CN105223697B - 一种太赫兹光扩束均匀化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹技术领域，提出一种太赫兹光扩束均匀化装置，用于对太赫兹源发出的太赫兹光束进行整形，在对其进行扩束的同时使光束的能量分布更加均匀。所述的扩束均匀化装置依照光束通过顺序依次包括以下部分：初级反射镜、初级微球面反射镜阵列、次级微球面反射镜阵列、太赫兹透镜和次级反射镜，初级反射镜前为太赫兹源，次级反射镜后为目标物体。各个部分之间保持一定的角度关系及适当的距离，太赫兹光经两级微球面反射镜阵列扩束和均匀化后，再经过太赫兹透镜整形出射。本发明的优点在于：在达到了对太赫兹光进行扩束的目的的同时使出射太赫兹光的能量分布由高斯分布均匀化为矩形分布，使其可以满足做为太赫兹成像系统光源的要求。

Description

一种太赫兹光扩束均匀化装置
技术领域
本发明属于太赫兹成像技术领域，具体涉及一种基于微球面反射镜阵列的太赫兹辐射光束扩束均匀化的装置。
背景技术
太赫兹光(Terahertz/THz)通常指频率介于0.1THz到10THz之间的电磁光，其处于微光和红外光的交界领域，因此，其兼具电子学和光学的优势。太赫兹成像技术是太赫兹成像系统收集来自目标和背景的太赫兹光并将其汇聚到焦平面上，经过处理得到目标和背景的像的技术。
由于太赫兹成像系统是主动式的，所以合适的光源是必须的。但现在采用的激光光源并不适合于直接用作太赫兹成像系统的光源。首先是出射光束光斑面积太小(光斑直径在mm级)，照射到目标上时只能照射很小一部分，对于较大目标不能覆盖整体目标；其次是激光源辐射的光束其能量分布服从高斯分布，且是相干光，这些都不利于成像。为了更有利于成像，就必须对出射光进行均匀化处理，使光束的能量分布由高斯分布变为矩形分布，同时对光束进行扩束，并使其有相干光变为非相干光。
典型的太赫兹成像设备采用一系列由离轴抛物镜(OAP)组成的光学系统来对太赫兹光束进行扩束、匀化(Yao Rui,Ding S henghui,Li Qi et a l.Improvement of 2.52 THz array transmission imaging system and resolution analysis[J].Chinese JLaser,2011,38(1):0111001)。具体是使用三个离轴抛物镜组成的光路，其中三个离轴抛物面镜(OAP1，OAP2，OAP3)有不同的焦距，OAP2与OAP3焦距的比值决定了扩束的倍数。采用这种光学系统可以有较好的扩束效果，但这种系统的缺点也是显而易见的，首先扩束后的光的均匀性有一定的改善面、但并不十分理想，且扩束后光束的发散角较小；其次这种系统调整难度大，对光轴失准的敏感度高，细微的偏差就会引发像散。
由上面可知现有的技术存诸多问题，需要采用一种新的技术解决太赫兹光扩束及均匀化的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足提供一种基于微球面反射镜阵列的太赫兹辐射光束扩束均匀化的装置，用以求对辐射光扩束，并同时将辐射光由高斯光束匀化为矩形光束，使其更有利于太赫兹成像。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种太赫兹光均匀化装置，其特征在于包括初级全反反射镜(2)、初级微球面反射镜阵列(3)、次级微球面反射镜阵列(4)、太赫兹透镜(5)和次级全反反射镜(6)，全反反射镜(2)前端为太赫兹光源(1)，次级全反反射镜(6)后端为待照射的目标物体(7)；所述太赫兹光源(1)发射出的太赫兹平行光束呈45°夹角入射初级全反反射镜(2)，所述初级微球面反射镜阵列(3)与初级全反反射镜(2)平行设置，所述次级微球面反射镜阵列(4)与初级微球面反射镜阵列(3)垂直设置，所述次级全反反射镜(6)与太赫兹透镜(5)成45°夹角。
上述太赫兹光扩束均匀化装置中，从太赫兹辐射源(1)发射的细小的高斯分布的太赫兹光束经初级反射镜(2)反射后以45°角辐射到初级微球面反射镜阵列(3)上，被其表面的子反射镜单元分割为细小的太赫兹光束，这些细小的太赫兹光束经反射及各光束之间的相互作用后，达到了扩束及能量均匀化的效果；次级微球面反射镜阵列(4)与初级微球面反射镜阵列(3)成垂直设置且有合适的距离，使得入射的光束能够铺满次级微球面反射镜阵列(4)；经初级微球面反射镜阵列(3)反射的辐射光束入射到次级微球面反射镜阵列(4)上，再一次扩束并均匀化；从次级微球面反射镜阵列(4)出射的太赫兹光束经太赫兹透镜(5)整形成平行光束到达次级反射镜(6)上，经次级反射镜(6)反射后照射到目标物体(7)的表面。
上述太赫兹光扩束均匀化装置中，采用了两级微球面反射镜阵列对太赫兹光束进行扩束及均匀化处理；两级微球面反射镜阵列分别由若干个子反射镜单元组成，所有子反射镜单元均为球面反射镜，其子反射镜尺寸与太赫兹辐射源发出的太赫兹光波长相近，在0.8～1.5个波长范围内；且子反射镜曲率半径远大于球面镜厚度，为90～150倍。初级微球面反射镜阵列与次级微球面反射镜阵列的子反射镜单元尺寸可以相同也可以不同，每一级微球面反射镜阵列的单元个数根据子反射镜尺寸及入射光束面积确定，以保证使所有入射光束都能完全覆盖微球面反射镜阵列且没有遗失光线。
上述太赫兹光扩束均匀化装置中，初级反射镜(2)、初级微球面反射镜阵列(3)、次级微球面反射镜阵列(4)及次级反射镜(6)的反射面上镀一层金属镜面，厚度30～500纳米，以提高对太赫兹光的反射率，减少能量损耗。
上述太赫兹光扩束均匀化装置中，太赫兹透镜(5)为厚的凸透镜，其两面均为球面；其作用主要是对微球面反射镜阵列扩束匀化后的太赫兹光进行整形，使太赫兹光束最终以平行光的形式辐射到目标物体表面，焦距在满足上述要求的条件下选择；同时，因为高阻硅材料在太赫兹波段有着较好的透过性(50％～60％)，选用高阻浮区硅(HRFZ-Si)材质作为太赫兹透镜材质；进一步的，考虑采用涂覆增透膜的方法提高太赫兹透镜的太赫兹光透过率，如HDPE(高密度聚乙烯)，PTFE(聚四氟乙烯)以及聚对二甲苯等，在太赫兹透镜第一面涂覆10～80um的增透膜能够将太赫兹透镜的太赫兹光透过率提高到90％～99％。
本发明的提供一种太赫兹辐射光束扩束均匀化的装置，采用两级微球面反射镜阵列对太赫兹光束进行扩束及均匀化处理，使得扩束后的光束的均匀性得到提升，发射角扩大；且本发明太赫兹辐射光束扩束均匀化的装置结构简单、易调整、适用性强。
附图说明
图1为本发明所述太赫兹光扩束均匀化装置结构及原理示意图；其中，1为太赫兹光源、2为初级全反反射镜、3为初级微球面反射镜阵列、4为次级微球面反射镜阵列、5为太赫兹透镜、6为次级全反反射镜、7为目标物体。
图2为本发明所述微球面反射镜阵列的子反射镜单元结构示意图。
图3为本发明所述微球面反射镜阵列示意图。
图4为太赫兹光束经本发明所述装置整形前后辐照度对比图，其中：
a：太赫兹光束扩束均匀化前辐照度图；
b：太赫兹光束经本发明装置扩束均匀化之后辐照度图。
图5为太赫兹光束经本发明所述装置整形前后坎德拉对比图，其中：
a：太赫兹光束扩束均匀化前坎德拉图；
b：太赫兹光束经本发明装置扩束均匀化之后坎德拉图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例详细介绍本发明。
如附图1所示，所述的基于微球面反射镜阵列的太赫兹光扩束均匀化装置的系统结构图中，从辐射源(1)发出的太赫兹光束经初级反射镜(2)反射后，以一定角度照射到初级微球面反射镜阵列(3)上，被各个子反射镜单元分割成多个细小的光束。各光束经次级微球面反射镜阵列(4)作用及太赫兹透镜(5)整形，从而在扩束的同时使太赫兹光束的不均匀性得到改善，实现太赫兹光束的扩束及均匀化，最后出射平行光束经次级反射镜(6)反射后辐射到目标物体(7)表面。
所述系统包括辐射源(1)，初级全反反射镜(2)，初级微球面反射镜阵列(3)，次级微球面反射镜阵列(4)，太赫兹透镜(5)以及次级全反反射镜(6)，目标物体(7)；需要说明的是本发明各个反射镜尺寸及相互距离均可以根据实际工作要求进行相应调整。本实施例中，辐射源(1)水平设置，初级全反反射镜(2)与入射光束成45°夹角，初级微球面反射镜阵列(3)与初级全反反射镜(2)(中心点)垂直方向距离为10mm，相互平行。次级微球面反射镜阵列(4)与初级微球面反射镜阵列(3)成90°夹角，两者中心点的水平方距离以能够使经初级微球面反射镜阵列(3)整形后的太赫兹光束铺满整个次级微球面反射镜阵列(4)前表面且没有遗失光线为合适，实施例中两者水平距离为30mm。太赫兹透镜(5)水平设置，与次级微球面反射镜阵列(4)之间的夹角为45°，距离可调，实施例中保持为10mm。次级反全反射镜(6)与太赫兹透镜(5)成45°夹角，两者距离可调，实施例中保持为10mm。
初级微球面反射镜阵列(3)与次级微球面反射镜阵列(4)的各个子反射镜单元都是球面镜，但尺寸可以相同也可以不同，其示意图如图2所示。本实施例中，初级微球面反射镜阵列(3)的子反射镜尺寸为140um，厚度为1mm，其中球面厚1um；次级微球面反射镜阵列(4)的子反射镜的尺寸为120um，厚度为1mm，其中球面厚1um。微球面反射镜阵列示意图如图3所示，初级微球面反射镜阵列(3)与次级微球面反射镜阵列(4)有不同的单元个数，其中初级微球面反射镜阵列(3)是30*30个子反射镜构成的阵列，次级微球面反射镜阵列(4)是60*60个子反射镜构成的阵列。
所有的反射镜及微球面反射镜阵列表面镀20nm厚金镜面以提高反射率。
太赫兹透镜(5)第一面及第二面均为球面,其中第一面的曲率半径为40mm，第二面的曲率半径为-40mm，透镜厚度为2.5mm，透镜焦距为22.6mm；透镜采用高阻浮区硅材料，并在第一面表面涂覆一层17.56um厚的聚对二甲苯增透膜。
经上述系统整形前后的太赫兹光束的对比结果如图4和图5所示。其中图4(a)是未经过整形的太赫兹光束辐照度图，容易看出此时光斑直径小且能量集中在光斑中心部分；图4(b)所示经过本发明所述装置处理过后的太赫兹光束辐照度图，容易看出经过处理后，光束直径扩大，经测算，出射太赫兹光束相比于入射光束扩束达到7倍左右，同时光束能量分布更加均匀化。图5(a)是未经过整形的太赫兹光束辐坎德拉图，光束能量集中；图5(b)经过本发明所述装置处理过后的太赫兹光束辐照度图矩形坎德拉图，从图5对比中亦可以看出，经本发明的均匀化系统处理后，出射太赫兹光比入射太赫兹光能量分布更加均匀化，达到了扩束及均匀化的目的。
需要说明的是，本发明所述基于微球面反射镜阵列的太赫兹波扩束均匀化装置的具体尺寸参数和材质并不局限于上述数值与类别；同时，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征除了互相排斥的特征以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，包括初级全反反射镜(2)、初级微球面反射镜阵列(3)、次级微球面反射镜阵列(4)、太赫兹透镜(5)和次级全反反射镜(6)，初级全反反射镜(2)前端为太赫兹光源(1)，次级全反反射镜(6)后端为待照射的目标物体(7)；所述太赫兹光源(1)发射出的太赫兹平行光束依次经过初级全反反射镜(2)反射后入射到初级微球面反射镜阵列(3)，经过初级微球面反射镜阵列(3)和次级微球面反射镜阵列(4)依次扩束并均匀化后，再经过太赫兹透镜(5)整形成平行光束，最后由次级全反反射镜(6)反射后照射到目标物体(7)表面；所述次级微球面反射镜阵列(4)与初级微球面反射镜阵列(3)垂直设置。
2.如权利要求1所述的太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，所述太赫兹光源(1)发射出的太赫兹平行光束呈45°夹角入射初级全反反射镜(2)，所述初级微球面反射镜阵列(3)与初级全反反射镜(2)平行设置，所述次级全反反射镜(6)与太赫兹透镜(5)成45°夹角。
3.如权利要求1所述的太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，所述初级微球面反射镜阵列(3)和次级微球面反射镜阵列(4)均由若干个子反射镜单元构成，所述子反射镜单元均为球面反射镜，其曲率半径为微球面镜厚度的90～150倍；子反射镜单元尺寸为0.8～1.5λ，λ为太赫兹光波长。
4.如权利要求1所述的太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，所述太赫兹透镜为厚凸透镜，双面均为球面，其焦距以使其出射光束修正为平行光；太赫兹透镜采用折射率为2.6～3.9的高阻浮区硅材料。
5.如权利要求4所述的太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，所述太赫兹透镜的入射面涂覆有厚度为10～80um的增透抗反膜，所述增透抗反膜材料为聚对二甲苯、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚4-甲基戊烯-1。
6.如权利要求1～5任一所述的太赫兹光扩束均匀化装置，其特征在于，所述初级全反反射镜(2)、初级微球面反射镜阵列(3)、次级微球面反射镜阵列(4)、次级全反反射镜(6)的反射面均镀有30～500纳米厚的金属镜面。
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