CN105651385B - 基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法。该测量装置包括干涉器件、干涉控制器、探测器和计算处理单元。待测太赫兹波经由干涉器件后形成两束或两束以上太赫兹波，之后再次相遇发生干涉，干涉控制器使得探测器在干涉控制器不同控制条件作用下可以测得不同的太赫兹波干涉强度；计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并进行数据分析和处理。本发明的太赫兹波谱测量装置相比现有的太赫兹时域波谱测量装置具有体积较小、易于制作、成本相对低廉，且频率分辨率高、光谱测量范围宽等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波谱测量装置及其测量方法，尤其涉及一种基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置及波谱测量方法，属于远红外探测技术领域。
背景技术
目前，国际上对太赫兹(THz)波已达成如下共识，即太赫兹波(指频段范围为0.05～50THz，特别是0.1～10THz的电磁波)是一种新的、有很多独特优点的电磁波；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹波谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲波源与传统光源相比具有很多独特的性质，是人们认识自然、改造自然的有力工具。但是相对于其他波段的电磁波比如红外线和微波，对太赫兹波的认识和应用非常匮乏。随着太赫兹波产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展，太赫兹波谱测量技术也是其中之一。
文献1(张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光电子学进展，2005年7月，35～38页)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的频谱图。
但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟装置。由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、位置的偏移等)的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如l ns甚至l ns以上)的测量，从而直接限制了其频谱分辨能力(典型值3-50GHz)。另外，基于机械时间延迟装置的系统扫描速度比较慢，抗振动能力差。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。
文献2(A.Bartels，etc.，High-resolution THz spectrometer with kHz scanrates,0PITCS EXPRESS,Vol.14，No.1，pp.430～437)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它是一种异步光学采样(Asynchronous Optical Sampling)时域光谱测量方法。在文献2的方法中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量方法需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2的方法中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Δf，则在1/Δf的时间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的时域谱。
如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去了机械时间延迟装置，并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使系统能保持高的频谱分辨能力(典型值：1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0.1ms，多次扫描信噪比典型值：60dB@60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激光器的重复频率(由典型值80MHz提高到了l GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(l GHz重复频率的理论频谱分辨率为l GHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。而且，采用两台飞秒激光器也提高了整个装置的成本。
因此，对于太赫兹波谱测量系统来说，要求其在波谱测量性能上同时满足宽频谱和高频谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的体积较大、成本较高、对振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置及太赫兹波谱测量方法。
本发明采用的技术方案如下：
基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，包括干涉器件、干涉控制器、探测器和计算处理单元，待测太赫兹波经由所述干涉器件后形成两束或两束以上太赫兹波，之后再次相遇发生干涉，所述干涉控制器使得探测器在干涉控制器不同控制条件作用下可以测得不同的太赫兹波干涉强度；所述计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并进行数据分析和处理。
所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于干涉器件之前的太赫兹波准直装置。
进一步地，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个透镜之间共同焦点处的小孔光阑；或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。
所述干涉控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，改变干涉器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉器件与探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹波干涉波的场强分布发生变化。
进一步地，所述干涉器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述干涉控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光图案信号照射在所述本征半导体的表面。
所述干涉器件通过干涉器件上的小孔或者狭缝将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波；或者通过干涉器件的不平整表面将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波；或者通过干涉器件的边界将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波，其中至少有一束太赫兹波从干涉器件内部穿过且至少有一束太赫兹波从干涉器件外部穿过。
所述干涉器件与探测器之间还设有传输器件，所述干涉控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，改变传输器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变传输器件与干涉器件、探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹波干涉波的场强分布发生变化。
优选地，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为电光晶体，所述电光晶体位于其中一条金属狭缝的后方，所述干涉控制器通过改变电场控制电光晶体的折射率。
优选地，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为聚合物，所述聚合物位于其中一条金属狭缝的后方，所述干涉控制器通过机械调制的方法调节聚合物的放置角度。
优选地，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为本征半导体，所述本征半导体位于其中一条金属狭缝的后方；所述干涉控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射在本征半导体的表面。
所述计算处理单元与所述干涉控制器可以进行数据交换，在干涉控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，干涉控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控制参数，使得探测器测到另一个值。
本发明基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频段，或者将探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为f1,f2,…fn，或者各波段的中心波长记为λ1,λ2,…λn；
步骤2、令待测太赫兹波依次通过干涉器件和探测器，并通过所述干涉控制器的控制，输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值，用这n个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P1,P2,…Pn；
步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频分量f1,f2,…fn的大小P(f1),P(f2),…P(fn)，或者通过矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λ1,λ2,…λn的大小P(λ1),P(λ2),…P(λn)：
式中，Cij表示在干涉控制器第j个控制参数下，频率为fi或者波长为λi的太赫兹波在发生干涉与不发生干涉的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，这个值通过实验预先测得；其中，i＝1,2…n，j＝1,2…n；
步骤4、对P(f1),P(f2),…P(fn)或者P(λ1),P(λ2),…P(λn)进行曲线拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱曲线。
进一步地，所述步骤2中，所述干涉器件与探测器之间还设有传输器件，在所述n个控制参数的作用下，干涉控制器可以通过光调制、电调制、温度调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变干涉器件或者传输器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉器件、传输器件、探测器三者之一的相对位置或者放置角度，从而可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值。
进一步地，所述步骤3中，利用吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法中的一种数学优化方法求解矩阵方程。
优选地，在所述吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子项，通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的太赫兹波谱曲线更加平滑。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明中的太赫兹波谱测量方案完全避开采用傅里叶变换的方法，不需要昂贵的仪器搭建复杂的光路。只需要一个简单的无序结构光学元件就可以对各个波长的太赫兹波形成不同的干涉光场分布，从而实现波谱复原，因此整个装置的成本较低。
(2)本发明通过解方程组复原太赫兹波谱的方法使得光谱复原范围以及分辨率不再受机械装置移动范围和飞秒激光器重复频率的限制，因此分辨率较高、光谱复原范围较宽。
(3)本发明的太赫兹波谱测量装置相比现有的太赫兹时域波谱测量装置体积较小，便携性大大提高。
附图说明
图1为本发明采用的太赫兹波谱频率划分方法，图中横坐标表示频率；纵坐标是归一化太赫兹波谱强度；
图2为本发明波谱测量装置的基本结构示意图，其中实心箭头表示数据传输方向，虚线箭头表示可能存在的数据传输方向；
图3为实施例1的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图4(a)、(b)、(c)为三种激光光斑在半导体表面的分布图样；
图5为准直装置结构示意图；
图6为实施例2的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图7为实施例3的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图8为实施例4的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；其中实心箭头方向为聚合物可以翻滚的方向；
图9为实施例4的另一种调节方式的示意图，其中实心箭头方向为聚合物可以旋转的方向；
图10为实施例5的太赫兹波谱测量装置的结构示意图，其中箭头方向为聚合物位置或者角度可以调节的方向；
图11为实施例5的另一种调节方式的示意图，其中箭头方向为太赫兹波探测器位置可以调节的方向；
图12为实施例6的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图13为实施例6的另一种太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图14为实施例7的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图15为实施例7的另一种太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
图16为另一种准直装置结构示意图。
图中，1为太赫兹波，2为准直装置，21为太赫兹波源，22为干涉器件，23为传输器件，24为干涉控制器，25为计算处理单元，26为数据传输，27为可能的数据传输，3为本征半导体薄片，4为相互干涉的太赫兹波，5为太赫兹探测器，6为激光器，7为数字微反射镜，8为透镜组，9为激光束，10为狭缝，11为太赫兹波光斑，12为激光照射光斑，13为太赫兹波电光晶体，14为电源与电极，15为太赫兹波凸透镜，16为小孔光阑，17为金属薄片，18为聚合物，19为太赫兹波反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是利用干涉控制器24改变太赫兹波1透过干涉器件22后在探测器5位置处的太赫兹波干涉场强度，通过测量不同控制条件作用下被探测器5所探测到的太赫兹波干涉场强度，代入并求解线性方程组获得待测太赫兹波1的频谱。
干涉(英语：interference)，指满足一定条件的相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布。
当待测太赫兹波经过干涉器件22后，会分成两束或多束太赫兹波，其中同频率的两束或多束太赫兹波相遇就会发生干涉，从而在探测器位置处形成一定的相干场强分布。而对于不同频率(或波长)的太赫兹波分量，经过干涉器件22后在探测器位置处所形成的相干场强分布互不相同，因此可以通过干涉效应将不同频率的入射波分量区分开来。当一个宽频的太赫兹波(即里面有很多个频率分量的太赫兹波)经过干涉器件22后，探测器所探测到的数值是每一个频率(或波长)的太赫兹波分量在探测器位置处干涉场作用的线性叠加。而当干涉控制器的不同输出信号使得发生干涉的太赫兹波间的相位差发生改变时，探测器所探测到的线性叠加后的干涉场强度也互不相同，因此可以通过反演得到待测太赫兹波的频谱信息。详细解释如下：
按照探测器的测量频率范围，将该频段分成n等份。假设待测太赫兹波波谱曲线如图1所示，波谱曲线就被分成n段，每一段的中心频率为fi(i＝1,2…n)，频宽为Δf，待测太赫兹波中每段频率分量的功率对应于图1中每个小矩形的面积P(fi)。需要测的待测太赫兹波谱线可以由图1中各个频率所对应的幅度进行线性拟合得到，所以目标转化为求上图中各个小矩形的高度。考虑到n的数目比较多，根据微积分的原理，入射的太赫兹波的总入射功率可以近似为图1中曲线下面很多个小矩形面积的总和。先不考虑控制器的作用，当入射的太赫兹波1经过干涉器件22和传输器件23后，被探测器5探测到。此时，该探测器5接收到的功率，一方面可以通过自身直接探测；而另一方面，探测器5接收到的功率也可以通过入射的太赫兹频谱进行计算得到。因为被探测器5探测到的太赫兹波各频率分量的功率，与原来没有发生干涉时的太赫兹波各频率分量的功率相比都有一定程度的改变，即图1中每一个小矩形的面积发生了变化，而且这个改变的比例对于太赫兹波各频率分量来说互不相同。这些改变比例，即探测器5对于待测太赫兹波各频率分量的探测率，可以事先通过将各频率的太赫兹波干涉发生后与干涉发生前探测器5所测值分别减去探测器5的固有噪声相比后，计算测得。当各部件的位置和结构固定，该探测率也是固定值，可以事先测得。因此就可以得到一个方程，方程的左边是探测器5探测得到的功率测量值，方程组的右边是待测太赫兹波中各个频率分量的功率大小与探测器5对太赫兹波各频率分量的探测率分别相乘后再相加所得到的计算值。此后，通过干涉控制器24改变干涉场分布，改变后探测器5对太赫兹波各频率分量的探测率以及探测器接收到的总的太赫兹功率又将发生变化。那么当干涉控制器24输出不同的信号，在探测器5位置处将测得一系列不同的太赫兹波相干场功率。因此，就可以得到一个方程组或矩阵方程，解此方程组或矩阵方程就可以得到待测太赫兹波的归一化光谱。
不过，因为探测器本身具有一定的信噪比，由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组。而且如果频率划分份数n数目比较多的话，很难用普通的方法求解该方程组，所以需要用到一些数学优化方法。比如吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法。以及对这些方法进行改进后衍生出的其他优化方法，比如在吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法中加入平滑因子项，该项通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的频谱曲线更加平滑，矩阵方程的近似解形式如下：
式中，η>0是正则化系数，它控制着范数与附加约束条件之间的权重。是波谱复原结果的光滑系数，它控制着两个相邻解x1和x2之间的距离。
求得线性方程组的解后进行定标，就可以得到待测太赫兹波的复原频谱。
结合以上原理，基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置的基本结构如图2所示，包括干涉器件22、传输器件23(可以省略)、干涉控制器24、探测器5以及计算处理单元25。它们的功能是：干涉器件22使得太赫兹波分成两束或者多束，干涉控制器24可以控制探测器所探测到的太赫兹波干涉强度，传输器件23可以作为干涉控制器24调节太赫兹波相位差的媒介(传输器件可以在干涉控制器不同控制作用下，使得在其内传输的太赫兹波与没有在其内传输的太赫兹波在探测器位置处的相位差发生变化)，探测器5可以用来探测发生干涉的太赫兹波强度，计算处理单元25用来计算与分析数据。太赫兹波谱测量过程是：假设一束太赫兹波1从太赫兹波源21发出，经过太赫兹准直装置2，照射到干涉器件22上。该太赫兹波1经过干涉器件22后会发生干涉效应，太赫兹波所形成的干涉场强或者功率最终被探测器5探测到。探测器5将所探测到的数据发送到计算处理单元25。干涉控制器24可以通过光调制或者电调制或者机械调制等调控手段，作用于干涉器件22或者传输器件23或者探测器5(图2中虚线27表示可能的数据传输，箭头表示数据传输方向)，使得发生干涉的太赫兹波的相位差发生变化，从而使得从干涉器件22透过的太赫兹干涉波4在探测器5的探测端位置处的场强分布发生变化，最终使得探测器5在干涉控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹干涉波强度。计算处理单元25通过与探测器5进行数据传输(图2中实线26表示数据传输，箭头表示数据传输方向)，记录下干涉控制器24不同控制作用下探测器5的测量结果，通过将测量结果代入并求解矩阵方程，自动实现光谱复原及结果输出。
如果要通过干涉控制器24使得从干涉器件22透过的太赫兹干涉波4在探测器5的探测端位置处的场强分布发生变化，可以通过多种途径实现。比如，可以通过干涉控制器24改变干涉器件22中介质的形状、大小、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变传输器件23中介质的形状、分布、结构、电导率或者折射率，或者改变干涉器件22、传输器件23、探测器5三者之一的相对位置和放置角度，最终使得探测器5在干涉控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹波干涉场强度。
根据上述控制太赫兹波相干场的方案，可以设计出不同结构的太赫兹波谱测量装置。下面结合上述太赫兹波谱测量的原理，具体举几个实施例：
实施例1：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构图如图3所示。干涉器件22在本实施例中为一个等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体薄片3。所用本征半导体可为本征砷化镓(GaAs)或者本征硅(Si)。干涉控制器24在本实施例中为激光器6、透镜组8(也可采用反射镜代替)、空间光调制器。空间光调制器采用数字微反射镜7(Degital MicromirrorDevice)。激光器6可采用掺钛蓝宝石激光器。探测器5为太赫兹波探测器，如Golay Cell或者Bolometer。待测的太赫兹波沿着传输方向依次经过本征半导体3和探测器5。干涉控制器24发出激光图案信号射在作为干涉器件22的本征半导体3的表面。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图3中未示出)。传输器件23在本实施例中省略。
在本实施例中，本征半导体薄片3的表面与太赫兹波1传输方向垂直，太赫兹波1透过本征半导体3后，形成太赫兹干涉波4，可被太赫兹波探测器5探测到。因为本征半导体薄片3本身并不能使得太赫兹波发生干涉，如果要使得干涉发生，需要采用上述干涉控制器24发射出可调制激光9，在半导体3的表面形成具有一定分布的激光光斑12。如图3所示为在半导体表面所形成的激光光斑图样，阴影部分为激光照射的区域。根据公知常识，当激光足够强时，在激光照射的半导体表面位置处的光生载流子浓度较高，使得该处半导体表面的等离子体频率大于太赫兹波的频率，该处半导体的介电常数实部为负，半导体材料表现为金属特性，太赫兹波在该处半导体的透过率较低。相反，在没有被激光照射到的半导体区域，因为载流子浓度较低，所以该处半导体表面的等离子体频率小于太赫兹波的频率，该处半导体的介电常数实部为正，半导体材料表现为介质特性，太赫兹波在该处半导体的透过率较高，因此太赫兹波可以从不被激光照射的半导体区域穿透。当激光照射的区域和不被激光照射的区域形成如图3所示的双缝结构时，探测器就可以测得从双缝透过的太赫兹波干涉场的强度。
通过数字微反射镜7使得半导体表面的不同位置被照射，从而改变双缝的位置和间距，如图4所示。因此，从双缝中透射出来的在探测器位置处发生干涉的同频率太赫兹波之间的相位差就会发生变化，从而通过数字微反射镜7就可以切换通过半导体的太赫兹波的干涉场强分布。
为了提高测量的准确性，本实例中首先使入射的太赫兹波通过一个准直装置2，本实施例中的准直装置2的结构如图5所示，包括两个共焦的太赫兹波凸透镜15，两个太赫兹波凸透镜15共同的焦点处设置有光阑16，待测太赫兹波通过该光学准直装置2后即可转变为平行传输的太赫兹波1。这样不仅使得只有平行传输的太赫兹波才能入射到该太赫兹波谱测量装置，而且限定了待测太赫兹波的波束宽度，有利于提高测量的准确度。
由上述分析可知，当干涉器件确定后，透过干涉器件的太赫兹干涉波强度与待测的太赫兹波频率以及干涉控制器的输出信号有关。因此，对于某一特定频率的太赫兹波，通过干涉控制器改变照射在半导体表面的光场分布，太赫兹探测器就将探测到不同的太赫兹波强度；而对于不同频率相同强度的太赫兹波，当照射到半导体表面的激光图样不发生变化时，经由干涉器件的各频率太赫兹干涉波场强角分布也不同。在照射到半导体表面的激光取n种不同的分布图案时，太赫兹探测器就可以测得n个数据，将探测器探测到的值去除环境噪声后所得到的值作为增广矩阵；将探测器所能探测的频率范围均匀划分成n份，每一份中心频率的太赫兹波分量在待测太赫兹波中的大小作为未知数；事先测得在每一个激光图样使得太赫兹波发生干涉时所对应的探测器对各太赫兹波频率分量的探测率，并将该探测率的数值代入到系数矩阵。通过吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法求解矩阵方程，并将所得结果进行线性拟合、频谱定标就可以得到待测太赫兹波的波谱。基于该原理即可得到本发明的波谱测量(波谱复原)方法，具体如下：
步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f1,f2,…fn。
如图1所示，在探测器的测量频率范围内，将太赫兹波谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，假设每一份的中心频率分别为f1,f2,…fn，频率间隔为Δf，P(fi)(i＝1,2,…n)为频率fi的太赫兹波频率分量对应的功率大小，待测太赫兹波中每个频率段所对应的太赫兹波分量的功率即为每个小矩形的面积，根据微积分原理，入射太赫兹波的总功率P0可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各频率分量功率的迭加。如果用数学公式表示，可表示为：
步骤2、令待测入射太赫兹波依次通过半导体和探测器5，并通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射n个不同的激光图案，用这n个激光图案下探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P1,P2,…Pn。这里的数值可以为功率，也可以是其它表示强度大小的量。在本实施例中为功率。
通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射n个不同的激光图案时，要使得这些激光图案中至少有两个或以上狭缝图案，狭缝图案所在位置是激光没有照射到的半导体表面位置。不同激光图案之间的不同可以是狭缝的位置和狭缝之间距离的变化。由于计算处理单元25与数字微反射镜7可以进行数据交换，数字微反射镜7每次控制照射在半导体表面的激光光束，探测器5自动记录数据，记录完成后，数字微反射镜7自动切换照射在半导体表面的激光图样，使得探测器5测到另一个值。
由于测量环境中或多或少会存在噪声影响，本发明为了提高太赫兹波谱测量结果的准确性，将实测得到太赫兹波功率数据进行校准，即减去环境噪声的功率。对于特定的测量环境，环境噪声所产生的功率值是唯一确定的定值，即在没有待测入射太赫兹波条件下，太赫兹波探测器所探测到的测量环境中的功率数据。将探测器在n个不同的激光图案所对应探测到测量值分别减去环境噪声后，分别记为P1,P2,…Pn。
在给半导体表面照射第j幅激光图案的情况下，太赫兹探测器所测到的太赫兹干涉波功率值再减去噪声功率后，应为：
其中，Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示在第j个激光图案照射在半导体表面的情况下，频率为fi的太赫兹波在经过与不经过半导体的情况下(或者激光图案照射与不照射半导体的情况下)，太赫兹波探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。
当给半导体表面照射n种不同的图案时，太赫兹波探测器就可以测得一系列的功率数据，将这些功率表示为如下线性方程组：
P1＝C11P(f1)+C21P(f2)+…+Cn1P(fn)，
P2＝C12P(f1)+C22P(f2)+…+Cn2P(fn)，
…
Pn＝C1nP(f1)+C2nP(f2)+…+CnnP(fn)，
其中，C11,C21,…Cn1分别为在第1幅激光图案照射在半导体上，频率为f1,f2,…fn的太赫兹波在经过与不经过半导体的情况下(或者激光图案照射与不照射半导体的情况下)，太赫兹波探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。当波谱测量装置各部件的位置以及干涉控制器的输出值确定后，则Cij为一组定值，可通过实验测得，例如，可采用如下方法：先用宽频的太赫兹波分别通过中心透射频率为f1,f2,…fn的太赫兹波超窄带通滤波片(很多厂家可以生产，例如德国Thorlabs公司，也可以通过超材料自制)，分别生成频率为f1,f2,…fn的单频太赫兹波，每个单频太赫兹波的频谱宽度为Δf，让通过太赫兹波窄通滤波片出射的频率为f1,f2,…fn的单频太赫兹波依次经过没有激光照射的半导体，用太赫兹波探测器分别探测经由太赫兹波窄带滤波片和半导体的中心频率分别为f1,f2,…fn的太赫兹波强度；然后通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射某个激光图案，测量由太赫兹波窄通滤波片出射的不同频率的太赫兹波通过半导体后探测器所探测到的太赫兹波强度，测得的太赫兹波强度与没有激光照射在半导体表面时所测强度分别减去噪声强度后两者的比值，即为不同频率的太赫兹波在该激光图案照射下对于太赫兹波探测器的探测率C1j,C2j,…Cnj(j＝1,2…n)。通过数字微反射镜7改变照射在半导体表面的图案，重复上述步骤，即可得到一组数据Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)。这一组数据可组成系数矩阵C：
系数矩阵C是波谱测量装置在以上几组激光照射图案确定后的固有参数，当干涉控制器的输出参数确定后，该太赫兹波谱测量装置对应一个恒定的系数矩阵C。
步骤3、通过求解以下矩阵方程得到待测入射太赫兹波中各频率分量f1,f2,…fn的功率P(f1),P(f2),…P(fn)。
如果用矩阵形式y＝Cx表示，设x代表每一份的中心频率在待测太赫兹波中的归一化功率的大小，C代表探测率组成的系数矩阵，而太赫兹波探测器所接收到相应的功率减去噪声功率后作为增广矩阵y，则线性方程组可表示为以上矩阵形式。
而吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法是求解病态方程组较为先进的方法，但必须选择合适的正则化参数，并在必要时在吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法中加入平滑因子项，使得所得到的频谱曲线更加平滑。求解上述线性方程组得x：
就可以求得待测太赫兹波谱中各频率分量所对应功率P(fi)的大小。
除了上述采用的吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法外，还可以采用最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法等数学优化方法求解上述线性方程组。
步骤4、对P(f1),P(f2),…P(fn)进行线性拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱。
在实际器件构建过程中，器件的位置、尺寸、形状、材料特性等可能与最初的设计要求有一定的偏差，但是当器件做好后，干涉控制器输出不变的情况下探测器对于一定频率的太赫兹波的探测率是一个固定值。只要对于不同的干涉控制器输出和不同的频率的太赫兹波，探测器的响应不同，就可以解方程组。在求解方程组过程中，探测器所采集到的太赫兹波强度以及对不同频率的太赫兹波的探测率都是测量值。由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法较难求解，而采用吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法等数学优化方法求解该线性方程组可以消除明显失真而且求解速度快，该方程组求解后即可得待测太赫兹波各频率所对应的归一化波谱强度，最后进行波谱定标就得到了复原的波谱曲线。以上的计算过程可利用计算处理单元自动进行，并可进一步利用计算处理单元同时对干涉控制器进行自动控制，从而实现自动快速的太赫兹波谱测量。
除了以上波谱测量装置结构外，本发明采用干涉的原理还可以设计诸多不同的结构实现干涉器件、干涉控制器或者传输器件的功能。
实施例2：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图6所示，包括太赫兹波准直装置2、等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体薄片3、金属薄膜17、太赫兹波探测器5，激光器6等。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图6未示出)。干涉器件22在本实施例中由金属薄膜17内的两个狭缝10组成，金属薄膜17上的两个或多个狭缝10可以使得太赫兹波在探测器位置处发生干涉，传输器件23在本实施例中为本征半导体薄片3。在本实施例中，传输器件23所用本征半导体3可为本征砷化镓(GaAs)或者本征硅(Si)。这里的金属薄膜可以通过蒸镀的方式镀在半导体的表面，而金属薄膜内的狭缝可以通过光刻蚀、X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等方法制作。金属薄膜以及本征半导体薄片的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度。干涉控制器24在本实施例中为激光器6、透镜组8。激光器6、透镜组8可以照射激光于其中一个狭缝后的半导体的表面，因此可以通过改变激光器6照射在的半导体表面的激光光强，从而改变半导体表面的等离子体频率。但是，被调制后的半导体表面最高等离子体频率始终小于待测宽频太赫兹波1的最低频率，因此太赫兹波仍然可以透射被激光照射的小孔后的半导体。探测器5采用太赫兹波探测器，如Golay Cell或者Bolometer等。太赫兹波透过两个狭缝后，在探测器5位置处形成太赫兹相干波4，可被太赫兹波探测器5探测到。根据常识，当激光照射在本征半导体表面时，会在本征半导体表面形成光生载流子。而载流子浓度提高后会改变被照射半导体表面的介电常数，从而使得该处半导体的折射率发生变化，因此在不同强度的激光照射下，光生载流子的数量不同，使得半导体折射率变化的程度也不相同，从而在探测器位置处发生干涉的太赫兹波之间的相位差不同。因此，通过对激光光强进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹干涉波强度。
实施例3：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图7所示，包括太赫兹波准直装置2、金属薄片17、金属薄片上的狭缝10、太赫兹波电光晶体28、电源与电极29、太赫兹波探测器5等。本实施例中的太赫兹波电光晶体28可以是碲化锌、砷化镓、铌酸锂晶体。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图7中未示出)。干涉器件22在本实施例中由金属薄片上的两个狭缝10构成，传输器件23在本实施例中为太赫兹波电光晶体13，干涉控制器24在本实施例中由电极及电源14组成。探测器5采用太赫兹波探测器，如Golay Cell或者Bolometer等。金属薄片上的两个狭缝10使得太赫兹波分成两束。其中一束经过太赫兹波电光晶体13后，与另一束太赫兹波在探测器位置处形成干涉，太赫兹干涉波4的大小可被太赫兹波探测器5探测到。通过对电极施加不同电压，从而使得对太赫兹波电光晶体13施加不同的外加电场。根据电光晶体的性质，在不同电场作用下，太赫兹波电光晶体13对太赫兹波具有不同的折射率，因此形成干涉的两束太赫兹波的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹干涉波强度也会相应变化，因此通过对电极所加电压进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹干涉波强度。
实施例4：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图8和图9所示，包括太赫兹波准直装置2、金属薄片17、金属薄片上的狭缝10、聚合物18、太赫兹波探测器5、对聚合物进行位置或角度控制的光学平移台(图8和图9中未示出)等。本实施例中的聚合物18可由PTFE(聚四氟乙烯，polytetrafluoroethylene或teflon)或TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methyl pentene copolymer)等材料构成。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图中未示出)。干涉器件22在本实施例中由金属薄片上的两个狭缝10构成，传输器件23在本实施例中为聚合物18，干涉控制器24在本实施例中为光学平移台。探测器5采用太赫兹波探测器，如Golay Cell或者Bolometer等。金属薄片上的两个狭缝10使得太赫兹波分成两束。其中一束经过太赫兹波聚合物18后，与另一束太赫兹波在探测器位置处形成干涉，太赫兹干涉波4的大小可被太赫兹波探测器5探测到。通过光学平移台对聚合物18进行翻转或旋转，如图8和图9所示，图中实心箭头方向为翻转或旋转的方向。聚合物18翻转或旋转到不同位置，太赫兹波在聚合物18中经过的路程将发生变化，因此形成干涉的两束太赫兹波的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹干涉波强度也会相应变化，因此通过对聚合物18进行机械调控，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹波干涉强度。
实施例5：
也可以不采用狭缝的方法对太赫兹波进行分束。本实施例中的太赫兹波谱测量装置的结构如图10所示，包括太赫兹波准直装置2、太赫兹波探测器5、厚度不均匀的聚合物18、对聚合物18进行位置或者角度控制的光学平移台(图10中未示出)。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图10中未示出)。干涉器件22由聚合物18组成，聚合物18可以采用TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methyl pentene copolymer)或者PTFE(聚四氟乙烯，polytetrafluoroethylene或teflon)等材料制作。探测器采用太赫兹波探测器5，如GolayCell或者Bolometer。干涉控制器24在本实施例中为光学平移台，它可以对聚合物18进行位置或者放置角度的控制，如图10所示，图中实心箭头方向为翻转或旋转的方向。太赫兹波1的波束照射到聚合物18后，可以从聚合物18的不同部位或从聚合物18边界旁边穿过。如果聚合物18表面不平整就可以对太赫兹波进行分束，而当它们从聚合物18穿出时就会存在相位差，这些太赫兹波就会发生干涉。另一种情况是，从聚合物18中穿透过的与没有从聚合物18中经过的太赫兹波之间存在相位差，这些太赫兹波也会发生干涉。因为聚合物18翻转或旋转或移动到不同位置，太赫兹波在聚合物18中经过的路程将发生变化，因此形成干涉的太赫兹波之间的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹波相干强度也会相应变化，因此通过对聚合物18的位置和放置角度进行机械调控，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹波干涉强度。
除了对聚合物18的位置和放置角度进行机械调控外，也可以对探测器5的位置和放置角度进行机械调控，从而使得探测器5接收到相位差不同的太赫兹相干波4，如图11所示。采用该装置同样可以实现太赫兹波谱测量。
实施例6：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图12所示，包括太赫兹波准直装置2(图12中未示出)、太赫兹波电光晶体13、电源与电极14、太赫兹波探测器5。本实施例中的太赫兹波电光晶体13可以是碲化锌、砷化镓、铌酸锂晶体。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图12中未示出)。干涉器件22在本实施例中由电光晶体13构成，传输器件23在本实施例中也是电光晶体13，干涉控制器24在本实施例中由电极及电源14组成。探测器5采用太赫兹波探测器，如GolayCell或者Bolometer等。电光晶体13不光滑表面使得太赫兹波分成多束。从电光晶体13表面不同部位透射的太赫兹波在探测器位置处形成干涉，太赫兹干涉波4的大小可被太赫兹波探测器5探测到。通过对电极施加不同电压，从而使得对太赫兹波电光晶体13施加不同的外加电场。根据电光晶体的性质，在不同电场作用下，太赫兹波电光晶体13对太赫兹波具有不同的折射率。因为从电光晶体13不同部位透射的太赫兹波在电光晶体13内经过的路程不同，因此形成干涉的太赫兹波之间的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹干涉波强度也会相应变化，因此通过对电极所加电压进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹干涉波强度。
此外，太赫兹电光晶体13的边界也可以将太赫兹波分束，如图13所示。此时从平整表面的电光晶体13内穿透过的太赫兹波与没有从电光晶体13内经过的太赫兹波，可以在探测器5位置处形成太赫兹波干涉场分布。通过对电极施加不同电压，从而使得对太赫兹波电光晶体13施加不同的外加电场。根据电光晶体的性质，在不同电场作用下，太赫兹波电光晶体13对太赫兹波具有不同的折射率，因此形成干涉的太赫兹波之间的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹干涉波强度也会相应变化，因此通过对电极所加电压进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹干涉波强度。
实施例7：
本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图14所示，包括太赫兹波准直装置2(图14未示出)、本征半导体3、太赫兹波探测器5，激光器6(图14未示出)等。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图14未示出)。干涉器件22在本实施例中由本征半导体3组成，传输器件23在本实施例中也是本征半导体3，本征半导体3可为本征砷化镓(GaAs)或者本征硅(Si)。本征半导体3的等离子体频率小于太赫兹波频率，本征半导体3的表面不平整，干涉控制器24在本实施例中为激光器6，激光器6所发出的激光9照射到半导体3的不平整表面，半导体表面部分位置被照射，也有半导体表面部分位置由于半导体表面不平整没有被激光照射，在被照射处有激光光斑12。当太赫兹波射到不平整的本征半导体表面，半导体不平整的界面使得太赫兹波会分成多束，有些从被激光照射的半导体表面透射过，有些从没有被激光照射的半导体表面透射过，这些透射的太赫兹波之间会发生干涉。探测器5采用太赫兹波探测器，如Golay Cell或者Bolometer等。由于在不同强度的激光照射条件下本征半导体的介电常数或折射率会发生相应变化。但是，被调制后的半导体表面最高等离子体频率始终小于待测宽频太赫兹波1的最低频率，因此太赫兹波仍然可以透射被激光照射的半导体表面。太赫兹波透过被激光照射和没有被激光照射的半导体表面后会发生干涉，可被太赫兹波探测器5探测到。根据常识，当激光照射在本征半导体表面时，会在本征半导体表面形成光生载流子。而载流子浓度提高后会改变被照射半导体表面的介电常数，从而使得该处半导体的折射率发生变化。干涉控制器24是通过改变照射在半导体3部分表面的光强实现调控的。在不同强度的激光照射下，光生载流子的数量不同，使得半导体折射率变化的程度也不相同，使得透过被照射不同强度激光照射的半导体的太赫兹波与透过没有激光照射的半导体的太赫兹波之间的相位差发生变化。因此，通过对激光光强进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹干涉波强度。
此外，采用半导体3的边界也可以将太赫兹波分束，如图15所示。此时从表面平整的半导体3内穿过的太赫兹波与没有从半导体3内穿过的太赫兹波，可以在探测器5位置处形成太赫兹波干涉场分布。通过激光器6对半导体表面照射不同的激光光强，在不同强度的激光照射下，光生载流子的数量不同，使得半导体折射率变化的程度也不相同，从而在探测器位置处发生干涉的太赫兹波之间的相位差不同。因此，通过对激光光强进行控制，就可以使得形成干涉的太赫兹波之间的相位差会发生变化，探测器5所探测到的太赫兹干涉波强度也会相应变化。
实施例8：
上述所有实施例中，准直装置2除了采用如图5中的太赫兹凸透镜外，还可以采用太赫兹反射镜19。如图16所示的太赫兹波准直装置2的结构包括两个共焦的太赫兹波反透镜19，两个太赫兹波反透镜19共同的焦点处设置有光阑16，待测太赫兹波通过该光学准直装置2后即可转变为平行传输的太赫兹波。这样不仅使得只有平行传输的太赫兹波才能入射到该太赫兹波谱测量装置，而且限定了待测太赫兹波的波束宽度，有利于提高测量的准确度。
实施例9：
上述太赫兹波谱测量方法的步骤1中，除了“将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各波长段的中心波长为f1,f2,…fn”外，也可以采用“将所述探测器所能探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各波段的中心波长为λ1,λ2,…λn”。其余各步骤中将频率换成波长，同样的方法也可以实现太赫兹波谱复原。
以上的多个实施例仅是便于公众理解本发明的技术方案，而并非对本发明所要求保护范围的限制。本领域技术人员应知:除以上实施例以外，所有根据本发明的发明思路，利用可令不同频率(波长)的入射太赫兹波在探测器位置处形成不同的干涉场强，且相同频率(波长)的入射太赫兹波在干涉控制器不同控制条件作用下在太赫兹波探测器位置处所产生的太赫兹波干涉场强度也不同的器件，从而实现太赫兹波谱测量的产品及方法，均落入本发明的保护范围。
Claims (15)
1.基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，包括干涉器件、干涉控制器、探测器和计算处理单元，其特征在于，待测太赫兹波经由所述干涉器件后形成两束或两束以上太赫兹波，之后再次相遇发生干涉，所述干涉控制器控制探测器位置处发生干涉的太赫兹波间的相位差，使得探测器在干涉控制器不同控制条件作用下可以测得不同的太赫兹波干涉强度；所述计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并将该测量结果去除环境噪声后代入到以下矩阵方程(1)或(2)的增广矩阵的各行单元中：
或者
其中，P(f1),P(f2)…P(fn)为待测太赫兹波中各频率分量f1,f2,…fn的大小，P(λ1),P(λ2),…P(λn)为待测太赫兹波中各波长分量λ1,λ2,…λn的大小；Cij表示在干涉控制器第j个控制参数下，频率为fi或者波长为λi的太赫兹波在发生干涉与不发生干涉的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，这个值通过实验预先测得，其中，i＝1,2…n，j＝1,2…n；解矩阵方程(1)或(2)，并将所得结果进行线性拟合和频谱定标就可得到待测太赫兹波谱线。
2.根据权利要求1所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于干涉器件之前的太赫兹波准直装置。
3.根据权利要求2所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个透镜之间共同焦点处的小孔光阑；或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。
4.根据权利要求1所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，改变干涉器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉器件与探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹波干涉波的场强分布发生变化。
5.根据权利要求4所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述干涉控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光图案信号照射在所述本征半导体的表面。
6.根据权利要求1至5之一所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件通过干涉器件上的小孔或者狭缝将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波；或者通过干涉器件的不平整表面将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波；或者通过干涉器件的边界将入射太赫兹波分成两束或两束以上太赫兹波，其中至少有一束太赫兹波从干涉器件内部穿过且至少有一束太赫兹波从干涉器件外部穿过。
7.根据权利要求1至5之一所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件与探测器之间还设有传输器件，所述干涉控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，改变传输器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变传输器件与干涉器件、探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹波干涉波的场强分布发生变化。
8.根据权利要求7所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为电光晶体，所述电光晶体位于其中一条金属狭缝的后方，所述干涉控制器通过改变电场控制电光晶体的折射率。
9.根据权利要求7所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为聚合物，所述聚合物位于其中一条金属狭缝的后方，所述干涉控制器通过机械调制的方法调节聚合物的放置角度。
10.根据权利要求7所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述干涉器件具有两条或两条以上的金属狭缝，所述传输器件为本征半导体，所述本征半导体位于其中一条金属狭缝的后方；所述干涉控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射在本征半导体的表面。
11.根据权利要求1所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述计算处理单元与所述干涉控制器可以进行数据交换，在干涉控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，干涉控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控制参数，使得探测器测到另一个值。
12.根据权利要求1所述的基于干涉效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频段，或者将探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为f1,f2,…fn，或者各波段的中心波长记为λ1,λ2,…λn；
步骤2、令待测太赫兹波依次通过干涉器件和探测器，并通过所述干涉控制器的控制，输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值，用这n个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P1,P2,…Pn；
步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频分量f1,f2,…fn的大小P(f1),P(f2),…P(fn)，或者通过求解矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λ1,λ2,…λn的大小P(λ1),P(λ2),…P(λn)：
式中，Cij表示在干涉控制器第j个控制参数下，频率为fi或者波长为λi的太赫兹波在发生干涉与不发生干涉的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，这个值通过实验预先测得；其中，i＝1,2…n，j＝1,2…n；
步骤4、对P(f1),P(f2),…P(fn)或者P(λ1),P(λ2),…P(λn)进行曲线拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱曲线。
13.根据权利要求12所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，所述干涉器件与探测器之间还设有传输器件，在所述n个控制参数的作用下，干涉控制器可以通过光调制、电调制、温度调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变干涉器件或者传输器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉器件、传输器件、探测器三者之一的相对位置或者放置角度，从而可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值。
14.根据权利要求12或13所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，利用吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法中的一种数学优化方法求解矩阵方程。
15.根据权利要求14所述的测量方法，其特征在于，在所述吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子项，通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的太赫兹波谱曲线更加平滑。
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