CN105675131A - 基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法。待测太赫兹波经由衍射器件后形成太赫兹频率的衍射波，衍射波在衍射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；衍射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的衍射波强度角分布，衍射控制器用来改变透过衍射器件的太赫兹衍射波在探测器位置处的衍射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在衍射控制器不同控制条件作用下被探测器所接收到的衍射波强度互不相同；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

基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法

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，尤其涉及一种基于衍射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

太赫兹波(THz波)或称为太赫兹射线(THz射线)是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波一般是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于微波与红外波范围之间。太赫兹波的主要特性在于：(1)太赫兹波光子有较低的能量，不会在生物组织中引起光损伤及光化电离；(2)由于物质的太赫兹光谱包含有丰富的物理和化学信息，如生物大分子的振动均在太赫兹波段有很多特征峰，所以可以用来探索物质的结构成分；(3)太赫兹频段是可以自由利用的频段，以太赫兹信号为宽带信息载体，可承载的信道比微波的多得多。正由于太赫兹波的这些优点，它在通讯、传感、检测领域有广阔的应用前景。

太赫兹波有很广阔的应用前景，因此需要有仪器可以进行太赫兹波谱分析。目前常用的太赫兹波谱测量技术是太赫兹时域波谱技术。太赫兹时域波谱技术目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业生产商用太赫兹时域波谱仪，主要是美国，欧洲和日本的厂家。太赫兹时域波谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的太赫兹电场，通过对时域信号进行傅立叶变换获得太赫兹频域的波谱信息。进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。其中一个应用是可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台太赫兹波谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。

但是，现有的太赫兹时域波谱仪及其波谱复原方法有很多缺点，如文献(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)所披露的设备和技术。首先，现有的太赫兹时域波谱仪体积较大，在测量过程中需要通过光学平移台改变飞秒激光的脉冲延时时间从而得到太赫兹波的时域信号，再通过傅里叶变换得到太赫兹波的频域信号。因为测量过程中需要用到飞秒激光器、光学平移装置、各种反射镜等体积较大的装置，使得整个装置体积较大，不够便携，而且太赫兹波的不可见性也使得光路搭建困难，整个装置的成本较高。其次，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lns甚至lns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。

也有人基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去机械时间延迟装置，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：60dB60s)。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lGHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(lGHz重复频率的理论频谱分辨率为lGHz)。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。

因此，对于太赫兹波谱测量系统来说，要求同时实现小型化、低成本、高分辨率、宽光谱、快速测量，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，提供一种基于衍射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：

基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，包括衍射器件、衍射控制器、探测器和计算处理单元，待测太赫兹波经由衍射器件后形成太赫兹频率的衍射波，衍射波在衍射控制器的不同控制条件作用下，被探测器所接收；所述衍射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的衍射波强度角分布，所述衍射控制器用来改变透过衍射器件的太赫兹衍射波在探测器位置处的衍射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在衍射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器所接收到的衍射波强度互不相同；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衍射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。

所述衍射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变衍射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射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衍射波的场强分布发生变化。

优选地，所述衍射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；所述衍射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。

优选地，所述衍射器件包括宽频可控液晶阵列，所述衍射控制器通过电场控制液晶阵列不同部位液晶分子的排列，使得宽频太赫兹波在液晶阵列不同部位的透射率各不相同，在透射率高的位置处透射出衍射波。

优选地，所述衍射器件包括金属平板或者金属薄膜，在金属平板或者金属薄膜上有序或者无序分布有一个或者多个可以透过太赫兹波的衍射孔或衍射缝；所述衍射控制器可以移动金属平板、金属薄膜或者探测器，控制金属平板或者金属薄膜与探测器之间的相对位置或者放置角度。

进一步地，所述衍射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过衍射装置后的太赫兹衍射波的传播方向发生变化；所述衍射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与衍射器件、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衍射波的场强分布发生变化。

所述计算处理单元与所述衍射控制器可以进行数据交换，在衍射控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，衍射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。

本发明基于衍射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,…f_n，或者各波段的中心波长记为λ₁,λ₂,…λ_n；

步骤2、令待测太赫兹波依次通过衍射器件和探测器，并通过所述衍射控制器的控制，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,…P_n；

步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频率分量f₁,f₂,…f_n的大小P(f₁),P(f₂),…P(f_n)，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,…λ_n的大小P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)：

式中，C_ij表示在衍射控制器第j个控制参数下，频率为f_i或者波长为λ_i的太赫兹波在发生衍射与不发生衍射的情况下，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(f_n)或者P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)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，所述衍射器件与探测器之间还设有折射器件，在所述n个控制参数的作用下，衍射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，来改变衍射器件或者折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射器件、折射器件、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衍射光场分布，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也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)、(d)为四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2的另一种实现方式的示意图；

图8为实施例3的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；

图9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金属薄片位置可以移动的方向；

图10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金属薄片角度可以偏转的方向；

图11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太赫兹波探测器位置或者角度可以偏转的方向；

图12为实施例5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太赫兹波透镜位置可以移动的方向；

图13为实施例5的另一种调节方式的示意图，其中实心箭头方向为太赫兹波透镜角度可以偏转的方向；

图14(a)至(e)为折射器件可以采用的几种类型；

图15为实施例6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太赫兹反射镜位置改变或者角度偏转方向；

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为衍射器件，23为折射器件，24为衍射控制器，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为太赫兹衍射波，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为衍射狭缝，11为太赫兹波光斑，12为激光照射光斑，13为衍射小孔，14为激光照射点阵列，15为太赫兹波凸透镜，16为小孔光阑，17为金属薄片，18为凹透镜，19为棱镜，20为太赫兹波反射镜，28为液晶单元，29为液晶阵列系统。

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衍射控制器24改变透过衍射器件22的太赫兹衍射波4在探测器5位置处的衍射场分布，通过测量不同控制条件作用下被探测器5所探测到的太赫兹衍射波4强度，代入并求解线性方程组获得待测太赫兹波1的频谱。

衍射(英语：diffraction)是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。在经典物理学中，波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。不仅可见光会发生衍射，在适当情况下，任何波都具有衍射的固有性质，因此太赫兹波也会发生衍射。但因为太赫兹波的波长与可见光的波长相比要大很多，只有在孔或障碍物可以跟太赫兹波长相比大体相当，甚至比太赫兹波波长还要小的时候，衍射才会比较十分明显。

根据衍射的性质，当发生衍射时，在障碍物后会形成一定的衍射场分布。对于不同频率(或波长)的太赫兹波分量，在障碍物后所形成的衍射场分布也互不相同，因此可以通过衍射效应将不同频率入射波区分开来。当一个宽频的太赫兹波(即里面有很多个频率的太赫兹波)发生衍射，衍射场中探测器所探测到的衍射波强度)是每一个频率(或波长)的太赫兹波分量在探测器位置处衍射场作用的线性叠加。而当衍射场发生改变时，探测器所探测到的线性叠加后的衍射波强度也互不相同，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f_i(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中每个小矩形的面积P(f_i)。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，所以目标转化为求图1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经过衍射器件22和折射器件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，与原来没有发生衍射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衍射发生后与衍射发生前探测器5所测值分别减去探测器5的固有噪声相比后，计算测得。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，通过衍射控制器24改变衍射场分布，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。那么当衍射控制器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衍射场功率。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：

$x=\mathrm{argmin}\left|\right|Cx-y|{|}_2^2+\∂|\left|\mathrm{\Δ}x\right|{|}_2^2+\mathrm{\η}\left|\right|x|{|}_2^2$

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，基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置的基本结构如图2所示，包括衍射器件22、折射器件23(可以省略)、衍射控制器24、探测器5以及计算处理单元25。它们的功能是：衍射器件22使太赫兹波发生衍射，折射器件23可以使得透过衍射装置后的太赫兹衍射波的传播方向发生变化，衍射控制器24可以控制探测器位置处的太赫兹衍射场分布，探测器5可以用来探测太赫兹衍射波，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，照射到衍射器件22上。该太赫兹波1经过衍射器件22后会发生衍射效应，发出的太赫兹衍射波4经过折射器件23(或者不经过折射器件23)，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。衍射控制器24可以通过光调制或者电调制或者机械调制等调控手段，作用于衍射器件22或者折射器件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)，从而使得从衍射器件22透过的太赫兹衍射波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在衍射控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹衍射波强度。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)，记录下衍射控制器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。

如果要通过衍射控制器24使得从衍射器件22透过的太赫兹衍射波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，可以通过衍射控制器24改变衍射器件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，或者改变折射器件23中介质的形状、分布、结构、电导率或者折射率，或者改变衍射器件22、折射器件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在衍射控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹波衍射场强度。

根据上述控制太赫兹波衍射场的方案，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。衍射器件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)。衍射控制器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(DegitalMicromirrorDevice)。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GolayCell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。衍射控制器24发出激光图案信号射在作为衍射器件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)。折射器件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，形成太赫兹衍射波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衍射，如果要使得衍射发生，需要采用上述衍射控制器22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，但被激光照射的半导体区域就形成了类似障碍物或光栅的结构，对太赫兹波会形成衍射。

通过数字微反射镜7使得半导体表面的不同位置被照射。被照射和不被照射的半导体表面可形成类似小孔、狭缝或者点阵等衍射结构，如图4所示。该衍射结构可以是单个小孔、狭缝，也可以多个小孔和狭缝；既可以呈规律性排布，也可以呈无序排布。因此，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衍射场分布。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光束，使得探测器5测到另一个值。

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，当衍射器件确定后，透过衍射器件的太赫兹衍射波强度与待测的太赫兹波频率以及衍射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，通过衍射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，经由散射器件的各频率太赫兹衍射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衍射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,…f_n。

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,…f_n，频率间隔为Δf，P(f_i)(i＝1,2,…n)为频率f_i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：

$P_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}P\left(f_i\right)$

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,…P_n。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一个孔径与太赫兹波波长相当的小孔图案，或者有一个宽度与太赫兹波波长相当的狭缝图案，小孔或狭缝图案所在位置是激光没有照射到的半导体表面位置。这些小孔和狭缝的图案可以无序分布。不同激光图案之间可以是小孔图案的位置或者小孔图案孔径大小或者是狭缝图案的位置或者狭缝图案宽度大小的变化，也可以是小孔或者狭缝图案形状的变化。

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,…P_n。

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衍射波功率值再减去噪声功率后，应为：

$P_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_{ij}P\left(f_i\right)$

其中，C_ij(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f_i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)+…+C_n1P(f_n)，

P₂＝C₁₂P(f₁)+C₂₂P(f₂)+…+C_n2P(f_n)，

…

P_n＝C_1nP(f₁)+C_2nP(f₂)+…+C_nnP(f_n)，

其中，C₁₁,C₂₁,…C_n1分别为在第1幅激光图案照射在半导体上，频率为f₁,f₂,…f_n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衍射控制器的输出值确定后，则C_ij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,…f_n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,…f_n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,…f_n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,…f_n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C_1j,C_2j,…C_nj(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C_ij(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，当衍射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,…f_n的功率P(f₁),P(f₂),…P(f_n)。

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：

$x=\left(\begin{array}{c}P\left(f_1\right)\\ P\left(f_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ P\left(f_n\right)\end{array}\right)$

就可以求得待测太赫兹波谱中各频率分量所对应功率P(f_i)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(f_n)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，衍射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。只要对于不同的衍射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衍射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，本发明采用衍射的原理还可以设计诸多不同的结构实现衍射器件、衍射控制器或者折射器件的功能。

实施例2：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图6和图7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和图7中未示出)。衍射器件22在本实施例中由金属薄膜17内有序或者无序分布的一个或者多个可以透过太赫兹波透过太赫兹波的衍射孔或衍射缝10组成，折射器件23在本实施例中为本征半导体薄片3，衍射控制器24在本实施例中为激光器6以及透镜组8。金属薄膜17上的衍射孔或衍射缝10可以使得太赫兹波发生衍射，本实施例中的折射器件23可以使得从衍射器件发出的太赫兹波衍射波发生折射，在不同的光照条件下折射器件23中介质的介电常数、折射率、电导率会发生相应变化。在本实施例中，折射器件23所用本征半导体可为本征砷化镓(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，而金属薄膜内的衍射孔和衍射缝可以通过光刻蚀、X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等方法制作。这里的衍射孔或衍射缝可具有任意形状，衍射孔或衍射缝内的介质为太赫兹波可以透射的介质，比如空气。衍射孔或衍射缝的孔径或缝宽与太赫兹波的波长相当，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。激光器6、透镜组8可以在半导体的表面形成激光光斑12，因此可以通过改变激光器6照射在面向金属薄膜(图6)或者背向金属薄膜(图7)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，因此太赫兹衍射波4可以透射该激光光斑12中没有金属覆盖的区域。探测器5采用太赫兹波探测器，如GolayCell或者Bolometer等。太赫兹波透过金属薄膜17内的衍射孔或衍射缝后，形成太赫兹衍射波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，因此太赫兹波衍射波4经过被激光照射的半导体时会发生折射。不同强度的激光照射，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，从而对太赫兹衍射波产生折射的程度也将不同。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衍射波强度。

实施例3：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图8所示，包括太赫兹波准直装置2、液晶阵列及其控制系统29、太赫兹波探测器5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8中未示出)。衍射器件22在本实施例中由可对太赫兹波透射进行调制的液晶阵列系统29组成，衍射控制器24在本实施例中由液晶阵列控制器组成。通过液晶阵列控制器的调控，液晶阵列中部分液晶单元对太赫兹波有较大的透射率，而部分液晶单元对太赫兹波透射较少，这些液晶单元28组合在一起构成了类似图4中的衍射小孔13或者衍射狭缝10。这些衍射小孔或衍射狭缝可以使得太赫兹波发生衍射。所述液晶结构、制作及其调控方法可以参见文献：LeiWang,Xiao-WenLin,WeiHu,Guang-HaoShao,PengChen,Lan-JuLiang,Biao-BingJin,Pei-HengWu,HaoQian,Yi-NongLu,XiaoLiang,Zhi-GangZhengandYan-QingLu，Abstract-Broadbandtunableliquidcrystalterahertzwaveplatesdrivenwithporousgrapheneelectrodes，Science&Applications(2015)4,e253；doi:10.1038/lsa.2015.26。

这里的衍射小孔或衍射狭缝可具有任意形状。衍射小孔或衍射狭缝的孔径或缝宽与太赫兹波的波长相当，液晶阵列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。探测器采用太赫兹波探测器5，如GolayCell或者Bolometer。太赫兹波透过液晶阵列后，形成太赫兹衍射波4，可被太赫兹波探测器5探测到。当调控液晶控制器使得衍射小孔或衍射狭缝的形状发生变化，从而使得探测器接收到不同的太赫兹衍射波。

实施例4：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图9和图10所示，包括太赫兹波准直装置2、金属薄片17(可以是金属平板或者是镀在透明基底上的金属薄膜)、太赫兹波探测器5、对金属平板(或金属薄膜)17进行位置控制的光学平移台(图9和图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9和图10中未示出)。衍射器件22在本实施例中由金属平板(或金属薄膜)内有序或者无序分布的一个或者多个可以透过太赫兹波的衍射孔13或衍射缝10组成。衍射控制器在本实施例中为光学平移台，它可以对金属平板(或金属薄膜)与太赫兹波的相对位置进行控制，该位置控制包括对金属平板(或金属薄膜)上下左右的位移变化(如图9)或者金属平板(或金属薄膜)表面与太赫兹波的相对角度(如图10)变化。金属平板(或金属薄膜)内的衍射孔13或衍射缝10可以使得太赫兹波发生衍射。如果采用金属平板，该金属平板以及衍射孔13或衍射缝10可以通过机械加工的方法制作。而如果采用金属薄膜，该金属薄膜可以通过蒸镀的方式镀在透明基底的表面，而金属薄膜内的衍射孔和衍射缝可以通过离子刻蚀或者光学刻蚀的方法制作。这里的衍射孔或衍射缝可具有任意形状，衍射孔或衍射缝内的介质为太赫兹波可以透射的介质，比如空气。衍射孔或衍射缝的孔径或缝宽与太赫兹波的波长相当。探测器采用太赫兹波探测器5，如GolayCell或者Bolometer。太赫兹波透过金属平板(或金属薄膜)17内的衍射孔13或衍射缝10后，形成太赫兹衍射波4，可被太赫兹波探测器5探测到。通过光学平移台调节金属平板(或金属薄膜)相对于太赫兹波的位置，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹衍射波强度。

如图11所示，除了以上调节金属平板(或金属薄膜)的相对位置的方法外，也可以通过光学平移台调节太赫兹波探测器5相对于太赫兹波衍射波的相对位置或者接收角度，使得探测器接收到不同的太赫兹衍射波强度。

实施例5：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图12和图13所示，包括太赫兹波准直装置2、金属薄片17(可以是金属平板或者是镀在透明基底上的金属薄膜)、太赫兹波探测器5、太赫兹波凸透镜15、对太赫兹波凸透镜15进行位置或角度控制的光学平移台(图12和图13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12和图13中未示出)。衍射器件22在本实施例中由金属平板(或金属薄膜)17内有序或者无序分布的一个或者多个可以透过太赫兹波的衍射孔13或衍射缝10组成。金属平板(或金属薄膜)17内的衍射孔13或衍射缝10可以使得太赫兹波发生衍射。如果采用金属平板，该金属平板以及衍射孔13或衍射缝10可以通过机械加工的方法制作。而如果采用金属薄膜，该金属薄膜可以通过蒸镀的方式镀在透明基底的表面，而金属薄膜内的衍射孔和衍射缝可以通过离子刻蚀或者光学刻蚀的方法制作。这里的衍射孔或衍射缝可具有任意形状，衍射孔或衍射缝内的介质为太赫兹波可以透射的介质，比如空气。衍射孔或衍射缝的孔径或缝宽与太赫兹波的波长相当。折射器件23在本实施例中采用太赫兹凸透镜15，这里的太赫兹透镜可以采用TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methylpentenecopolymer)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。衍射控制器在本实施例中为光学平移台，它可以对太赫兹波凸透镜与太赫兹衍射波的相对位置进行控制，所控制的位置变化包括对太赫兹波凸透镜15上下左右等各方向的位移变化(如图12)或者太赫兹波凸透镜15光轴与太赫兹衍射波4的相对角度(如图13)变化，图中实心箭头方向为可能的位置改变的方向。太赫兹波透过金属平板(或金属薄膜)17内的衍射孔13或衍射缝10后，形成太赫兹衍射波4，而太赫兹衍射波4经过折射器件22后，可被太赫兹波探测器5探测到。通过光学平移台调节太赫兹凸透镜15的相对位置或者放置角度，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹衍射波强度。

上述折射器件23除了采用图12、13和图14(a)中所示的凸透镜15外，还可以采用图14(b)中所示的凹透镜18，或者图14(c)至(e)所示的几种棱镜19结构。

实施例6：

上述折射器件23除了采用太赫兹波透镜外，还可以采用太赫兹反射镜20，如图15所示。太赫兹反射镜20具有金属表面，可以反射太赫兹波。通过光学平移台调节太赫兹反射镜20光轴相对位置和角度，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹衍射波强度。图15中实心箭头方向为可能的太赫兹反射镜相对位置或角度改变的方向。

实施例7：

上述准直装置2中，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20。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20，两个太赫兹波反透镜20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8：

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,…f_n”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,…λ_n”。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)的入射太赫兹波形成不同的衍射场强角分布，且相同频率(波长)的入射太赫兹波在衍射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器所接收到的衍射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 (13)

1.基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，包括衍射器件、衍射控制器、探测器和计算处理单元，其特征在于，待测太赫兹波经由衍射器件后形成太赫兹频率的衍射波，衍射波在衍射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；所述衍射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的衍射波强度角分布，所述衍射控制器用来改变透过衍射器件的太赫兹衍射波在探测器位置处的衍射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在衍射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器所接收到的衍射波强度互不相同；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。

2.根据权利要求1所述的基于衍射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衍射器件之前的太赫兹波准直装置。

3.根据权利要求2所述的基于衍射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所述的基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述衍射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变衍射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射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衍射波的场强分布发生变化。

5.根据权利要求1至4之一所述的基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述衍射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；所述衍射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4之一所述的基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述衍射器件包括宽频可控液晶阵列，所述衍射控制器通过电场控制液晶阵列不同部位液晶分子的排列，使得宽频太赫兹波在液晶阵列不同部位的透射率各不相同，在透射率高的位置处透射出衍射波。

7.根据权利要求1至4之一所述的基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述衍射器件包括金属平板或者金属薄膜，在金属平板或者金属薄膜上有序或者无序分布有一个或者多个可以透过太赫兹波的衍射孔或衍射缝；所述衍射控制器可以移动金属平板或者金属薄膜或者探测器，控制金属平板或者金属薄膜与探测器之间的相对位置或者放置角度。

8.根据权利要求1至4之一所述的基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述衍射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过衍射装置后的太赫兹衍射波的传播方向发生变化；所述衍射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与衍射器件、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衍射波的场强分布发生变化。

9.根据权利要求1所述的基于衍射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衍射控制器可以进行数据交换，在衍射控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，衍射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。

10.基于衍射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,…f_n，或者各波段的中心波长记为λ₁,λ₂,…λ_n；

步骤2、令待测太赫兹波依次通过衍射器件和探测器，并通过所述衍射控制器的控制，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,…P_n；

步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频率分量f₁,f₂,…f_n的大小P(f₁),P(f₂),…P(f_n)，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,…λ_n的大小P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)：

式中，C_ij表示在衍射控制器第j个控制参数下，频率为f_i或者波长为λ_i的太赫兹波在发生衍射与不发生衍射的情况下，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(f_n)或者P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)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。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，所述衍射器件与探测器之间还设有折射器件，在所述n个控制参数的作用下，衍射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，来改变衍射器件或者折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射器件、折射器件、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。

12.根据权利要求10或11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。

13.根据权利要求12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。