CN103969215A - 一种太赫兹时域光谱系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹时域光谱系统，包括太赫兹发射装置、接收探测装置以及样品台，所述样品台包括平移台，带动样品移动使其离开焦点处，达到需要的光斑尺寸位置处进行测量。本发明利用传统的太赫兹光路与带平移台和旋转台的样品台，实现了对样品中的某个面的缺陷以及样品均匀性的检验，能够快速反映样品宏观上的整体信息。

Description

一种太赫兹时域光谱系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹时域光谱系统，尤其涉及一种快速测量非均匀材料的太赫兹时域光谱系统及其测量方法。

背景技术

太赫兹技术是一种新技术，基于太赫兹技术的太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)已经应用于化学、物理、材料、能源、安全等领域。根据不同的探测需要，按其光路设计划分，已发展了平行和聚焦两种系统，并在此基础上实现了二维扫描成像等技术。

但是，传统的聚焦式太赫兹时域光谱系统仅能反映样品某一点的信息、不能反映整体情况。

发明内容

本发明的目的在于克服当前聚焦式太赫兹时域光谱系统仅能反映样品某点信息的缺陷，设计一种新型的太赫兹时域光谱系统，使得其能快速的反映样品宏观上的整体信息。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种太赫兹时域光谱系统，包括太赫兹发射装置、接收探测装置以及样品台，其特征在于，所述样品台包括平移台，带动样品移动使其离开焦点处，达到需要的光斑尺寸位置处进行测量。

进一步的，所述样品台还包括旋转台，所述旋转台与所述平移台结合，用于调整所述样品接收太赫兹波辐照的面积。

进一步的，所述平移台为三维平移台。

进一步的，所述太赫兹时域光谱系统中还包括有多个功率计，置于光路中的多个位置处，用于测量所述多个位置处的光斑大小与光强分布。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种利用本发明的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置相对放置，形成透射式太赫兹时域光谱系统的光路；将所述样品台置于所述光路的焦点处，移动所述样品台，使其带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置并进行测量。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种利用本发明的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置固定放置，形成反射式太赫兹时域光谱系统的光路；将所述样品台置于所述光路的焦点处，移动所述样品台，使其带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置并进行测量。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种利用本发明的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置分离并相对放置成一定角度，形成非垂直入射的反射式太赫兹时域光谱系统的光路；将所述样品台置于所述光路的焦点处，调整样品与入射光的角度，并使其能够被所述接收探测装置接收，移动所述样品台，带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置进行测量。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种利用本发明的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置和接收探测装置置于圆形轨道的圆周处，光路焦点位于圆心处，所述太赫兹发射装置、接收探测装置可相对于圆心进行旋转，并沿直径方向前后调整；所述样品台置于所述圆心处，其位置可以相对于直径方向进行前后调整，并以自身为轴进行旋转；所述圆形轨道和所述样品台所在直径标有刻度和角度，以便于迅速调整光路位置。

本发明利用传统的太赫兹光路与带平移台和旋转台的样品台，实现了对样品中的某个面的缺陷以及样品均匀性的检验，能够快速反映样品宏观上的整体信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种太赫兹时域光谱系统的一种实施例(透射式太赫兹光路)的结构示意图；

图2为本发明实施例的反射式太赫兹光路的太赫兹时域光谱系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的透反一体式太赫兹光路的太赫兹时域光谱系统(集成化)的结构示意图；

图4为本发明实施例的反射式太赫兹光路的太赫兹时域光谱系统(集成化)的结构示意图；

图5为实施例一中的非均匀样品的示意图；

图6为实施例一中的非均匀样品的太赫兹时域光谱信号示意图；

图7为实施例二中的缺陷样品示意图；

图8为实施例二中的缺陷样品和无缺陷样品的太赫兹时域光谱信号对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面在实施例中结合本发明的太赫兹时域光谱系统，对本发明的太赫兹时域光谱系统的结构及测量方法进行详细说明。

图1为本发明的一种太赫兹时域光谱系统的一种实施例的结构示意图，其包括太赫兹发射装置、接收探测装置以及样品台。在本发明中，所述样品台包括平移台，带动样品移动使其离开焦点处，达到需要的光斑尺寸位置处进行测量。

在本实施例中，所述样品台还包括旋转台(图1中未示)，所述旋转台可以设置在平移台上方，实现多角度旋转，所述旋转台与所述平移台结合，用于调整所述样品接收太赫兹波辐照的面积。

在此需要说明的是，本发明中提到的太赫兹发射装置、接收探测装置，都属于本领域常规的太赫兹光路中的元件，例如激光脉冲器、分光器、各类透镜和反射镜等。本领域技术人员也应当理解，在太赫兹光路中测量光斑大小，也是本领域常用的技术手段，例如可以采用在所述太赫兹时域光谱系统中还设置多个功率计，置于光路中的多个位置处，用于测量所述多个位置处的光斑大小与光强分布。

本发明的创新点旨在结合传统常规的太赫兹光路系统和带平移台和旋转台的样品台，使得被测样品可以进行各方向的移动和定轴转动，使得样品接收太赫兹辐照面积发生变化，以获得样品在不同面和尺度上的均匀性和缺陷的检测。

在本实施例中，所述平移台可为单向平移台，带动样品沿X轴方向平移，也可以为三维平移台，带动样品沿X、Y、Z轴三个方向移动。而本发明中提到的太赫兹光路，可以使用透射和反射两种测量方式，其中反射包括垂直入射式和非垂直入射式。

在本发明中，还可以将太赫兹发射装置、接收探测装置同时放置在平移台上，此时，发射装置和接收探测装置可同时在平移台上移动，以实现太赫兹发射装置、接收探测装置与样品台的集成化，方便确定光路位置。

利用本发明的太赫兹时域光谱系统对样品进行测量的几种测量方法如下：

方法1：

如图1所示，将太赫兹发射装置、接收探测装置按照透射式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。

将功率计置于光路内各位置，获得其每个位置的光斑大小与光强分布。

将样品台置于太赫兹束焦点，移动平移台Y轴，使得样品离开焦点位置，达到选取适合的光斑大小位置。移动平移台X轴与Z轴，使得样品可以在X-Z平面内移动，以便选取感兴趣的样品区域进行测量。

方法2：

如图2所示，将太赫兹发射装置、接收探测装置按照垂直入射的反射式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。

将功率计置于光路内各位置，获得其每个位置的光斑大小与光强分布。

将样品台置于太赫兹束焦点，移动平移台Y轴，使得样品离开焦点位置，达选取适合的光斑大小位置。移动平移台X轴与Z轴，使得样品可以在X-Z平面内移动，以便选取感兴趣的样品区域进行测量。

方法3：

将太赫兹发射装置、接收探测装置按照非垂直入射的反射式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。

将功率计置于光路内各位置，获得其每个位置的光斑大小与光强分布。

将样品台置于太赫兹束焦点，移动平移台Y轴，使得样品离开焦点位置，达选取适合的光斑大小位置。移动平移台X轴与Z轴，使得样品可以在X-Z平面内移动，以便选取感兴趣的样品区域进行测量。

方法4：

如图3所述，将太赫兹发射端、接收端按照透反一体式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。其区别在于将太赫兹发射装置、接收探测装置与样品台集成化，以方便确定光路位置。

方法5：

将太赫兹发射装置、接收探测装置按照反射式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。其区别在于将太赫兹发射装置、接收探测装置与样品台集成化，方便确定光路位置。

方法6：

如图4所示，将太赫兹发射端、接收端按照反射式太赫兹时域光谱系统光路固定，确定太赫兹束焦点位置。其区别在于将太赫兹发射端、接收端分开，呈一定角度，以获得样品非垂直入射的太赫兹反射光谱。同时，将将太赫兹发射装置、接收探测装置、平移台以及旋转台集成化，方便确定光路位置。

实施例一：

其中，按实施例1的透射式太赫兹时域光谱系统，对测量样品均匀性的测量如下：

1)利用功率计测量选取所需光斑大小的初始位置，固定平移台的位置，将实际样品固定于平移台上。其中，图5是非均匀样品的示意图；

2)获得非均匀样品的太赫兹时域光谱信号，如图6所示，为双峰信号。

3)数据处理：将标准均匀样品的太赫兹时域光谱信号(单峰信号)与实际样品的太赫兹时域光谱信号(双峰信号)进行比对，利用数据处理软件将叠加信号进行处理与区分，获得各种材料的单峰时域谱图，根据其峰值大小和峰位变化(延迟)，可以获得实际样品的均匀性。3)改变平移台的位置，使其辐照面积发生变化，根据其分解成单峰延迟的改变，获得其在其他尺度上的均匀性。

实施例二：

其中，按实施例1的透射式太赫兹时域光谱系统，对测量样品缺陷检测方法如下：

1)利用功率计测量选取所需光斑大小的初始位置，固定平移台的位置，将参考样品和实际样品分别固定于平移台上，图7为具有缺陷的实际样品的示意图，其中方块之间的缝隙为缺陷。

2)分别获得参考样品与实际样品的太赫兹时域光谱信号，如图8所示。

3)数据处理：将参考样品与实际样品的太赫兹时域光谱信号进行比对，利用数据处理软件将叠加信号进行处理与区分，获得各种材料的单峰时域谱图，根据其峰值大小和峰位变化(延迟)，可以获得样品是否存在缺陷。

实施例三：

采用本发明的太赫兹时域光谱系统，可以对样本材料的孔隙结构进行检测，获得样本材料的孔隙率，主要步骤如下：

1、选择样品材料：所用的样品材料为塑料。

2、制备标准孔隙率样本。

3、标准孔隙率样本的检测：利用本发明的透射式太赫兹时域光谱系统对每一个标准样本进行检测，以标准样本的太赫兹时域波形为样品信号，为提高精确度，移动平移台，在每个样品的颗粒和孔隙为中心的位置重复测量多次，各提取其两峰值的取平均值作为最终信号。

4、信号处理：不同标准的样品信号进行汇总和整理。利用外标法进行检测：样品的两峰峰值分别进行归纳，获得其与孔隙率之间的关系。

5、待测样品的检测：利用本发明的太赫兹时域光谱系统对未知孔隙率的样品进行检测，得到太赫兹时域波形，移动样品台，重复进行多位置测量，找出其第一峰最大值和第二峰最大值的信号的位置，在其附近进行多次重复测量，提取其峰值的平均值作为最终的样品信号。

6、与标准样品进行比对，获得其最终的孔隙率。

本发明利用传统的太赫兹光路与带平移台和旋转台的样品台，实现了对样品中的某个面的缺陷以及样品均匀性的检验，能够快速反映样品宏观上的整体信息。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种太赫兹时域光谱系统，包括太赫兹发射装置、接收探测装置以及样品台，其特征在于，所述样品台包括平移台，带动样品移动使其离开焦点处，达到需要的光斑尺寸位置处进行测量。

2.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述样品台还包括旋转台，所述旋转台与所述平移台结合，用于调整所述样品接收太赫兹波辐照的面积。

3.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述平移台为三维平移台。

4.根据权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述太赫兹时域光谱系统中还包括有多个功率计，置于光路中的多个位置处，用于测量所述多个位置处的光斑大小与光强分布。

5.一种利用权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置相对放置，形成透射式太赫兹时域光谱系统的光路；

将所述样品台置于所述光路的焦点处，移动所述样品台，带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置进行测量。

6.一种利用权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置固定放置，形成反射式太赫兹时域光谱系统的光路；

将所述样品台置于所述光路的焦点处，移动所述样品台，带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置进行测量。

7.一种利用权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置、接收探测装置分离并相对放置成一定角度，形成非垂直入射的反射式太赫兹时域光谱系统的光路；

将所述样品台置于所述光路的焦点处，调整样品与入射光的角度，并使其能够被所述接收探测装置接收，移动所述样品台，带动所述样品离开所述焦点处，达到需要的光斑尺寸位置进行测量。

8.一种利用权利要求1所述的太赫兹时域光谱系统进行测量的方法，其特征在于，将所述太赫兹发射装置和接收探测装置置于圆形轨道的圆周处，光路焦点位于圆心处，所述太赫兹发射装置、接收探测装置可相对于圆心进行旋转，并沿直径方向前后调整；

所述样品台置于所述圆心处，其位置可以相对于直径方向进行前后调整，并以自身为轴进行旋转；

所述圆形轨道和所述样品台所在直径标有刻度和角度，以便于迅速调整光路位置。