CN103364363A - 物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法。装置包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、THz发射源、样品测试装置、THz探测器、计算机。本发明提供了一种可以利用同一实验测试装置快速准确地测量并计算出固体薄片、固体粉末及液相物质在太赫兹波段的吸收系数和折射率的太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法。

Description

物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹时域光谱技术应用的领域，尤其涉及一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法。

背景技术

太赫兹(THz)波位于微波和红外辐射之间，其频谱范围在0.1-10THz。90年代初，由于自由电子激光器和超短脉冲激光技术的发展，极大地促进了太赫兹辐射在光谱技术领域的发展。近年来，太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)已经越来越多地应用在氨基酸、糖类以及核酸嘧啶等的定性检测、药物成份的定量检测、医疗健康及危险品安全检测等方面。这是由于绝大数生物大分子的集体振动均处于太赫兹波段，使得太赫兹时域光谱技术不但可以定性的判断物质成分也可以定量测试物质含量。此外，太赫兹波可以穿透塑料、纸张、皮革及木头，因此太赫兹时域光谱技术可以应用在机场人身及包裹等的安全检测中；太赫兹波的能量非常小，因此太赫兹时域光谱技术可以应用于珍贵生物样品、医药及炸药的无损探测。然而，太赫兹时域光谱技术的应用依托于对物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的测试对比分析，通过比较物质在太赫兹波段的吸收系数和折射率，不但可以辨别固相物质，而且可以区分不同的液相物质。这是现阶段医疗和安全检查领域极其欠缺的，也是其它光谱技术无法达到的。如果能够将太赫兹时域光谱技术应用于贴近人们生活的药物生产、医学治疗及机场安全检测等方面，这将对维护人类社会健康及安全具有非常重要的现实意义。

在太赫兹时域光谱技术的实际应用中，首先遇到的问题就是要快速有效地获得物质在太赫兹波段的吸收系数及折射率。简言之，就是需要一套快速有效获得物质太赫兹吸收系数及折射率的方法。目前对固相物质太赫兹谱测试方法涉及得不多，对液相物质的测量更是少之又少，故此，设计合适的样品测试装置及快速计算样品吸收系数及折射率的方法是太赫兹时域光谱技术迈向实际应用的前提及关键步骤。通常，样品测试装置或针对固相物质，或针对液相物质，没有可以同时测试固/液相物质的装置。但在实际应用中，固相薄片（如：药片）、固相粉末（如：炸药及毒品等）及液相物质（如：易燃性液体）不仅需要在同一装置中快速测试，而且需要在测试后快速计算获得物质在太赫兹波段的吸收系数及折射率以便进行物质辨别。因此，合适的快速测试装置和简单的参数提取方法是太赫兹时域光谱技术迈向实际应用必不可少的两大关键。

发明内容

本发明为了解决背景技术中所存在的技术问题，提出了一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置及方法。

本发明的技术方案是：一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特殊之处在于：包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、THz发射源、样品测试装置、THz探测器、计算机；还包括用于盖住凹陷测试圆斑的顶盖；

上述分光器设置在飞秒激光源后方，其分出的一路光进入THz探测器，其分出的另一路光经过光延迟单元后进入THz发射源；

上述样品测试装置放置在THz波的前进光路上；

上述样品测试装置包括圆盘和平移台；

上述圆盘设置在平移台上；

上述圆盘上圆周均布有多个盲孔；

上述THz探测器用于接收穿过样品测试装置的THz波；

上述THz探测器的输出信号送入计算机；

上述圆盘及顶盖的材质为聚四氟乙烯；

上述光学延迟单元包括两块成锐角或钝角放置的单向反射镜；

上述圆盘厚度为4mm；所述顶盖厚度为1mm；所述凹陷测试圆斑深度为3mm。

一种固液相物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取方法，其特殊之处在于：

包括以下步骤：

1】获得参考样品与待测物质在太赫兹波段的振幅及相位信息：

1.1]将测试圆盘固定在平移台上，取适量待测物质放入凹陷测试圆斑内；

1.2]启动平移台，将测试圆盘移至太赫兹波透过位置；然后精确控制平移台，将首个样品测试点移至太赫兹波的焦点位置；设置测试时的扫描次数及分辨率，按顺序在相同时间间隔下依次完成对样品的测试；

1.3]采集数据，得到参考时域信号与样品时域信号，经过快速傅里叶转换，计算出样品E_s与参考E_ref在太赫兹波段频域的振幅和相位信号；

其中，ρ为待测样品与参考的振幅比，

为待测样品与参考信号的相位比；

2】获取待测物质在太赫兹波段折射率机吸收系数；

2.1]根据下式计算待测物质在太赫兹波段折射率：

其中：

n_p表示聚四氟乙烯的折射率，l_s和l_r表示太赫兹波经过参考和样品时的光程。

2.2]根据下式计算待测物质在太赫兹波段的吸收系数：

$\mathrm{\α}\left[{\mathrm{cm}}^{-1}\right]=\frac{{2\mathrm{\ωk}}_s}{c}=\frac{20}{l}1n\left[\frac{n_s{(1+n_p)}^2}{\mathrm{\ρ}{\left(\mathrm{\ω}\right)(n_p+n_s)}^2}\right]$

当样品为固体时，l_s为样品厚度；

当样品为液体时，l_s为测试光程。

本发明的有益效果是：

利用本发明，可以快速有效的得到固/液相物质在太赫兹波段的吸收系数及折射率，为太赫兹时域光谱技术在实际应用的推广创造了可行性。本发明主要包括了物质测试装置及依托于测试装置模型的计算方法。不同于普通的物质测试装置如固体卡槽和液体比色皿等，需要对不同样品更换不同测试装置，本次发明的测试装置对一般的固体薄片、固体粉末和液相物质均适用；测试装置由聚四氟乙烯制成，测试结果可靠性高且成本低廉。在实验测试基础上，依据测试模型，能快速计算出物质在太赫兹波段的吸收系数及折射率。

附图说明

图1是测试装置在光路中的示意图；

图2是样品测试装置的结构示意图；

图3是样品放置装置的剖视图；

图4是太赫兹波在测试装置中的传播示意图。

具体实施方式

参见图1-4，一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、THz发射源、样品测试装置、THz探测器、计算机；分光器设置在飞秒激光源后方，其分出的一路光经过光延迟单元后用于THz脉冲的产生，其分出的另一路光用于THz信号的探测；THz探测信号是在光延迟单元下实现对整个信号的顺序采样扫描；样品测试装置放置在THz波的前进光路上；样品测试装置包括圆盘和平移台；圆盘设置在平移台上；圆盘上圆周均布有多个盲孔；THz探测器用于接收穿过样品测试装置的THz波；THz探测器的输出信号送入计算机；圆盘及顶盖的材质为聚四氟乙烯。光学延迟单元的基本结构可以简化为两块单向反射镜。当一路光经过光束入射方向的反射镜时，改变反射镜的位置（与原位置的差别为

），便能改变光路中采样光与待测信号的相对时间延迟（

），以此实现对整个待测信号的顺序采样扫描。

本发明提出了一种旨在能够快速有效获得物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的方法。该方法通过两大关键因素实现：一是样品测试装置的设计；二是运用专门推导的公式计算物质在太赫兹波段吸收系数及折射率。

图1是测试装置(样品点)在光路中的示意图。其中，样品测试装置的尺寸以实验光路的具体尺寸决定（本设计直径60mm、厚度4mm的圆盘）。

图2是样品测试装置的结构示意图。它是由聚四氟乙烯材料制成的圆盘，在A-A水平面上，沿着圆周设计了N(N=12)个位圆周均布的的圆斑(直径8mm的盲孔)作为样品测试点，即样品放置处。圆盘中心有M6螺纹孔，这是为了方便样品测试装置的平移及固定，本次设计中，选用平移台固定及移动。在剖面A-A图中，每个样品放置点为凹陷圆斑（圆盘厚度4mm，样品放置点深度3mm，每个样品测试点均有1mm的壁厚），这样设计主要为了方便固体粉末和液相物质测试。另外，固体粉末测试时，测试样品可能会由于其不固定性或颗粒大小不均等原因，表面产生凹凸不平现象，这会严重影响测试结果的真实性；而液相物质，由于其流动性，在测试时存在可能发生泄漏；为此，我们专门设计了样品测试点的顶盖（顶端直径10mm、厚度1mm、后端直径8mm的圆柱体，顶盖后端的厚度由测试对象确定）。进行液相物质测试时，采用底盖直径8mm、厚度1mm的顶盖进行密封；进行固相粉末测试时，采用直径8mm、厚度3mm的顶盖压匀固体粉末表面；测试固体薄片时，一般不需要顶盖，如果担心样品滑落，也可利用测试液相物质的顶盖固定样品，具体的，当测试物质为固体薄片时，用镊子将样品直接放置在凹陷圆斑内即可；当测试物质为固体粉末时，用勺子取适量样品放置圆斑内，并用顶盖轻轻压匀，直至样品表面平滑即可；当测试物质为液体时，用滴管提取样品，根据样品极性大小，在凹陷圆斑中适量滴放，为防止液体泄漏和挥发，用顶盖密封即可。

图3是测试装置的立体图。本设计的测试装置是聚四氟乙烯圆盘，周边有N(N=12)个等间距的凹陷圆斑样品测试点，测试点上方为密封顶盖，中心为M6的螺纹孔。

图4是太赫兹波在样品测试器皿的传播示意图。该示意图以本次设计的测试装置为基础，R表示参考信号的测试模型，S表示放置样品时的测试模型。其中，a表示空气介质，p表示聚四氟乙烯，d_p1和d_p2分别表示顶盖和底座厚度，r表示参考，s表示样品。

一般实验中，测试得到的参考时域信号与样品时域信号，经过快速傅里叶转换，获得它们在频域的电场信号E_ref(ω)和E_s(ω)。样品与参考电场在太赫兹波段的比值公式为：

其中，ρ为样品与参考的振幅比，

为样品与参考信号的相位比。

以图4为测试模型，当太赫兹波经过参考和样品时，其电场场强之比为：

$E_s\left(\mathrm{\ω}\right)/E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{t_{\mathrm{ap}}\exp \left(\frac{-j{n}_p{\mathrm{\ωd}}_{p1}}{c}\right)t_{\mathrm{ps}}\exp \left(\frac{-{\mathrm{jn}}_s{\mathrm{\ωl}}_s}{c}\right)t_{\mathrm{sp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}{t_{\mathrm{ap}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p1}}{c}\right)t_{\mathrm{pr}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_r{\mathrm{\ωl}}_r}{c}\right)t_{\mathrm{rp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ω}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}$

其中，n_p表示聚四氟乙烯的折射率，n_r表示参考的折射率为空气的折射率，n_s表示样品的折射率，d_p1和d_p2分别为顶盖和凹陷圆斑底座的厚度，l_s和l_r表示太赫兹波经过参考和样品时的光程，t_ab表示太赫兹波由介质a到介质b的透过系数。

a、测试物质为固体薄片时,没有顶盖（d_p1=0），则有：

$E_s\left(\mathrm{\ω}\right)/E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{t_{\mathrm{as}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_s{\mathrm{\ωl}}_s}{c}\right)t_{\mathrm{sp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}{t_{\mathrm{ar}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_r{\mathrm{\ωl}}_r}{c}\right)t_{\mathrm{rp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}$

$=\frac{t_{\mathrm{as}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_s{\mathrm{\ωl}}_s}{c}\right)t_{\mathrm{sp}}}{t_{\mathrm{ar}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_r{\mathrm{\ωl}}_r}{c}\right)t_{\mathrm{rp}}}$

b、测试物质为液相物质时，需要顶盖密封（d_p1≠0）。其中，当液相物质极性较大时，l_s控制在1mm以下；极性较小时，l_s控制在1mm左右；非极性液相物质l_s基本在1mm以上。具体的，液相物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的计算公式如下：

$E_s\left(\mathrm{\ω}\right)/E_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{t_{\mathrm{ap}}\exp \left(\frac{-j{n}_p{\mathrm{\ωd}}_{p1}}{c}\right)t_{\mathrm{ps}}\exp \left(\frac{-{\mathrm{jn}}_s{\mathrm{\ωl}}_s}{c}\right)t_{\mathrm{sp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}{t_{\mathrm{ap}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ωd}}_{p1}}{c}\right)t_{\mathrm{pr}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_r{\mathrm{\ωl}}_r}{c}\right)t_{\mathrm{rp}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_p{\mathrm{\ω}}_{p2}}{c}\right)t_{\mathrm{pa}}}$

$=\frac{t_{\mathrm{ps}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_s{\mathrm{\ωl}}_s}{c}\right)t_{\mathrm{sp}}}{t_{\mathrm{pr}}\exp \left(\frac{{-\mathrm{jn}}_r{\mathrm{\ωl}}_r}{c}\right)t_{\mathrm{ap}}}$

c、由a和b可见，加顶盖与否，样品与参考在太赫兹波段的电场比不变。由模型可知，l_s=l_r＝l，n_r为实数(参考为空气)，测试样品测折射率为n_s=n_s+jk_s。由测试所得电场比与模型计算，可得：

其中n_r=1，则样品在太赫兹波段的折射率和吸收系数：

样品在太赫兹波段的吸收系数：

$\mathrm{\α}\left[{\mathrm{cm}}^{-1}\right]=\frac{{2\mathrm{\ωk}}_s}{c}=\frac{20}{l}1n\left[\frac{n_s{(1+n_p)}^2}{\mathrm{\ρ}{\left(\mathrm{\ω}\right)(n_p+n_s)}^2}\right]$

当样品为固体时，l_s为样品厚度；

当样品为液体时，l_s为测试光程；

a为空气介质；

p为聚四氟乙烯；

d_p1和d_p2分别为顶盖和底座的厚度；

下标r为参考物质，s为样品。

Claims (6)

1.一种物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特征在于：包括飞秒激光源、分光器、光延迟单元、THz发射源、样品测试装置、THz探测器、计算机；

所述分光器设置在飞秒激光源后方，其分出的一路光进入THz探测器，其分出的另一路光经过光延迟单元后进入THz发射源；

所述样品测试装置放置在THz波的前进光路上；所述样品测试装置包括圆盘和平移台；所述圆盘设置在平移台上；所述圆盘上圆周均布有多个盲孔；

所述THz探测器用于接收穿过样品测试装置的THz波；

所述THz探测器的输出信号送入计算机。

2.根据权利要求1所述的物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特征在于：还包括用于盖住凹陷测试圆斑的顶盖。

3.根据权利要求1或2所述的物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特征在于：所述圆盘及顶盖的材质为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求3所述的物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特征在于：所述光学延迟单元包括两块成锐角或钝角放置的单向反射镜。

5.根据权利要求4所述的物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取装置，其特征在于：所述圆盘厚度为4mm；所述顶盖厚度为1mm；所述凹陷测试圆斑深度为3mm。

6.一种固液相物质在太赫兹波段吸收系数及折射率的获取方法，其特征在于：

包括以下步骤：

1】获得参考样品与待测物质在太赫兹波段的振幅及相位信息：

1.1]将测试圆盘固定在平移台上，取适量待测物质放入凹陷测试圆斑内；

1.2]启动平移台，将测试圆盘移至太赫兹波透过位置；然后精确控制平移台，将首个样品测试点移至太赫兹波的焦点位置；设置测试时的扫描次数及分辨率，按顺序在相同时间间隔下依次完成对样品的测试；

1.3]采集数据，得到参考时域信号与样品时域信号，经过快速傅里叶转换，计算出样品E_s与参考E_ref在太赫兹波段频域的振幅和相位信号；

其中，ρ为待测样品与参考的振幅比，为待测样品与参考信号的相位比；

2】获取待测物质在太赫兹波段折射率机吸收系数；

2.1]根据下式计算待测物质在太赫兹波段折射率：

其中：

n_s表示样品的折射率，l_s和l_r表示太赫兹波经过参考和样品时的光程。

2.2]根据下式计算待测物质在太赫兹波段的吸收系数：

$\mathrm{\α}\left[{\mathrm{cm}}^{-1}\right]=\frac{{2\mathrm{\ωk}}_s}{c}=\frac{20}{l}1n\left[\frac{n_s{(1+n_p)}^2}{\mathrm{\ρ}{\left(\mathrm{\ω}\right)(n_p+n_s)}^2}\right]$

当样品为固体时，l_s为样品厚度；

当样品为液体时，l_s为测试光程。

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