的一较佳实施方式中，所述多个测量位置的个数根据所需的测量精度和螺旋测微器的分度值而设定。
在本发明的一较佳实施方式中，按照上述测量步骤重复测量一次或多次；在第一次测量过程中的NP1和NP2所对应的测量位置附近，增加测量位置数，或缩短测量位置间隔。
在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(2)中，将测量板围绕其中心顺时针或逆时针旋转一锐角。
由上所述，本发明采用常用材料制作成测量板，通过平移台和夹持台共同组成所述测量仪，该测量仪利用太赫兹时域光谱系统本身可以测量电磁波相位、振幅的特点进行测量；将测量仪放置于太赫兹时域光谱系统的载物台上，对光斑位置和大小进行测量，获得的数据与利用光阑法测量的结果吻合；该测量仪可不需要任何辅助的电源和电子电路，能够对太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小进行检测；并且该测量仪结构简单、灵敏度和测量精度高、价格低廉，测量方法简单实用。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1A：为本发明测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪的立体结构示意图。
图1B：为图1A的主视结构示意图。
图1C：为图1A的俯视结构示意图。
图2：为本发明中测量板的结构示意图。
图3A：为本发明中参考光位于测量片中心时(参考光光束穿过第一测量片和第二测量片)，得到的太赫兹时域光谱系统的时域光谱信号S双曲线。
图3B：为图3A中T＝6-10ps区间内的曲线放大图。
图4：为本发明中参考光位于单层测量片时(参考光光束仅穿过第二测量片)，得到的太赫兹时域光谱系统的时域光谱信号S单曲线。
图5A：为本发明中时域光谱信号SI(I＝17)的曲线图。
图5B：为图5A中T＝6-10ps区间内的曲线放大图。
图6A：为本发明中时域光谱信号SI(I＝29)的曲线图。
图6B：为图6A中T＝6-10ps区间内的曲线放大图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1A、图1B、图1C和图2所示，本发明提出一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪100，所述测量仪100包括有平移台1和连接在平移台1上的夹持台2，所述夹持台2上夹持有一矩形测量板3；所述测量板3的测量平面与太赫兹时域光谱系统的光束呈垂直方向设置；所述测量板3由至少两片不同大小的矩形测量片固定叠加构成；在本实施例中，如图2所示，所述测量板3是由第一测量片31和第二测量片32叠加构成的；所述第一测量片31的长宽尺寸小于第二测量片32的长宽尺寸；所述第一测量片与第二测量片的中心对正、相对侧边平行设置。在本发明中，所述测量片31、32采用对太赫兹波段吸收系数较低的材料制成，例如：聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯或石英材料等；第一测量片31和第二测量片32可以选用相同的材料制成，也可以采用不同的材料制作；在本实施例中，所述第一测量片31和第二测量片32选用聚乙烯材料制作；两个测量片的厚度可以相同，也可以不同。
进一步，在本实施方式中，所述第一测量片31上设有十字刻度线311。
在本实施方式中，所述第一测量片31与第二测量片32可以由粘合剂(如：环氧树脂等)粘接固定；
在本实施方式的另一实施例中，所述第一测量片31与第二测量片32也采用机械压模方式一体成型构成所述测量板。
在本实施方式中，所述测量板3还可以由两片以上不同大小的矩形测量片固定叠加构成。
在本实施方式中，所述平移台1可以采用多向平移台，也可以采用单向平移台；可以采用手动平移台，也可以采用电动平移台。
本发明还提供一种利用上述测量仪测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选择太赫兹时域光谱系统的噪声阈值信号A0；
(2)放置和调整测量仪；
根据估计的所测光斑大小选择适当尺寸的测量片，其中，第一测量片31的面积要大于所测光斑的面积；将测量仪100放置于太赫兹时域光谱系统的载物台(图中未示出)上，测量板3的下边缘与载物台的台面平行设置；根据系统的参考光位置，调整平移台1的螺旋测微器11(如图1A所示)，使得第一测量片31的中心对准参考光，获得双层测量片(此时，参考光光束穿过第一测量片和第二测量片)的时域光谱信号S双，其主峰最大值记为A双，该主峰最大值相对应的时间记为T1(如图3A所示)；然后，旋转螺旋测微器11，使得参考光置于仅有第二测量片32的位置，获得单层测量片(此时，参考光光束仅穿过第二测量片)的时域光谱信号S单，其主峰最大值记为A单，该主峰最大值相对应的时间记为T2(如图4所示)。
(3)确认测量片的尺寸；
在信号S双中，寻找相对于时间T2处的振幅A双’(如图3B所示)；如果A双’小于或等于A0，认为第一测量片31面积大于所测光斑面积(由于A双’小于或等于阈值A0，那么出现在T2位置的振幅认为是噪声，对测量结果不产生影响，证明没有光束从第二测量片(单层位置)透过，也就是说所有的光束都照射在第一测量片上，并从双层位置透过)，则进行后续测量；如果A双’大于A0，则第一测量片31面积小于所测光斑面积，需要重新选择相应测量片或测量板。
(4)数据测量和汇总；
旋转螺旋测微器11，将测量板3中第一测量片31的左侧边缘与参考光重合，继续旋转螺旋测微器11，使测量板3水平向左移动，由此使参考光沿着第一测量片31的水平中心线由左向右移动；在测量板3水平向左移动过程中，测量板3由左向右依次设定多个测量位置，记录每个测量位置的时域光谱信号曲线以及相对该位置的螺旋测微器的刻度；其中，第一测量片31的左侧边缘位置的时域光谱信号定为SL，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NL；第一测量片31的右侧边缘位置的时域光谱信号定为SR，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NR；在第一测量片31的左侧边缘位置和右侧边缘位置之间的各测量位置的时域光谱信号定为SI，相对各位置的螺旋测微器的刻度定为NI，I为1，2，3，4……等等(所述多个测量位置的个数根据所需的测量精度和螺旋测微器的分度值而设定)；在获得每个测量位置的时域光谱信号SI曲线之后，记录并汇总各个时域光谱信号SI曲线中相对于时间T1和T2的振幅，分别定为AIT1和AIT2；将记录和汇总的数据制成表格。
(5)根据测量数据计算光斑大小；
在上述表格中观察AIT2的数据，发现AIT2按照测量顺序先减小再增大(AIT2反映了光照射在第二测量片的面积。在测量板左移的过程中，可以得到光斑照射的位置发生变化，其中照射到单层位置的面积变化过程为由大至小，再由小变大，故相应的AIT2按照测量顺序先减小再增大)；按照由左向右的顺序，依次比较AIT2与A0的大小，找出第一次AIT2小于等于A0的位置的相对螺旋测微器刻度，记为NP1；在本实施例中，如图5A、图5B所示，当I＝17时，获得该测量位置的时域光谱信号S17曲线，在该测量位置上A17T2小于A0，将该位置对应的螺旋测微器刻度记为NP1；然后，找出第一次AIT2大于A0的位置，记录紧邻该位置的左侧测量位置的螺旋测微器刻度，记为NP2；在本实施例中，如图6A、图6B所示，当I＝30时，A30T2大于A0；记录紧邻该位置的左侧测量位置(即：I＝29时)的螺旋测微器刻度，记为NP2。
参考光到所测光斑左侧边缘的距离定为R1；参考光到所测光斑右侧边缘的距离定为R2；所测光斑的直径定为D；
R1＝|NL-NP1|(参考光移动至NP1位置时，光斑左边缘刚好照射至测量板左边缘，那么，则参考光由左边缘移动至NP1位置走过的距离R1＝|NL-NP1|，即为光斑左边缘与参考光的距离)；R2＝|NP2-NR|(参考光移动至NP2位置时，光斑右边缘刚好照射至测量板右边缘，那么，则参考光由NP2位置移动至右边缘走过的距离R2＝|NP2-NR|，即为光斑右边缘与参考光的距离)；则光斑直径D＝R1+R2。
(6)测定光斑中心位置；
所测光斑相对于参考光偏心程度为Q；
Q＝|R1-R2|/2(光斑中心位置距左右边缘相等，参考光距左右边缘不一定相等，参考光与实际光斑中心的距离，即为偏心程度。)；
根据偏心程度Q，可以确定所测光斑中心位置。
其中：当R1＞R2时，为所测光斑相对于参考光左偏Q，当R1＜R2时，为所测光斑相对于参考光右偏Q。
进一步，为了提高测量的准确度，在上述测量过程结束之后，可以按照上述测量步骤重复测量一次或多次；在第一次测量过程中获得NP1和NP2值所对应的测量位置附近，增加测量位置点或缩短测量位置间隔；其他测量步骤与第一次测量时的步骤相同，在此不再赘述。
在本实施方式中，除了上述测量过程之外，还可以在步骤(2)中，将测量板3围绕第一测量片的十字中心顺时针或逆时针旋转一锐角，然后，通过平移台使测量板水平移动，以获得此方向上的光斑特性。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明采用常用材料制作成测量板，通过平移台和夹持台共同组成所述测量仪，该测量仪利用太赫兹时域光谱系统本身可以测量电磁波相位、振幅的特点进行测量；将测量仪放置于太赫兹时域光谱系统的载物台上，对光斑位置和大小进行测量，获得的数据与利用光阑法测量的结果吻合；该测量仪可不需要任何辅助的电源和电子电路，能够对太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小进行检测；并且该测量仪结构简单、灵敏度和测量精度高、价格低廉，测量方法简单实用。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (15)

1.一种测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述测量仪包括有平移台和连接在平移台上的夹持台，所述夹持台上夹持有一矩形测量板；所述测量板的测量平面与太赫兹时域光谱系统的光束呈垂直方向设置；所述测量板由至少两片不同大小的矩形测量片固定叠加构成；所述各测量片的中心对正、相对侧边平行设置。
2.如权利要求1所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述测量板由第一测量片和第二测量片叠加构成；所述第一测量片的长宽尺寸小于第二测量片的长宽尺寸。
3.如权利要求2所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述各测量片由聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯或石英材料制成。
4.如权利要求3所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述测量片上设有十字刻度线。
5.如权利要求3所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述第一测量片与第二测量片由粘合剂粘接固定。
6.如权利要求3所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量仪，其特征在于：所述第一测量片与第二测量片一体成型构成所述测量板。
7.利用上述权利要求1～6任一项测量仪测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选择太赫兹时域光谱系统的噪声阈值信号A0；
(2)放置和调整测量仪；
(3)确认测量片的尺寸；
(4)数据测量和汇总；
(5)根据测量数据计算光斑大小；
(6)测定光斑中心位置。
8.如权利要求7所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(2)中，根据估计的光斑大小选择适当尺寸的测量片，其中，第一测量片的面积要大于光斑面积；将测量仪放置于太赫兹时域光谱系统的载物台上，测量板的下边缘与载物台的台面平行设置；根据系统的参考光位置，调整平移台的螺旋测微器，使得第一测量片的中心对准参考光，获得双层测量片的时域光谱信号S双，其主峰最大值记为A双，该主峰最大值相对应的时间记为T1；然后，旋转螺旋测微器，使得参考光置于仅有第二测量片的位置，获得单层测量片的时域光谱信号S单，其主峰最大值记为A单，该主峰最大值相对应的时间记为T2。
9.如权利要求8所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(3)中，在信号S双中，寻找相对于时间T2处的振幅A双’；如果A双’小于或等于A0，认为第一测量片面积大于光斑面积，则进行后续测量；如果A双’大于A0，则第一测量片面积小于光斑面积，需要重新选择测量片。
10.如权利要求9所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(4)中，旋转螺旋测微器，将测量板中第一测量片的左侧边缘与参考光重合，继续旋转螺旋测微器，使测量板水平向左移动，由此使参考光沿着第一测量片的水平中心线由左向右移动；在测量板水平向左移动过程中，测量板由左向右依次设定多个测量位置，记录每个测量位置的时域光谱信号曲线以及相对该位置的螺旋测微器的刻度；其中，第一测量片的左侧边缘位置的时域光谱信号定为SL，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NL；第一测量片的右侧边缘位置的时域光谱信号定为SR，相对该位置的螺旋测微器的刻度定为NR；在第一测量片的左侧边缘位置和右侧边缘位置之间的各测量位置的时域光谱信号定为SI，相对各位置的螺旋测微器的刻度定为NI，I＝1，2，3，4……；记录并汇总各个时域光谱信号SI曲线中相对于时间T1和T2的振幅，分别定为AIT1和AIT2。
11.如权利要求10所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(5)中，按照由左向右的顺序，依次比较AIT2与A0的大小，找出第一次AIT2小于等于A0的位置的相对螺旋测微器刻度，记为NP1；找出第一次AIT2大于A0的位置，记录紧邻该位置的左侧测量位置的螺旋测微器刻度，记为NP2；
参考光到所测光斑左侧边缘的距离定为R1；参考光到所测光斑右侧边缘的距离定为R2；所测光斑的直径定为D；
R1＝|NL-NP1|；R2＝|NP2-NR|；则光斑直径D＝R1+R2。
12.如权利要求11所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(6)中，所测光斑相对于参考光偏心程度为Q；
Q＝|R1-R2|/2；
其中：当R1＞R2时，为所测光斑相对于参考光左偏Q，当R1＜R2时，为所测光斑相对于参考光右偏Q。
13.如权利要求12所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：所述多个测量位置的个数根据所需的测量精度和螺旋测微器的分度值而设定。
14.如权利要求13所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：按照上述测量步骤重复测量一次或多次；在第一次测量过程中的NP1和NP2所对应的测量位置附近，增加测量位置数，或缩短测量位置间隔。
15.如权利要求13所述的测量太赫兹时域光谱系统光斑位置和大小的测量方法，其特征在于：在步骤(2)中，将测量板围绕其中心顺时针或逆时针旋转一锐角。
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