CN105181627A - 一种太赫兹波检测系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹波检测系统及其应用，包括分光模块、延时模块、发射模块以及接收模块，其中，分光模块，用于将输入的飞秒激光束分解为泵浦光和探测光；延时模块，用于接收所述探测光并对该探测光进行延时输出，以确保探测光和由泵浦光产生的太赫兹光在到达接收模块时的相位一致；发射模块，用于将分光模块输出的泵浦光转换为太赫兹波，在太赫兹光经过样品后射入到接收模块中，且在测量噪声时阻塞太赫兹波；接收模块，用于将经过样品后的太赫兹光与延时模块射出的探测光共线整合传输，再进行电光聚焦后检测THz波束电场的极化变化，并将该电场进行锁相放大。本发明系统用于谷物新陈度的检测，检测精度高、实时检测效果好，并且对人体无害。
Description
技术领域
本发明属于食品检测领域，尤其涉及一种太赫兹波检测系统及其应用。
背景技术
我国的储粮主要为小麦、稻谷和玉米等谷物，由于这些谷物都有固定标准的储存时间，在超出储存时间后，谷物的品质、口感均是陈述变化。其中，特别是稻谷，由于储存期只有一年，很容易超出标准超出时间。因此，有必要及时准确地了解储藏谷物品质变化，及时对品质发生变化或即将发生变化的储藏稻谷进行处理。
对谷物品质的鉴别，采用生化检测方法进行鉴别并不准确，这主要生化检测方法鉴别是的谷物的成分，而谷物的成分与谷物品质两者差别较多，品质改变不代表成分上的变化。因此，生化检测方法不能满足谷物品质的精准检测需要。目前，对谷物品质的变化仍然多采用人工判断的方法，判断结果受主观因素和经验影响大，因而与实际情况偏差较大。
由于受现有鉴别技术的限制，不法商贩很容易选择容易超出一年储藏期限的稻谷(大米)通过抛光技术后，往往能作为新米在市场上销售，以次充好，从中牟取暴利。
因此，研发适合谷物，尤其是稻谷品质检测的新技术、装置，准确检测出大米新陈度，对于规范市场秩序，打击不法商贩以次充好，维护粮食安全和群众身体健康具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹波检测系统及其应用，旨在利用太赫兹波检测技术，解决现有谷物，尤其是稻米检测技术精度不够，导致谷物质量监控出现漏洞的问题。
本发明是这样实现的，一种太赫兹波检测系统，包括分光模块、延时模块、发射模块以及接收模块，其中，
分光模块，用于将输入的飞秒激光束分解为泵浦光和探测光；
延时模块，用于接收所述探测光并对该探测光进行延时输出，以确保探测光和由泵浦光产生的太赫兹光在到达接收模块时的相位一致；
发射模块，用于将分光模块输出的泵浦光转换为太赫兹波，在太赫兹光经过样品后射入到接收模块中，且在测量噪声时阻塞太赫兹波；
接收模块，用于将经过样品后的太赫兹光与延时模块射出的探测光共线整合传输，再进行电光聚焦后检测THz波束电场的极化变化，并将该电场进行锁相放大。
优选地，所述太赫兹波检测系统还包括处理模块以及显示模块；其中，处理模块，用于对所述接收模块锁相放大的THz波束电场转换为太赫兹波形；显示模块，用于将处理模块转换的太赫兹波形在屏幕上进行显示。
优选地，所述太赫兹波检测系统还包括第一导光模块、第二导光模块、第三导光模块以及第四导光模块；其中，
所述第一导光模块，用于将系统外部射入的飞秒激光束导入所述分光模块中；
所述第二导光模块，用于将分光模块射出的泵浦光导入到发射模块中；
所述第三导光模块，用于将所述延时模块射出的探测光导入到接收模块中；
所述第四导光模块，用于将所述发射模块射出的太赫兹波导入到接收模块中。
优选地，所述第一导光模块包括第一光路校准器、第二光路校准器、第三光路校准器、第一转向镜和第二转向镜；其中，外部飞秒激光束分别经第一光路校准器校准、第一转向镜转向、第二光路校准器校准、第三光路校准器校准以及第二转向镜转向后，射入分光模块；
所述第二导光模块包括第四光路校准器、第五光路校准器以及第三转向镜；所述分光模块射出的泵浦光经第四光路校准器校准、第三转向镜转向以及第五光路校准器校准后，射入发射模块；
所述第三导光模块包括第四转向镜、第五转向镜、第六光路校准器、第七光路校准器；其中，所述延时模块射出的探测光经第四转向镜转向、第六光路校准器校准、第五转向镜转向、第七光路校准器校准后，射入接收模块；
所述第四导光模块包括第一太赫兹转向镜和第二太赫兹转向镜，所述发射模块射出的太赫兹波经过第一太赫兹转向镜、第二太赫兹转向镜转向后射入接收模块，在第一太赫兹转向镜和第二太赫兹转向镜之间的太赫兹波传输线路上设有用于放置样品的样品放置区。
优选地，所述分光模块包括半波片、偏振分束器，其中，所述飞秒激光束经第一导光模块导入后，射入半波片中，通过控制半波片的旋转角度对确定泵浦光和探测光的功率比例，然后再射入偏振分束器，将激光束分为泵浦光和探测光；
所述延时模块包括第一四分之一波片、反射器、反射镜以及鳍状镜；其中，所述分光模块的偏振分束器射出的探测光依次射入第一四分之一波片、反射器以及反射镜，探测光经反射镜反射，反射的探测光依次射入反射器、第一四分之一波片、偏振分束器后，偏振分束器再将探测光折射到鳍状镜中，所述鳍状镜将探测光折射到接收模块中。
优选地，所述延时模块还包括第六转向镜、第七转向镜、第八转向镜、第八光路校准器以及第九光路校准器；其中，当样品区域的太赫兹光程超过350毫米时，所述鳍状镜折叠，折射到鳍状镜中的探测光经第八光路校准器校准、第六转向镜转向、第七转向镜转向、第九光路校准器校准、第八转向镜转向后，重新射入鳍状镜中，鳍状镜将再次接收的探测光折射到接收模块中。
优选地，所述发射模块包括用于产生太赫兹的发射器、第九转向镜、第十转向镜、第一透镜、第二透镜以及用于在测量噪声时阻塞太赫兹波的太赫兹波噪声开关；其中，所述泵浦光经第二导光模块导入后，经第九转向镜转向、第十转向镜转向、第一透镜聚焦后射入发射器，所述发射器将泵浦光转换为太赫兹波后经第二透镜聚焦后射出，在该太赫兹波射出方向上设有太赫兹波噪声开关。
优选地，所述接收模块包括：第三透镜、第四透镜、第十一转向镜、纳米铟锡、电光晶体THz检测器、第二四分之一波片、沃尔什棱镜、平衡检测器；其中，
探测光经第三导光模块导入后，经第三透镜聚焦、第十一转向镜转向后，射入到纳米铟锡上；
太赫兹波经第四导光模块导入后，经第四透镜聚焦后，射入到纳米铟锡上；
所述纳米铟锡将接收到的探测光、太赫兹波进行整合为共线波束传输，所述共线波束依次射入电光晶体THz检测器、第二四分之一波片、沃尔什棱镜以及平衡检测器后，由平衡检测器探测共线波束在电光晶体THz检测器中变化的电场。
本发明进一步提供了上述太赫兹波检测系统在谷物新陈度检测方面的应用。
近年来出现了多种太赫兹光谱分析技术，其中，以太赫兹时域光谱分析技术(THz-TDS)的应用最为成熟。与传统的分析方法相比，THz-TDS能够给出被测样品内部结构及生化变化过程的整体信息，由多个光学参量(特征谱、吸收率、折射率、相位变化、介电常数等)提供了一个关于生物系统基本特性的综合指标，这个指标的具体生物学含义，关联到被测样品本身的种类、状态以及环境因素等。太赫兹光谱分析技术进行谷物新陈度检测的优点在于快速、灵敏、可靠。
本发明利用太赫兹光谱检测技术，并提供了太赫兹波检测系统及其在谷物新陈度检测方面的应用。相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)检测速度快，符合粮食品质检测便捷化、快速化的发展趋势。特别对于是粮食和食品的现场检测，这一点尤为重要；
(2)灵敏度高。大量研究表明，太赫兹光谱对生物分子的变化具有高度的敏感性。
(3)易获得高维度的生物特征信息，利用太赫兹光谱检测可以获得特征谱、吸收率、折射率、相位变化等多维度的生物特征信息，容易实现基于最优类间距离度量的聚类分析。
(4)太赫兹检测系统结构简单、性能稳定、结果可靠、重复性强。
(5)检测过程简单，过程控制容易实现、易于标准化。
(6)人工干预少，易于实现智能化处理，分析结果更具客观性。
附图说明
图1是本发明太赫兹波检测系统的模块化结构示意图；
图2是本发明太赫兹波检测系统的具体结构示意图；
图3是本发明太赫兹波检测系统中发射模块的具体结构示意图；
图4是本发明太赫兹波检测系统中接收模块的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～4所示，其中，图1是本发明太赫兹波检测系统的模块化结构示意图；图2是本发明太赫兹波检测系统的具体结构示意图；图3是本发明太赫兹波检测系统中发射模块的具体结构示意图；图4是本发明太赫兹波检测系统中接收模块的具体结构示意图。
一种太赫兹波检测系统，如图1～4所示，包括分光模块1、延时模块2、发射模块3以及接收模块4，其中：
分光模块1，用于将输入的飞秒激光束A分解为泵浦光B和探测光C；
延时模块2，用于接收所述探测光C并对该探测光C进行延时输出，以确保探测光C和由泵浦光B产生的太赫兹光D在到达接收模块4时的相位一致；
发射模块3，用于将分光模块1输出的泵浦光B转换为太赫兹波D，在太赫兹光D经过样品E后射入到接收模块4中，且在测量噪声时阻塞太赫兹波D；
接收模块4，用于将经过样品后的太赫兹光D与延时模块2射出的探测光C共线整合传输，再进行电光聚焦后检测THz波束电场的极化变化，并将该电场进行锁相放大。
为了便于研究者能获得直观的检测结果，在本发明实施例中，所述太赫兹波检测系统还包括处理模块5以及显示模块6；其中，处理模块5，用于对所述接收模块4锁相放大的THz波束电场转换为太赫兹波形D；显示模块6，用于将处理模块转换的太赫兹波形D在屏幕上进行显示。在实际应用过程中，处理模块5为自带处理软件的计算机，而显示模块6即为显示器，处理模块5以及显示模块6可以作为独立部件也可以与其他模块集成在一个装置上。
在进一步的实施过程中，在保证分光模块1、延时模块2、发射模块3以及接收模块4之间的光路或太赫兹波形传导顺利的前提下，为了使整个系统在结构设计上更加紧凑、合理，在本发明实施例中，所述太赫兹波检测系统还包括第一导光模块7、第二导光模块8、第三导光模块9以及第四导光模块10；其中，
所述第一导光模块7，用于将系统外部射入的飞秒激光束导入所述分光模块1中；
所述第二导光模块8，用于将分光模块1射出的泵浦光B导入到发射模块3中；
所述第三导光模块9，用于将所述延时模块2射出的探测光C导入到接收模块4中；
所述第四导光模块10，用于将所述发射模块3射出的太赫兹波D导入到接收模块4中。
在本发明的实际应用过程中，上述第一导光模块7包括第一光路校准器AP1、第二光路校准器AP2、第三光路校准器AP3、第一转向镜M1和第二转向镜M2；其中，外部飞秒激光束A分别经第一光路校准器AP1校准、第一转向镜M1转向、第二光路校准器AP2校准、第三光路校准器AP3校准以及第二转向镜M2转向后，射入分光模块1；
所述第二导光模块8包括第四光路校准器AP4、第五光路校准器AP5以及第三转向镜M3；所述分光模块1射出的泵浦光B经第四光路校准器AP4校准、第三转向镜M3转向以及第五光路校准器AP5校准后，射入发射模块3；
所述第三导光模块9包括第四转向镜M4、第五转向镜M5、第六光路校准器AP6、第七光路校准器AP7；其中，所述延时模块2射出的探测光C经第四转向镜M4转向、第六光路校准器AP6校准、第五转向镜M5转向、第七光路校准器AP7校准后，射入接收模块4；
所述第四导光模块10包括第一太赫兹转向镜TM1和第二太赫兹转向镜TM2，所述发射模块3射出的太赫兹波经D过第一太赫兹转向镜TM1、第二太赫兹转向镜TM2转向后射入接收模块4，在第一太赫兹转向镜TM1和第二太赫兹转向镜TM2之间的太赫兹波D传输线路上设有用于放置样品的样品放置区E。
在本发明实施例中，更具体的，所述分光模块1包括半波片HWP、偏振分束器PBS，其中，所述飞秒激光束A经第一导光模块7导入后，射入半波片HWP中，半波片HWP用来在偏振光的寻常光与非寻常光之间，产生半波长的光程差或者180°位相差，即通过控制半波片HWP的旋转角度对确定泵浦光B和探测光C的功率比例，然后再射入偏振分束器PBS，将激光束分为泵浦光B和探测光C；
所述延时模块2包括第一四分之一波片QWP1、反射器RR、反射镜XM以及鳍状镜FM；其中，所述分光模块1的偏振分束器PBS射出的探测光C依次射入第一四分之一波片QWP1、反射器RR以及反射镜XM，探测光C经反射镜XM反射，反射的探测光C依次射入反射器RR、第一四分之一波片QWP1、偏振分束器PBS后，偏振分束器PBS再将探测光C折射到鳍状镜FM中，所述鳍状镜FM将探测光C折射到接收模块4中，或者经过第三导光模块9的第四转向镜M4、第五转向镜M5被反射到接收模块4中。在本发明实施例中，延时模块2还包括延迟线装置，该延迟线装置包括反射镜组、反射镜底座以及音圈电机平台。反射镜组安装于反射镜底座，扫描太赫兹光的延迟，反射镜底座固定于音圈电机平台，音圈电机平台驱动反射镜组进行线性往复运动，进行扫描。采用音圈电机平台驱动反射镜组扫描太赫兹脉冲的延时，从而克服电动平移台受机械惯性所限制，传动响应较慢且滞后的缺陷，能够速扫太赫兹脉冲的不同延迟，大大缩短太赫兹脉冲的探测时间，实现快速的太赫兹光谱和成像。
但需要注意的是，当样品区域的太赫兹光程超过350毫米(1.2ns)时,就要折叠鳍状镜FM，使探测光C经由额外的延时后，再导入接收模块4中。此时，所述延时模块2还包括第六转向镜M6、第七转向镜M7、第八转向镜M8、第八光路校准器AP8以及第九光路校准器AP9；其中，所述鳍状镜FM折叠，折射到鳍状镜FM中的探测光C经第八光路校准器AP8校准、第六转向镜M6转向、第七转向镜M7转向、第九光路校准器AP9校准、第八转向镜AP8转向后，重新射入鳍状镜FM中，鳍状镜FM将再次接收的探测光C导入到接收模块4中。
在本发明实施例中，更具体的，所述发射模块3包括用于产生太赫兹的发射器PCA、第九转向镜M9、第十转向镜M10、第一透镜L1、第二透镜L2以及太赫兹波噪声开关ST；其中，所述泵浦光B经第二导光模块8导入后，经第九转向镜M9转向、第十转向镜M10转向、第一透镜L1聚焦后射入发射器PCA，所述发射器PCA将泵浦光B转换为太赫兹波D后经第二透镜L2聚焦后射出，在该太赫兹波D射出方向上设有太赫兹波噪声开关ST，太赫兹波噪声开关ST用于在测量噪声时阻塞太赫兹波D。此处的工作原理及过程具体为：太赫兹发射器由一个光电导偶极天线组成，该天线安装于一个低温分子束外延生长砷化镓层(简称LT-GaAs)晶片上。一个高偏置交流电压加在天线的电极间，用于对由泵浦光产生的载流子进行加速，产生一个短暂的光电流，该光电流产生一个THz脉冲。在远场，辐射电场正比于光电流的一阶时间导数。一个25mmFLTPX(一种高结晶透明塑料)透镜(图3中第二透镜L2对太赫兹光和可见光都透明)被用于校准从发射器出来的太赫兹光束。
在本发明实施例中，更具体的，所述接收模块4包括：第三透镜L3、第四透镜L4、第十一转向镜M11、纳米铟锡ITO、电光晶体THz检测器EO、第二四分之一波片QWP2、沃尔什棱镜WP、平衡检测器BD；其中，
探测光C经第三导光模块9导入后，经第三透镜L3聚焦、第十一转向镜M11转向后，射入到纳米铟锡ITO上；
太赫兹波D经第四导光模块10导入后，经第四透镜L4聚焦后，射入到纳米铟锡ITO上；
所述纳米铟锡ITO将接收到的探测光C、太赫兹波D进行整合为共线波束传输，所述共线波束依次射入电光晶体THz检测器EO、第二四分之一波片QWP2、沃尔什棱镜WP以及平衡检测器BD后，由平衡检测器BD探测共线波束在电光晶体THz检测器EO中变化的电场。此处的工作原理及过程：接收模块使用TPX透镜把进入的太赫兹辐射聚焦到一个锗化锌(ZnTe)电光探测晶体上，并与探测光束在该晶体上共线。太赫兹光和探测光通过ITO(IndiumTinOxide，铟锡氧化物)镀膜玻璃(对可见光透明，对太赫兹光反射)混合。当探测光在电光晶体上与太赫兹波暂时重叠的时候，探测光被太赫兹辐射的电场通过Pockels电光效应进行调制，改变其偏振态。一个1/4波片，一个沃拉斯顿棱镜和一对硅光电二极管被用于探测光的均衡探测。探测光偏振态的改变包含了太赫兹电场的幅度信息，而太赫兹电场的幅度信息又反映了样品内部的物理化学信息。
在本发明的实际应用过程中，通过将样品置于样品置放区E中，启动系统，进行样品的的太赫兹实时时域谱采集。该系统可利用专门的用于样品检测的容器，对于固体样品，可将样品压片后置于由聚乙烯制成的专门容器内。采用聚乙烯材料做样品容器是因为聚乙烯材料具有良好的透光性，而且对太赫兹波衰减很小，几乎不影响样品的太赫兹光谱特性，固体样品压片时，为了保证其均匀性，应事先去除杂质，充分粉碎后再进行压片，一般将样品压成直径1cm，厚度1mm的薄片，然后将样品置于容器内，放在太赫兹系统样品区域进行光谱检测，测量时应使用光路校准装置保证太赫兹波能够穿透样品中心区域。对于液体样品，应当将样品置于液体池或比色皿中进行检测。液体池或比色皿的材料可采用高透光性的二氧化硅等材料。对于对太赫兹波吸收较大的液体，建议采用可拆卸液体池，尽量减小液体厚度(如减小到0.1mm)，以保证太赫兹波的透过率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太赫兹波检测系统，其特征在于，包括分光模块、延时模块、发射模块以及接收模块，其中，
分光模块，用于将输入的飞秒激光束分解为泵浦光和探测光；
延时模块，用于接收所述探测光并对该探测光进行延时输出，以确保探测光和由泵浦光产生的太赫兹光在到达接收模块时的相位一致；
发射模块，用于将分光模块输出的泵浦光转换为太赫兹波，在太赫兹光经过样品后射入到接收模块中，且在测量噪声时阻塞太赫兹波；
接收模块，用于将经过样品后的太赫兹光与延时模块射出的探测光共线整合传输，再进行电光聚焦后检测THz波束电场的极化变化，并将该电场进行锁相放大。
2.如权利要求1所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述太赫兹波检测系统还包括处理模块以及显示模块；其中，处理模块，用于对所述接收模块锁相放大的THz波束电场转换为太赫兹波形；显示模块，用于将处理模块转换的太赫兹波形在屏幕上进行显示。
3.如权利要求2所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述太赫兹波检测系统还包括第一导光模块、第二导光模块、第三导光模块以及第四导光模块；其中，
所述第一导光模块，用于将系统外部射入的飞秒激光束导入所述分光模块中；
所述第二导光模块，用于将分光模块射出的泵浦光导入到发射模块中；
所述第三导光模块，用于将所述延时模块射出的探测光导入到接收模块中；
所述第四导光模块，用于将所述发射模块射出的太赫兹波导入到接收模块中。
4.如权利要求3所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述第一导光模块包括第一光路校准器、第二光路校准器、第三光路校准器、第一转向镜和第二转向镜；其中，外部飞秒激光束分别经第一光路校准器校准、第一转向镜转向、第二光路校准器校准、第三光路校准器校准以及第二转向镜转向后，射入分光模块；
所述第二导光模块包括第四光路校准器、第五光路校准器以及第三转向镜；所述分光模块射出的泵浦光经第四光路校准器校准、第三转向镜转向以及第五光路校准器校准后，射入发射模块；
所述第三导光模块包括第四转向镜、第五转向镜、第六光路校准器、第七光路校准器；其中，所述延时模块射出的探测光经第四转向镜转向、第六光路校准器校准、第五转向镜转向、第七光路校准器校准后，射入接收模块；
所述第四导光模块包括第一太赫兹转向镜和第二太赫兹转向镜，所述发射模块射出的太赫兹波经过第一太赫兹转向镜、第二太赫兹转向镜转向后射入接收模块，在第一太赫兹转向镜和第二太赫兹转向镜之间的太赫兹波传输线路上设有用于放置样品的样品放置区。
5.如权利要求4所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述分光模块包括半波片、偏振分束器，其中，所述飞秒激光束经第一导光模块导入后，射入半波片中，通过控制半波片的旋转角度对确定泵浦光和探测光的功率比例，然后再射入偏振分束器，将激光束分为泵浦光和探测光；
所述延时模块包括第一四分之一波片、反射器、反射镜以及鳍状镜；其中，所述分光模块的偏振分束器射出的探测光依次射入第一四分之一波片、反射器以及反射镜，探测光经反射镜反射，反射的探测光依次射入反射器、第一四分之一波片、偏振分束器后，偏振分束器再将探测光折射到鳍状镜中，所述鳍状镜将探测光折射到接收模块中。
6.如权利要求5所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述延时模块还包括第六转向镜、第七转向镜、第八转向镜、第八光路校准器以及第九光路校准器；其中，当样品区域的太赫兹光程超过350毫米时，所述鳍状镜折叠，折射到鳍状镜中的探测光经第八光路校准器校准、第六转向镜转向、第七转向镜转向、第九光路校准器校准、第八转向镜转向后，重新射入鳍状镜中，鳍状镜将再次接收的探测光折射到接收模块中。
7.如权利要求6所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述发射模块包括用于产生太赫兹的发射器、第九转向镜、第十转向镜、第一透镜、第二透镜以及用于在测量噪声时阻塞太赫兹波的太赫兹波噪声开关；其中，所述泵浦光经第二导光模块导入后，经第九转向镜转向、第十转向镜转向、第一透镜聚焦后射入发射器，所述发射器将泵浦光转换为太赫兹波后经第二透镜聚焦后射出，在该太赫兹波射出方向上设有太赫兹波噪声开关。
8.如权利要求7所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，所述接收模块包括：第三透镜、第四透镜、第十一转向镜、纳米铟锡、电光晶体THz检测器、第二四分之一波片、沃尔什棱镜、平衡检测器；其中，
探测光经第三导光模块导入后，经第三透镜聚焦、第十一转向镜转向后，射入到纳米铟锡上；
太赫兹波经第四导光模块导入后，经第四透镜聚焦后，射入到纳米铟锡上；
所述纳米铟锡将接收到的探测光、太赫兹波进行整合为共线波束传输，所述共线波束依次射入电光晶体THz检测器、第二四分之一波片、沃尔什棱镜以及平衡检测器后，由平衡检测器探测共线波束在电光晶体THz检测器中变化的电场。
9.如权利要求1～8任一项所述的太赫兹波检测系统，其特征在于，在谷物新陈度检测方面的应用。
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