CN104007075A - 利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统及方法。所述方法包括：选择晶体样品；利用太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；将晶体样品放置在夹持台上，通过移动三维样品台的位置，改变光斑在晶体样品上的位置，当太赫兹波垂直入射在晶体样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为晶体样品的测试信号；对参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；根据参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，得到晶体样品的吸收系数，进一步生成晶体样品的吸收图；比较晶体样品的吸收图中的峰值大小及峰位的不同，辨别晶体样品的生长环境。

Description

利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的方法及系统

技术领域

本发明涉及晶体生长环境的检测领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的方法及系统。

背景技术

矿物及其晶体是一定自然条件下形成的产物,1878年吉布斯最早发现晶体晶面生长和发育的规律,建立了“晶体形貌学”。现代矿物学的成果之一,是在先进科技观察手段的基础上,发展了成因矿物学和矿物标型学,把矿物的结晶习性,及各种物理和化学性质与其形成的地质环境相联系,应用结晶学和晶体生长理论分析其成因,阐明微形貌所揭示的成矿信息。而不同的生长环境条件(包括温度、压力、浓度、组成等)会对矿物结晶产生不同的影响，因此形成的矿物微型貌特征也是不同的。

目前，传统的光学检测方法如核磁共振波谱技术、X射线荧光技术、拉曼光谱技术和红外光谱技术等，在检测晶体物质方面应用十分广泛。但各自仍存在有不足之处，例如核磁共振波谱技术要求原子核必须具有核磁性质，并且只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收等条件限制；红外吸收光谱分析法在定量分析时具有误差大，且灵敏度低等缺点；再加上有些检测技术对人体及样品都要有潜在的危害，且具有不易操作、测量时间相对较长等缺点，因此需要寻求一种新的光谱技术来进行晶体物质的检测。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种利用太赫兹时域光谱技术对晶体进行快速、无损的检测系统及检测方法。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，所述系统包括：太赫兹时域光谱装置、光斑调整与显示装置以及样品检测装置；所述太赫兹时域光谱装置照射晶体样品，生成所述晶体样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述晶体样品进行检测，所述光斑调整与显示装置用于放置所述晶体样品，并调整光斑投射在所述晶体样品上的位置；其中，所述光斑调整与显示装置包括三维样品台、夹持台、光斑摄像系统以及图像显示器；所述夹持台设置在所述三维样品台上，用于放置所述晶体样品，通过移动所述三维样品台带动所述晶体样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述晶体样品上的位置；所述光斑摄像系统摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示；观察所述图像显示器上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台，使得太赫兹波垂直入射在所述晶体样品的中心位置。

进一步地，所述夹持台可根据所述晶体样品的大小、厚度，通过旋转两侧旋转螺母调节夹持缝的大小，进而固定住所述晶体样品。

进一步地，所述夹持台的材质为铸铁合金，用以牢固的固定住所述晶体样品，方便测量。

进一步地，所述光斑摄像系统包括光斑摄像头、图像传感器以及数字信号处理芯片；所述光斑摄像头摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器上，所述图像传感器将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示。

进一步地，所述太赫兹时域光谱装置为透射式太赫兹光路。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种利用上述系统进行晶体生长环境检测的方法，所述方法包括：选择待测晶体样品；利用所述太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；将所述待测晶体样品放置在所述夹持台上，通过移动三维样品台的位置，带动所述夹持台移动，改变所述光斑在所述待测晶体样品上的位置，当所述太赫兹波垂直入射在所述待测晶体样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为所述待测晶体样品的测试信号；对所述参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，得到所述待测晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测晶体样品的吸收图；比较所述待测晶体样品的吸收图中的峰值大小及峰位的不同，辨别所述待测晶体样品的生长环境。

本发明实施例的基于太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的方法及系统，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高的特点，并且测量方法简单实用、快速、准确，更加有利于研究矿物晶体的微型貌特征，便于直接追踪成岩、成矿、晶体生长信息。除此之外，该方法对晶体无损害，测量后的晶体还可以重复利用。

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为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统中的光斑调整与显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统中的光斑摄像系统的结构示意图；

图4为利用图1所示的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统进行晶体检测的方法流程图；

图5为具体实施例中的75℃环境下生长的纯NaCl晶体样品、纯KCl晶体样品和NaCl：KCl＝1：1的三种样品的太赫兹时域光谱信号图；

图6为具体实施例中的75℃环境下生长的纯NaCl晶体样品、纯KCl晶体样品和NaCl：KCl＝1：1的三种样品的吸收图。

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。

太赫兹波与其它波段的电磁波相比，具有安全性好，穿透力强，光谱灵敏度高等诸多特点。太赫兹波段包含了丰富的光谱信息，大量的分子的转动和振动(包括集体振动)的跃迁都发生在太赫兹波段，可以根据分子在太赫兹波段的特有光谱信息可以识别出不同的分子。并且太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级(1ps＝10^-12s)，可以实现亚皮秒、飞秒时间分辨率的研究，而且通过相关测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。目前国内还没有见将太赫兹时域光谱技术应用于不同环境下生长的晶体无损检测，因此太赫兹技术作为一种新兴检测手段，可鉴别不同环境下生长的晶体，对在不同环境下生长的晶体无损检测和质量检测方面具有非常吸引力的应用前景，更加有利于研究矿物晶体的微型貌特征，便于直接追踪成岩、成矿、晶体生长信息。

图1为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统的结构示意图。如图所示，本实施例的检测系统包括：太赫兹时域光谱装置1、光斑调整与显示装置2以及样品检测装置3；所述太赫兹时域光谱装置1照射晶体样品，生成所述晶体样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置3用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述晶体样品进行检测，所述光斑调整与显示装置2用于放置所述晶体样品，并调整光斑投射在所述晶体样品上的位置。

在本实施例中，如图2所示，所述光斑调整与显示装置2包括三维样品台21、夹持台22、光斑摄像系统23以及图像显示器24。所述夹持台22设置在所述三维样品台21上，用于放置所述晶体样品，通过移动所述三维样品台21带动所述晶体样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述晶体样品上的位置；所述光斑摄像系统23摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器24上进行显示。其中，三维样品台21可上下、前后、左右移动，便于寻找理想的光斑。

在本实施例中，如图3所示，所述光斑摄像系统23包括光斑摄像头231、图像传感器232以及数字信号处理芯片233；所述光斑摄像头231摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器232上，所述图像传感器232将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片233，所述数字信号处理芯片233对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器24上进行显示。光斑摄像头231可采用微型摄像头，可以把光斑通过成像系统在图像显示器24中清晰的看见，光斑的可视化效果增强，实时成像更加便于观测光斑在待测物体的具体位置与大小，方便调节光斑的位置。

在本实施例中，通过观察所述图像显示器24上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台21，使得太赫兹波垂直入射在所述晶体样品的中心位置。因为晶体的形状通常为不规则的，而在使用太赫兹时域光谱技术无损检测时要使太赫兹波与被检测晶体的平面相互垂直，即垂直入射在晶体的中心位置时，此时为最佳位置，才能确保检测的准确性。此时，光斑通过光斑摄像头231生成的光学图像投射到图像传感器表面上，经过模数转换和数字信号处理芯片加工处理，将影像信息(主要是指太赫兹波照射在待测晶体表面所成的光斑图像)通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到光斑的位置与大小，可视化效果增强。当发现光斑在待测晶体的位置不是最佳位置(垂直入射晶体中心位置)时，重复上述操作，直至找到理想的光斑。最后利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)对待测晶体样品进行测试，得到晶体样品THz时域光谱，经数据处理后，得到测试样品的光学参数，以检测待测晶体的结构与成分。

在本实施例中，夹持台22可根据待测样品的大小、厚度，通过旋转两侧旋转螺母来调节夹持缝的大小，进而固定住样品，并且，所述夹持台的材质为铸铁合金，用以牢固的固定住所述晶体样品，方便测量。

在本实施例中，所述太赫兹时域光谱装置1为透射式太赫兹光路。

图4为利用图1所示的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统进行晶体检测的方法流程图。如图所示，本实施例的进行晶体检测的方法包括：

步骤S101，选择待测晶体样品；步骤S102，利用所述太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；步骤S103，将所述待测晶体样品放置在所述夹持台上，通过移动三维样品台的位置，带动所述夹持台移动，改变所述光斑在所述待测晶体样品上的位置，当所述太赫兹波垂直入射在所述待测晶体样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为所述待测晶体样品的测试信号；步骤S104，对所述参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；步骤S105，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，得到所述待测晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测晶体样品的吸收图；步骤S106，比较所述待测晶体样品的吸收图中的峰值大小及峰位的不同，辨别所述待测晶体样品的生长环境。

在本实施例的步骤S101中，选择待测晶体样品时，要挑选出在不同生长环境下的生长规则、表面平整的晶体，并对其进行切割、磨平处理，使得所述待测晶体样品的大小和厚度保持一致。其中，所述不同生长环境包括不同的温度、压力、浓度和晶体组成。

在本实施例的步骤S105中，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测晶体样品的吸收系数，包括：

基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测晶体样品的吸收系数α(ω)和折射率n(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{\mathrm{\α}}\ln \frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，n(ω)为所述待测晶体样品的折射率，d为所述待测晶体样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值、c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

在本实施例的步骤S106中，比较所述待测晶体样品的吸收图中的峰值大小及峰位的不同，辨别所述待测晶体样品的生长环境。

例如：分别对在75℃环境下生长的纯NaCl晶体样品、纯KCl晶体样品和NaCl：KCl＝1：1的不同组成成分的晶体样品做相同处理后，按照本发明图4所示的步骤用太赫兹时域光谱技术检测得到这三个样品的太赫兹时域光谱信号，如图5所示，可以看出纯NaCl晶体样品、纯KCl晶体样品和NaCl：KCl＝1：1三者的峰值的大小和出现峰值的位置是不同的。经过数据处理后可以得出三个样品的吸收图，如图6所示，可以看出在一定范围的频率条件下，NaCl：KCl＝1：1的晶体样品的吸收率在纯NaCl晶体样品和纯KCl晶体样品之间，有利于直观的辨别组成不同的晶体。

通过上述实施例的基于太赫兹时域光谱技术检测晶体成分与结构的系统及方法，通过比较样品间各自峰值的大小、峰位的不同的数据处理结果来辨别晶体的不同生长环境(包括温度、压力、浓度、组成等)，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高的特点，并且测量方法简单实用、快速、准确，更加有利于研究矿物晶体的微型貌特征，便于直接追踪成岩、成矿、晶体生长信息。除此之外，该方法对晶体无损害，测量后的晶体还可以重复利用。

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 (9)

1.一种利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，其特征在于，所述系统包括：太赫兹时域光谱装置、光斑调整与显示装置以及样品检测装置；所述太赫兹时域光谱装置照射晶体样品，生成所述晶体样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述晶体样品进行检测，所述光斑调整与显示装置用于放置所述晶体样品，并调整光斑投射在所述晶体样品上的位置；其中，

所述光斑调整与显示装置包括三维样品台、夹持台、光斑摄像系统以及图像显示器；

所述夹持台设置在所述三维样品台上，用于放置所述晶体样品，通过移动所述三维样品台带动所述晶体样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述晶体样品上的位置；所述光斑摄像系统摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示；

观察所述图像显示器上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台，使得太赫兹波垂直入射在所述晶体样品的中心位置。

2.根据权利要求1所述的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，其特征在于，所述夹持台可根据所述晶体样品的大小、厚度，通过旋转两侧旋转螺母调节夹持缝的大小，进而固定住所述晶体样品。

3.根据权利要求1所述的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，其特征在于，所述夹持台的材质为铸铁合金，用以牢固的固定住所述晶体样品，方便测量。

4.根据权利要求1所述的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，其特征在于，所述光斑摄像系统包括光斑摄像头、图像传感器以及数字信号处理芯片；

所述光斑摄像头摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器上，所述图像传感器将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示。

5.根据权利要求1～4任一项所述的利用太赫兹时域光谱技术检测晶体生长环境的系统，其特征在于，所述太赫兹时域光谱装置为透射式太赫兹光路。

6.一种利用权利要求1所述的系统进行晶体生长环境检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

选择待测晶体样品；

利用所述太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；

将所述待测晶体样品放置在所述夹持台上，通过移动三维样品台的位置，带动所述夹持台移动，改变所述光斑在所述待测晶体样品上的位置，当所述太赫兹波垂直入射在所述待测晶体样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为所述待测晶体样品的测试信号；

对所述参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；

根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，得到所述待测晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测晶体样品的吸收图；

比较所述待测晶体样品的吸收图中的峰值大小及峰位的不同，辨别所述待测晶体样品的生长环境。

7.根据权利要求6所述的进行晶体生长环境检测的方法，其特征在于，选择待测晶体样品时，要挑选出在不同生长环境下的生长规则、表面平整的晶体，并对其进行切割、磨平处理，使得所述待测晶体样品的大小和厚度保持一致。

8.根据权利要求7所述的进行晶体生长环境检测的方法，其特征在于，所述不同生长环境包括不同的温度、压力、浓度和晶体组成。

9.根据权利要求6所述的进行晶体生长环境检测的方法，其特征在于，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测晶体样品的吸收系数，包括：

基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测晶体样品的吸收系数α(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{\mathrm{\α}}\ln \frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，n(ω)为所述待测晶体样品的折射率，d为所述待测晶体样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值、c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。