CN105738314A - 一种便携式太赫兹谱检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式太赫兹谱检测装置及检测方法。目的是提供的便携式太赫兹谱检测装置和方法能够对不同厚度、不同吸收特性样品的太赫兹谱进行测量。技术方案是：一种便携式太赫兹谱检测装置，包括箱体及分光模块、相角补偿模块、探测光路模块、太赫兹产生模块、太赫兹探测模块以及太赫兹光路模块。一种太赫兹谱检测的方法，步骤如下：S1.采集时域波形Er(t)；S2.将样品中心位于太赫兹光束的束腰处；S3.测量样品的时域波形Es(t)；S4.分别进行傅里叶变换，得到两种信号的频域分布；S5.采用基于菲涅尔公式的数据处理模型；S6.重复S3到S5的操作，得到不同偏振方向下样品的太赫兹谱信号。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术领域，具体是一种便携式太赫兹谱检测装置及检测方法。
背景技术
太赫兹辐射是指频率为0.1THz-10THz间的一段电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡的区域，具有很多独特的优点。太赫兹光子能量低，对于很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性，许多极性大分子振动能级间的跃迁和转动能级间的跃迁正好处于太赫兹频率范围。因此，太赫兹波适合用于安全无损非接触式检测。研究物质的太赫兹光谱响应对于深入揭示其组成、结构及理化特性具有重要意义。其中，太赫兹时域光谱技术能直接测量太赫兹辐射的电场强度，包括电场的振幅和相位，可以方便获取物质的折射率和消光系数等方面的信息，在基础生物科学、医药学和材料科学等方面有很大的应用潜力。因此，一套能准确测量物质太赫兹光谱响应信号的检测装置及相应检测方法对促进太赫兹波在各个领域的应用具有重要的意义。
现有的太赫兹时域光谱系统多采用光导天线或光整流机制辐射太赫兹脉冲，采用光电导采样或电光采样的方法探测太赫兹脉冲。这些方法较成熟，但对产生和探测介质要求较高，且一般只能探测较低频段(一般宽至3THz)的信号，还有大部分频段的太赫兹信号无法获得，极大地限制了太赫兹波的应用。研究发现，空气可以作为太赫兹产生和探测的介质，通过空气电离可以获得频带宽，电场强度强的太赫兹信号。由于产生的太赫兹频段很宽，对宽频太赫兹的准确调控难度很大，使得一些检测装置太赫兹产生和探测效果差，体积庞大，使用受限。中国专利文献CN105092515A公开了一种基于太赫兹光谱技术的全成分颗粒剂中草药牵牛子的检测方法，其中使用的检测装置太赫兹产生效率低，信号弱，检测效果差；检测装置体积庞大，不便于携带；使用的数据处理方法的准确度与样品的厚度和吸收特性相关，这对待测样品有较高的要求。以上这些不足极大地限制了太赫兹时域光谱技术的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种便携式太赫兹谱检测装置和方法，能够对不同厚度、不同吸收特性样品的太赫兹谱进行测量，并准确提取样品在太赫兹频段光学参数，具有结构紧凑，使用方便的特点。
本发明采用的技术方案如下：一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：包括箱体及安装在箱体中的分光模块、相角补偿模块、探测光路模块、太赫兹产生模块、太赫兹探测模块以及太赫兹光路模块；其中，入射的飞秒脉冲激光由分光模块分束成第一光路和第二光路，第一光路由相角补偿模块、太赫兹产生模块、太赫兹光路模块以及太赫兹探测模块依次传播形成，第二光路由探测光路模块以及太赫兹探测模块依次传播形成。
作为优选，所述分光模块：包括沿直线依次排列的半波片和分束器，用于将入射的飞秒脉冲激光分束到相角补偿模块和探测光路模块；
所述相角补偿模块：包括依次排列在分束器之后的β硼酸钡晶片、α硼酸钡晶片、石英光楔对和双波长波片，将800nm基频光进行倍频产生400nm的倍频光，并调整基频光与倍频光的相位差和偏振方向；
所述太赫兹产生模块：由设置在双波长波片之后的平凸透镜I构成，将调整好的基频光与倍频光聚焦到空气中，使空气电离产生太赫兹脉冲；
太赫兹光路模块：包括依次设置在凸透镜I之后的离轴抛物面镜I、高阻硅片、离轴抛物面镜II、样品架、离轴抛物面镜III以及带孔离轴抛物面镜；
探测光路模块：包括依次排列在分束器之后的一维光路延迟器、一组反射镜和平凸透镜II，用于控制探测光的相位延迟，并将探测光束聚焦到太赫兹探测模块；平凸透镜II位于带孔离轴抛物面镜之前，并与带孔离轴抛物面镜的孔同轴布置；
太赫兹探测模块：包括依次排列在带孔离轴抛物面镜之后的高压交流电极、分色镜、双凸透镜、低通滤光片、窄带通滤光片和光电倍增管，用于汇聚探测光和太赫兹光束，进行太赫兹电场的探测。
作为优选，所述α硼酸钡晶片的光轴角度可调，使晶片内部800nm基频光光速小于400nm倍频光光速；所述石英光楔对能在沿垂直于光束方向上做一维移动，从而在沿垂直于光束方向上做一维移动，调节基频光与倍频光的相位差；所述双波长波片用于同时调节400nm基频光与800nm倍频光的偏振方向。
作为优选，所述离轴抛物面镜I的焦点与平凸透镜I的焦点重合；所述离轴抛物面镜II的焦点与离轴抛物面镜III的焦点重合；所述带孔离轴抛物面镜的焦点与平凸透镜II的焦点重合在高压交流电极之间；所述高阻硅片以布儒斯特角布置在离轴抛物面镜I与离轴抛物面镜II之间，且能绕太赫兹光束的光轴转动；所述样品架安装在二维移动平台上，可夹持样品在焦点所在平面内做二维移动。
作为优选，所述双凸透镜、低通滤光片和窄带通滤光片通过不透光的空心圆柱筒同轴固定。
作为优选，所述箱体的侧面开有一个小孔，箱体内有隔板；所述箱体设有大箱盖和小箱盖，大箱盖上开有一个方形的槽口，且槽口位于样品架正上方；所述小箱盖通过磁铁吸附在大箱盖槽口处，小箱盖和大箱盖上分别有一个把手。
作为优选，所述一维光路延迟器、石英光楔对、高阻硅片、半波片和α硼酸钡晶片中，一维光路延迟器和石英光楔对，分别安装在由电机以及螺杆带动的滑块上，高阻硅片、半波片和α硼酸钡晶片分别通过套管安装在由带电机的旋转位移台上。
一种太赫兹谱检测的方法，其特征在于，它的步骤如下：
S1.采集未放置样品时室温氮气环境下的时域波形Er(t)；
S2.将制备好的样品固定在样品架，调节样品架，使样品中心位于太赫兹光束的束腰处；
S3.测量样品的时域波形Es(t)；
S4.以Er(t)作为参考信号，Es(t)作为样品信号，分别进行傅里叶变换，得到两种信号的频域分布和
S5.采用基于菲涅尔公式的数据处理模型，复透射率表示为：
由复数相等的条件可得：
式中A(ω)、分别为与的振幅比、相位差，复折射率 d为样品厚度，c为电磁波在真空中的传播速度，y表示回波个数；
S6.对于各向异性的样品，可调节半波片、高压交流电极、高阻硅片和α硼酸钡晶片的角度，重复S3到S5的操作，得到不同偏振方向下样品的太赫兹谱信号。
作为优选，各步骤中所述样品包括表面规整的粉末压片、硅片、陶瓷等材料。
本发明具有的有益效果如下：
(1)产生和探测太赫兹的频宽只与入射的激光脉宽有关，且产生的电场强度高，当使用的钛蓝宝石飞秒激光器脉宽小于100fs时，可实现样品太赫兹全谱的测量，获取的信息更加丰富；
(2)检测装置结构紧凑，空间利用率大，通过密封箱集成，便于携带，对太赫兹技术在各个领域中的应用有一定的促进作用；
(3)检测装置操作方便，能准确获取不同厚度和吸收特性的样品在太赫兹频段的光学参数，应用范围广；
(4)通过相角补偿模块，能更好地调控产生太赫兹信号的强度和极性，提高空气电离辐射太赫兹的效率；
(5)通过电机控制检测装置中的平动和转动部件，能在不移动样品的前提下，对样品在不同太赫兹偏振方向下的响应特性进行自动测量，这对各向异性样品的太赫兹响应特性测量具有很大的应用潜能。
附图说明
图1是太赫兹谱检测装置的立体结构示意图之一(去盖后)；
图2是太赫兹谱检测装置内部光路示意图；
图3是太赫兹谱检测装置的立体结构示意图之二；
图4是太赫兹谱检测方法的流程图。
图中：1、分光模块，2、相角补偿模块，3、探测光路模块，4、太赫兹产生模块，5、太赫兹探测模块，6、小孔，7、箱体，8、隔板，9、飞秒激光放大器，10、半波片，11、分束器，12、β硼酸钡晶片，13、α硼酸钡晶片，14、石英光楔对，15、双波长波片，16、平凸透镜I，17、离轴抛物面镜I，18、高阻硅片，19、离轴抛物面镜II，20、样品，21、样品架，22、离轴抛物面镜III，23、一维光路延迟器，24、反射镜，25、平凸透镜II，26、带孔离轴抛物面镜，27、高压交流电极，28、分色镜，29、双凸透镜，30、窄带通滤光片，31、光电倍增管，32、低通滤光片，33、空心圆柱筒，34、小箱盖，35、大箱盖。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1到图3所示，一种便携式太赫兹谱检测装置，包括箱体7、小箱盖34和大箱盖35以及安装在箱体7内的分光模块1、相角补偿模块2、探测光路模块3、太赫兹产生模块4、太赫兹探测模块5、太赫兹光路模块。
如图2所示，分光模块1：包括半波片10、分束器11，用于将入射的飞秒脉冲激光分束到相角补偿模块2和探测光路模块3。相角补偿模块2：包括将基频光进行倍频的β硼酸钡晶片12、α硼酸钡晶片13、石英光楔对14和双波长波片15。探测光路模块3：包括一维光路延迟器23、七面相同的反射镜24和平凸透镜II25，用于控制探测光的相位延迟，并将探测光束聚焦到太赫兹探测模块5。太赫兹产生模块4：主要由平凸透镜I16构成，将调整好的基频光与倍频光聚焦到空气中，使空气电离产生太赫兹脉冲。太赫兹探测模块5：包括高压交流电极27、分色镜28、双凸透镜29、小于600nm的低通滤光片32、中心波长为400nm的窄带通滤光片30和光电倍增管31。太赫兹光路模块：包括离轴抛物面镜I、II、III、带孔离轴抛物面镜26、高阻硅片18和样品架21，平凸透镜II25位于带孔离轴抛物面镜26之前，并与带孔离轴抛物面镜26的孔同轴布置。
如图2所示，α硼酸钡晶片13的光轴角度可调，使晶片内部800nm基频光光速小于400nm倍频光光速；石英光楔对14能在沿垂直于光束方向上做一维移动；双波长波片15能同时调节400nm基频光与800nm倍频光的偏振方向。
离轴抛物面镜I17的焦点与平凸透镜I16的焦点重合；离轴抛物面镜II19的焦点与离轴抛物面镜III22的焦点重合；带孔离轴抛物面镜26的焦点与平凸透镜II25的焦点重合在高压交流电极27之间；高阻硅片18以布儒斯特角布置在离轴抛物面镜I17与离轴抛物面镜II19之间，且能绕太赫兹光束的光轴转动；样品架21安装在二维移动平台上，可夹持样品20在焦点所在平面内做二维移动(样品架21采用现有结构，二维移动平台也为现有技术，例如十字滑台，在此不做详细介绍)。
高压交流电极27两端交变频率为800nm基频光重复频率的一半，电极可绕光束转动(现有技术)；分色镜28对800nm基频光有较高透过率，对400nm倍频光有较高反射率；双凸透镜29、小于600nm的低通滤光片32和中心波长为400nm的窄带通滤光片30通过不透光的空心圆柱筒33同轴固定。
如图1、图3所示，箱体7侧面开有一个小孔6，飞秒激光放大器9射出的激光经过小孔进入箱体内的分光模块，箱体内有隔板8，防止空气电离对探测端产生影响；大箱盖35上开有一个方形的槽口，且槽口位于二维样品架21正上方；小箱盖34通过磁铁作用力吸附在大箱盖35槽口处，小箱盖34和大箱盖35上分别有一个把手。
半波片10光轴角度可调；分束器11通过表面镀膜调整所分出两束光的功率比，且进入相角补偿模块2的光功率足够大，经聚焦后能使空气发生电离。
各移动器件，包括一维光路延迟器23、石英光楔对14、高阻硅片18、半波片10和α硼酸钡晶片13，都由电机驱动。其中，一维光路延迟器和石英光楔对的驱动方式类似，由电机转动通过螺杆的螺旋运动变为直线运动，从而使得石英光楔对14能在沿垂直于光束方向上做一维移动，一维光路延迟器也可做一维移动；高阻硅片、半波片和α硼酸钡晶片都有相应的套管，可由带电机的旋转位移台驱动，从而使得半波片10、α硼酸钡晶片13的光轴角度可调，高阻硅片18能绕太赫兹光束的光轴转动。
下面结合图1、图2具体说明检测装置的工作原理：
从小孔入射的激光功率为1W，脉宽为50fs，中心波长为800nm，重复频率为1KHz。调节半波片10的光轴与激光偏振方向相同，分束器11将激光分为两束分别进入相角补偿模块2和探测模块3。相角补偿模块2中，激光经由β硼酸钡晶片12倍频，产生400nm的倍频光；混频光通过α硼酸钡晶片13后，基频光脉冲落后于倍频光脉冲；通过石英光楔对14的有效光程调节作用和双波长波片15的偏振方向调节作用，基频光和倍频光在平凸透镜I16的焦点处具有相同的相位和相同的偏振方向。聚焦的脉冲激光通过空气电离辐射太赫兹脉冲；产生的太赫兹脉冲通过高阻硅片18后滤除残留的基频光和倍频光，经离轴抛物面镜II19聚焦到样品20上。通过带孔离轴抛物面镜26，携带了样品信息的太赫兹脉冲与经由平凸透镜II25汇聚的激光脉冲聚焦在高压交流电极27之间，产生400nm的二次谐波；通过分色镜28的分束作用、窄带通滤光片30和低通滤光片32的滤光作用，仅让400nm的二次谐波导入光电倍增管31内；电机驱动一维光路延迟器23移动，即可获取样品20的太赫兹时域波形。
下面结合图3、图4具体说明使用所述装置进行太赫兹谱检测的方法：
S1.采集未放置样品20时室温氮气环境下的时域波形Er(t)；
S2.移开小箱盖34，将制备好的样品20固定在样品架21，调节样品架21，使样品20中心位于太赫兹光束的束腰处；
S3.合上小箱盖34，测量样品20的时域波形Es(t)；
S4.以Er(t)作为参考信号，Es(t)作为样品信号，分别进行傅里叶变换，得到两种信号的频域分布和
S5.采用基于菲涅尔公式的数据处理模型，复透射率表示为：
由复数相等的条件可得：
式中A(ω)、分别为与的振幅比相位差，复折射率 d为样品20厚度，c为电磁波在真空中的传播速度，y表示回波个数；
S6.特别地，对于各向异性的样品20，可调节半波片10、高压交流电极27、高阻硅片18和α硼酸钡晶片13的角度，重复S3到S5的操作，得到不同偏振方向下样品20的太赫兹谱信号。
各步骤中所述样品20包括各类粉末压片、硅片、陶瓷等表面规整的材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：包括箱体(7)及安装在箱体(7)中的分光模块(1)、相角补偿模块(2)、探测光路模块(3)、太赫兹产生模块(4)、太赫兹探测模块(5)以及太赫兹光路模块；其中，入射的飞秒脉冲激光由分光模块(1)分束成第一光路和第二光路，第一光路由相角补偿模块(2)、太赫兹产生模块(4)、太赫兹光路模块以及太赫兹探测模块(5)依次传播形成，第二光路由探测光路模块(3)以及太赫兹探测模块(5)依次传播形成。
2.根据权利要求1所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述分光模块(1)：包括沿直线依次排列的半波片(10)和分束器(11)，用于将入射的飞秒脉冲激光分束到相角补偿模块(2)和探测光路模块(3)；
所述相角补偿模块(2)：包括依次排列在分束器(11)之后的β硼酸钡晶片(12)、α硼酸钡晶片(13)、石英光楔对(14)和双波长波片(15)，将800nm基频光进行倍频产生400nm的倍频光，并调整基频光与倍频光的相位差和偏振方向；
所述太赫兹产生模块(4)：由设置在双波长波片(15)之后的平凸透镜I(16)构成，将调整好的基频光与倍频光聚焦到空气中，使空气电离产生太赫兹脉冲；
太赫兹光路模块：包括依次设置在凸透镜I(16)之后的离轴抛物面镜I(17)、高阻硅片(18)、离轴抛物面镜II(19)、样品架(21)、离轴抛物面镜III(22)以及带孔离轴抛物面镜(26)；
探测光路模块(3)：包括依次排列在分束器之后的一维光路延迟器(23)、一组反射镜(24)和平凸透镜II(25)，用于控制探测光的相位延迟，并将探测光束聚焦到太赫兹探测模块(5)；平凸透镜II(25)位于带孔离轴抛物面镜(26)之前，并与带孔离轴抛物面镜(26)的孔同轴布置；
太赫兹探测模块(5)：包括依次排列在带孔离轴抛物面镜(26)之后的高压交流电极(27)、分色镜(28)、双凸透镜(29)、低通滤光片(32)、窄带通滤光片(30)和光电倍增管(31)，用于汇聚探测光和太赫兹光束，进行太赫兹电场的探测。
3.根据权利要求2所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述α硼酸钡晶片(13)的光轴角度可调，使晶片内部800nm基频光光速小于400nm倍频光光速；所述石英光楔对(14)能在沿垂直于光束方向上做一维移动，从而在沿垂直于光束方向上做一维移动，调节基频光与倍频光的相位差；所述双波长波片(15)用于同时调节400nm基频光与800nm倍频光的偏振方向。
4.根据权利要求3所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述离轴抛物面镜I(17)的焦点与平凸透镜I(16)的焦点重合；所述离轴抛物面镜II(19)的焦点与离轴抛物面镜III(22)的焦点重合；所述带孔离轴抛物面镜(26)的焦点与平凸透镜II(25)的焦点重合在高压交流电极(27)之间；所述高阻硅片(18)以布儒斯特角布置在离轴抛物面镜I(17)与离轴抛物面镜II(19)之间，且能绕太赫兹光束的光轴转动；所述样品架(21)安装在二维移动平台上，可夹持样品(20)在焦点所在平面内做二维移动。
5.根据权利要求4所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述双凸透镜(29)、低通滤光片(32)和窄带通滤光片(30)通过不透光的空心圆柱筒(33)同轴固定。
6.根据权利要求4所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述箱体(7)的侧面开有一个小孔(6)，箱体内有隔板(8)；所述箱体设有大箱盖(35)和小箱盖(34)，大箱盖(35)上开有一个方形的槽口，且槽口位于样品架(21)正上方；所述小箱盖(34)通过磁铁吸附在大箱盖(35)槽口处，小箱盖(34)和大箱盖(35)上分别有一个把手。
7.根据权利要求6所述的一种便携式太赫兹谱检测装置，其特征在于：所述一维光路延迟器(23)、石英光楔对(14)、高阻硅片(18)、半波片(10)和α硼酸钡晶片(13)中，一维光路延迟器(23)和石英光楔对(14)，分别安装在由电机以及螺杆带动的滑块上，高阻硅片(18)、半波片(10)和α硼酸钡晶片(13)分别通过套管安装在由带电机的旋转位移台上。
8.一种使用如权利要求7所述的装置进行太赫兹谱检测的方法，其特征在于，它的步骤如下：
S1.采集未放置样品(20)时室温氮气环境下的时域波形Er(t)；
S2.将制备好的样品(20)固定在样品架(21)，调节样品架(21)，使样品(20)中心位于太赫兹光束的束腰处；
S3.测量样品(20)的时域波形Es(t)；
S4.以Er(t)作为参考信号，Es(t)作为样品信号，分别进行傅里叶变换，得到两种信号的频域分布
S5.采用基于菲涅尔公式的数据处理模型，复透射率表示为：
由复数相等的条件可得：
折射率
消光系数
式中A(ω)、分别为 的振幅比、相位差，复折射率 d为样品(20)厚度，c为电磁波在真空中的传播速度，y表示回波个数；
S6.对于各向异性的样品(20)，可调节半波片(10)、高压交流电极(27)、高阻硅片(18)和α硼酸钡晶片(13)的角度，重复S3到S5的操作，得到不同偏振方向下样品(20)的太赫兹谱信号。
9.根据权利要求8所述的一种太赫兹谱检测的方法，其特征在于：各步骤中所述样品(20)包括表面规整的粉末压片、硅片、陶瓷等材料。
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