CN105806800B - 太赫兹光纤传感装置及利用该装置的污染物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹光纤传感装置及利用该装置的污染物检测方法。太赫兹光纤传感测量系统包括：超短脉冲激光器，用于产生超短脉冲激光；分束器，用于将超短脉冲激光分为探测光和泵浦光；太赫兹发射器，产生太赫兹波；太赫兹光纤传感装置，包括太赫兹光纤和样品盛放装置，样品盛放装置中盛放的待测样品与太赫兹光纤的包层接触；延迟线装置，在探测光和泵浦光之间产生可调节的时间延迟；太赫兹探测器，包括能够与探测光和太赫兹波发生相互作用而产生探测信号的太赫兹探测装置。根据本发明的太赫兹光纤传感测量系统具有低损耗、色散可控制、耦合效率高、有利于液体的检测等优点，能实现高灵敏度的微量液体检测，降低对样品体积和质量的要求。

Description

太赫兹光纤传感装置及利用该装置的污染物检测方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光纤传感装置，特别是一种使用太赫兹光纤传感装置对污染物进行高灵敏测量的系统和方法。

背景技术

自20世纪70年代初美国环境保护局首次在水中发现氯的衍生物以来，水中有机物污染及其对人体健康的影响已日益引起人们的关注。为了及时制止水质恶化从而有效限制水污染事故的发生，必须在水质质变之前进行准确的报警并采取有效的应急措施。但是目前中国缺乏水污染前期的信息和相应的技术支持，无法在水污染事故发生之前及时预警而大多是进行事后统计，此时已造成了重大的经济和社会损失。

水环境安全问题，事关国计民生，因此建立及完善水质监测系统是当下亟待解决的问题之一。其中，研究水污染检测技术，实现一些低浓度(微量、痕量)有机污染物的高灵敏探测，对于及时有效地防治水污染，避免重大经济和社会损失是非常必要的。

太赫兹波是指频率在0.1THz--10THz远红外波段的相干电磁辐射，处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置，因其具有透视性、安全性、光谱分辨本领等独特的本领，而表现出广泛的学术价值和应用前景。随着太赫兹技术的发展，太赫兹光谱及成像在生物学、医学疾病诊断、材料科学、军事以及化学基础研究等许多领域展现出巨大的应用潜力。太赫兹时域光谱技术是国际上近年来发展起来的太赫兹辐射的应用技术之一，是一种新兴的光谱技术，是太赫兹光谱技术的核心研发领域。太赫兹时域光谱所具有的相干探测方法、高的时间分辨率和高灵敏度为人们展现了一个全新的光谱学研究视角，也给光谱学研究者提供了新的机遇，因此已经得到各个国家及各大研究所关注的前沿研究方向。物质在太赫兹波段有着丰富的光谱信息，大分子的转动和振动能级，分子间的弱相互作用和声子振动都落在太赫兹波段，而由这些振动跃迁造成的吸收和色散特性，有着类似于指纹的唯一性。实验证明，有机物大分子、水分子在平衡位置附近平动和转动的弛豫时间处于皮秒、亚皮秒量级。这使得有机分子、水分子与太赫兹波之间的相互作用异常强烈。由于太赫兹波这一独有的特性，太赫兹时域光谱能够有效地检测到阳离子和阴离子对水合作用的影响，并能由此分析水溶液里离子之间的协同性，进而获取水中信息，反映水质情况。因而，太赫兹技术在水溶液研究领域具有独特的优越性，有望发展为一种新型的水污染检测方法。

然而，利用传统的太赫兹时域光谱技术进行水污染检测仍面临巨大挑战。首先，水对太赫兹辐射有着强烈的吸收作用，现有技术不能有效克服甚至利用这种吸收作用。其次，现有技术还不能设计高灵敏度的太赫兹波段传感器，以及在进一步发展太赫兹无损检测技术使其更适用于液体测量存在一些技术障碍。另外，目前大多数太赫兹时域光谱系统最小光斑直径较大，整个光斑需要覆盖被测样品才能得到较强的光谱响应，所以对探测样品的大小有一定要求，而样品的厚度受限于太赫兹时域光谱的相位响应，所以样品的厚度不能过薄，也就是说，受限于三个维度上的尺寸，太赫兹时域光谱技术无法实现微量液体样品探测。

发明内容

传统的太赫兹技术进行水污染检测面临着如前所述的各种各样巨大挑战，其最大的挑战就在于：水对太赫兹波有着强烈的吸收作用，有效克服甚至利用这种吸收作用并设计适用于液体测量的高灵敏度太赫兹波段传感器难度较大。而目前大多数太赫兹时域光谱系统尚无法实现高灵敏度的水污染探测。为克服现有技术的不足，本发明提出一种用于水污染检测的高灵敏度太赫兹光纤传感方法。

传统的太赫兹时域光谱系统由于其检测方法的局限，无法实现样品的微量液体检测，针对这一缺陷，本发明提出一种用于水污染检测的太赫兹光纤传感方法。本发明利用太赫兹亚波长光纤倏逝波传感技术，实现一种快捷、灵敏、实用的水污染物太赫兹微量传感。这种方法既能实现低损耗波导，又能利用其倏逝波机制实现高灵敏度的微量检测。

根据本发明的实施例，提供一种太赫兹光纤传感测量系统，包括：超短脉冲激光器，用于产生超短脉冲激光；分束器，用于将超短脉冲激光分为探测光和泵浦光；太赫兹发射器，包括太赫兹源，泵浦光照射到太赫兹源上，从而产生太赫兹波；太赫兹光纤传感装置，包括太赫兹光纤和样品盛放装置，其中，所述太赫兹光纤是太赫兹亚波长聚合物光纤，样品盛放装置中盛放的待测样品与太赫兹光纤的包层接触；延迟线装置，在探测光和泵浦光之间产生可调节的时间延迟；直角棱镜，用于折叠光路并与延迟线装置配合；太赫兹探测器，包括能够与探测光和太赫兹波发生相互作用而产生探测信号的太赫兹探测装置。

太赫兹源包括光电导材料和非线性介质中的至少一种。

所述太赫兹发射器还包括：超短脉冲激光聚焦透镜，用于聚焦泵浦光。

所述太赫兹发射器还包括：太赫兹波束准直透镜，用于对太赫兹源产生的太赫兹波束进行准直，以产生平行的太赫兹波束。

所述太赫兹发射器还包括：太赫兹扩束装置，对太赫兹波束进行扩束。

所述系统还包括：第一抛面镜，第一抛面镜将太赫兹波反射到太赫兹光纤传感装置中的太赫兹光纤中。

所述系统还包括：第二抛面镜，将经过太赫兹光纤传感装置的太赫兹波反射到太赫兹探测器中。

太赫兹亚波长聚合物光纤的纤芯直径为100μm-500μm。

太赫兹亚波长聚合物光纤的纤芯直径为300μm。

太赫兹光纤传感装置还包括光纤夹具和光纤耦合器，光纤夹具用于固定太赫兹光纤，光纤耦合器可用于将太赫兹波耦合到太赫兹光纤中。

所述太赫兹探测器还包括超短脉冲激光聚焦透镜和太赫兹波束准直透镜。

延迟线装置包括光束回返镜，光束回返镜的反射面尺寸刚好能够满足光束回返的空间需求。

延迟线装置还包括音圈电机，光束回返镜装配在音圈电机的运动部件上，音圈电机的行程为50mm-150mm。

所述系统还包括反射镜，用于将从直角棱镜反射的泵浦光反射到太赫兹探测器中。

所述太赫兹光纤传感装置包括：第一太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第一长度；第二太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第二长度。

所述系统测量太赫兹波的相位，并进一步利用太赫兹波的相位来得到待测样品的折射率。

根据本发明的实施例，提供一种太赫兹光纤传感装置，包括：太赫兹光纤，其中，所述太赫兹光纤是太赫兹亚波长聚合物光纤，其纤芯直径为100μm-1mm；样品盛放装置，样品盛放装置中盛放的待测样品与太赫兹光纤的包层接触；光纤夹具，用于固定太赫兹光纤；光纤耦合器，用于将太赫兹波耦合到太赫兹光纤中。

根据本发明的实施例，提供一种使用如前所述的太赫兹光纤传感测量系统对物质进行测量的方法，所述方法包括：使超短脉冲激光器发出超短脉冲激光束，然后经分束器分成探测光和泵浦光；使泵浦光射向太赫兹发射器以产生太赫兹波；将太赫兹波入射到第一太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第一太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位将太赫兹波入射到第二太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第二太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位计算得到太赫兹波相位差利用太赫兹波相位差计算得到待测样品的折射率n_sam。

第一太赫兹光纤传感装置中设置有与包层接触的第一长度的待测样品，第二太赫兹光纤传感装置中设置有与包层接触的第二长度的待测样品。

假设太赫兹亚波长光纤具有空气包层光纤的几何性质，并具有一个圆形的界面，则待测样品的折射率

其中，n_eff为光纤包层的有效折射率，n_air为空气折射率，η为太赫兹倏逝波在样品中的能量比例，其中，

其中，λ为太赫兹波的波长，L₁第一长度，L₂为第二长度，r为纤芯的半径，h₁为纤芯的下表面与待测样品的液面的距离，h₂为样品盛放装置的深度，θ为待测样品与包层交叠的弓形区域所对圆心角的一半，

本发明的实施例提出了一种用于水污染检测的高灵敏度太赫兹光纤传感方法。根据本发明的实施例的太赫兹亚波长直径聚合物光纤具有低损耗、色散可控制、耦合效率高等优点，能够实现低损耗的波导，从而有利于液体的太赫兹检测，更能利用其倏逝波机制实现高灵敏度的微量液体检测，能显著地提高被测物质的探测灵敏度，而降低对样品体积和质量的要求。此外，本发明提出的太赫兹光纤传感器结构简单、使用方便、价格低廉，有利于系统的集成和扩展。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的用于污染物检测的太赫兹光纤传感测量系统的示意图。

图2是根据本发明的示例性实施例的在图1的太赫兹光纤传感测量系统中所包括的太赫兹光纤传感装置的示意图。

图3是太赫兹亚波长光纤检测示意图。

具体实施方式

将理解的是，可使用空间相对术语，如“在……之下”、“在……下方”、“下面的”、“上面的”、“在……上方”等，来描述如图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。将理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果在附图中装置被翻转，则描述为“在”其它元件或特征“下面”或“在”其它元件或特征“下方”的元件随后将被定位为“在”其它元件或特征“上面”。因此，示例性术语“在……下面”可包括上面和下面两种方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其它方位)，相应地解释这里使用的空间相对描述符。

相同的标号始终表示相同的组件。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任意组合和所有组合。

下面结合附图来具体描述本发明的示例性实施例。

图1是根据本发明的示例性实施例的用于污染物检测的太赫兹光纤传感测量系统的示意图。图2是根据本发明的示例性实施例的在图1的太赫兹光纤传感测量系统中所包括的太赫兹光纤传感装置9的示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例的太赫兹光纤传感测量系统主要包括：超短脉冲激光器1，用于产生超短脉冲激光；分束器5，用于将超短脉冲激光分为探测光和泵浦光这两路；太赫兹发射器6，包括太赫兹源，超短脉冲泵浦激光照射到太赫兹源上，以产生太赫兹波；太赫兹光纤传感装置9，包括太赫兹光纤和样品盛放装置，所述太赫兹光纤是太赫兹亚波长聚合物光纤，样品盛放装置中盛放的待测样品与太赫兹光纤的包层接触(这里的“接触”可以指待测样品进入或充入光纤的包层中)；延迟线装置2，在探测光和太赫兹波之间产生可调节的时间延迟；直角棱镜4，用于折叠光路并与延迟线装置2配合，以解决光束回返前后两光束的距离很短、没有足够空间放置两个反射镜的问题；太赫兹探测器7，包括能够与探测光和太赫兹波发生相互作用而产生探测信号的太赫兹探测装置。

可利用光导激发方法或者光整流方法等方法来产生太赫兹波。光导激发方法是利用超短脉冲激光器1产生的超短激光脉冲泵浦电场偏置的光电导材料(例如具有光电导效应的半导体)，使其激发载流子，产生电子-空穴对，它们在外加电场作用下加速运动，相当于一个瞬时电流源。可以通过一个天线在短时间内向自由空间传播THz电磁波。探测和产生所用的设备相同，只是半导体不加偏置电压而已。而光整流方法所利用的光整流效应是一种非线性效应，是电光效应的逆过程，利用激光脉冲(脉宽在亚皮秒量级)和非线性介质(诸如LiNbO₃等非线性晶体)相互作用而产生低频电极化场。辐射出THz电磁波。包含在光整流过程中的物理过程是瞬时极化过程。要求一束超短激光脉冲聚焦在电光材料上。THz辐射强度与非线性介质的极化电场强度P(t)的低频部分的二次时间偏微商成正比。通过这种方法得到的THz电磁波频率较低。

在本发明中，将能够产生太赫兹波的光电导材料、非线性介质等统称为太赫兹源。太赫兹源是太赫兹发射器6的核心器件。

根据本发明的示例性实施例，除了太赫兹源之外，太赫兹发射器6还可包括：超短脉冲激光聚焦透镜，用于聚焦泵浦光，以提高功率密度；太赫兹波束准直透镜，用于对产生的太赫兹波束进行准直以产生平行的太赫兹波束；太赫兹扩束装置，对太赫兹波束进行扩束，该太赫兹扩束装置可以是任何具有扩束作用的太赫兹光学器件，包括各种透镜等。

根据本发明的示例性实施例的太赫兹光纤传感测量系统还可包括第一抛面镜8。第一抛面镜8将被扩束的太赫兹波反射到太赫兹光纤传感装置9的太赫兹光纤中。

如前所述，根据实施例的太赫兹光纤传感装置9包括太赫兹光纤和样品盛放装置(即样品池)，截面如图2所示。根据一个示例性实施例，太赫兹光纤传感装置9可采用低损耗、色散可控制、耦合效率高的太赫兹亚波长聚合物光纤及其倏逝波传感技术，以实现高灵敏度的水污染物微量检测。聚合物光纤的损耗较低、结构简单、使用方便、价格低廉，且没有截止频率，这些是此类波导的突出优点，因而聚合物光纤是一种有重要实用前景的太赫兹波导。它们可被用于研制各种结构和形状的太赫兹波导。与此同时，太赫兹亚波长聚合物光纤的纤芯直径处亚波长(即纤芯直径与太赫兹波的波段3mm到30um范围相当或者更小)时独具优越的倏逝波传感特性，其最突出的特性就在于对传输太赫兹波束缚的减弱，从而增强了其周围倏逝波的强度，使其对外界(如折射率和温度等)极其敏感，非常有利于制成高灵敏度的光纤传感功能器件。根据本发明的示例性实施例，纤芯直径优选地为100μm-1mm，较为优选地为100μm-500μm，更为优选地为300μm。

如图2所示，太赫兹光纤传感装置9的样品盛放装置(例如图中的液体样品池)用于盛放液体样品，便于对液体样品进行太赫兹检测。根据本发明的实施例，尽管图中没有示出，但是太赫兹光纤传感装置9还可包括与太赫兹光纤相关的光纤夹具、光纤耦合器等。光纤夹具可用于固定太赫兹光纤。光纤耦合器可用于将太赫兹波耦合到太赫兹光纤中。

根据本发明的示例性实施例的太赫兹光纤传感装置9包括：第一太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第一长度；第二太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第二长度。第一长度与第二长度不同。在下文中将对第一太赫兹光纤传感装置和第二太赫兹光纤传感装置进行详细的描述。

根据本发明的示例性实施例的太赫兹光纤传感测量系统还可包括第二抛面镜10。第二抛面镜10将经过太赫兹光纤传感装置9的倏逝场作用后的太赫兹波反射到太赫兹探测器7中。

其中太赫兹探测器7可以是任何可以与超短脉冲激光和太赫兹波发生相互作用产生探测信号的太赫兹探测装置，包括基于光电导采样和电光采样的太赫兹探测装置，太赫兹探测器7中除了包含可以与超短脉冲激光和太赫兹波发生相互作用产生探测信号的太赫兹探测装置之外，还可能包含辅助于太赫兹探测的超短脉冲激光聚焦透镜和太赫兹波束准直透镜等光束整理装置。

对太赫兹波的探测同样也有光电导取样和电光取样等几种方法，下面仅以光电导取样为例进行说明。光电导取样是基于光导天线(photoconductive antenna,PCA)发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测，首先，需将一个未加偏置电压的光导天线(太赫兹探测装置，例如光电导介质)放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲(探测脉冲)对其门控。其中，这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系，而这个关系可利用一个延迟线装置2来加以实现；尔后，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对(自由载流子)，而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在光导天线中形成光电流。最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即可。其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。探测脉冲(通常在飞秒量级)的持续时间要远短于太赫兹脉冲(皮秒量级)的，所以通过改变这两个脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出THz的波形来。

根据本发明的实施例，延迟线装置2的特征在于其包括大行程的音圈电机和光束回返镜。采用音圈电机作为延迟线的运动装置，由于音圈电机是利用通电导体在磁场中受到安培力作用而运动的原理，其结构中没有传统电机的螺母、丝杆结构，因此运动阻力非常小，从而能够实现高速的往复运动。将光束回返镜装配在音圈电机的运动部件(例如，通电导体)上，其特征在于光束回返镜的反射面尺寸刚好能够满足光束回返的空间需求(即来自直角棱镜4的光线能够入射到光束回返镜的有效反射面上，并能够从光束回返镜的另一有效反射面上反射出去，入射点和出射点均不会超出光束回返镜的这两个反射面的边缘)，最大程度上降低光束回返镜及其安装夹持结构的重量，也就是减小音圈电机的负载，从而获得最高的音圈电机运动速度。另外，本发明采用大行程电机(这根据需要而定，例如可以是50mm-150mm)能获得较大的光谱扫描范围，方便在光路调整时在音圈电机的行程范围内找到信号，或者在样品测试时使音圈电机的行程范围足以补偿样品厚度造成的光程改变，所以采用大行程的直线电机是十分必要的。

根据本发明的实施例，采用直角棱镜4来与延迟线装置2配合，以解决光束回返前后两光束的距离很短、没有足够空间放置两个反射镜的问题。

根据本发明的一个示例性实施例，太赫兹光纤传感测量系统还可包括反射镜3等，用于将从直角棱镜4反射的泵浦光反射到太赫兹探测器7中。

根据本发明的实施例的太赫兹光纤传感装置的工作过程如下：

超短脉冲激光器1发出的激光束经过分束器5分成探测光和泵浦光。

其中，泵浦光射向太赫兹发射器6产生太赫兹波，其中，如前所述，太赫兹发射器6中的聚焦透镜可将泵浦光聚焦在太赫兹源上以产生太赫兹波，所述太赫兹波束可经太赫兹波束准直透镜被准直成平行波束，然后经太赫兹扩束装置扩束以具有合适的光束直径。被扩束的太赫兹波束经抛物面镜8反射，射向太赫兹光纤传感装置9。经太赫兹光纤传输，与样品相互作用(倏逝场作用)后的太赫兹波经抛面镜8反射，最后入射到太赫兹探测器7上。

而在经过分束器分束的另一光路中，探测光被直角棱镜4的一个直角反射面反射后进入到延迟线装置2，然后经过延迟线的光束折返后被直角棱镜4的另一个直角反射面反射，再经过反射镜3射向太赫兹探测器7。太赫兹探测器7在探测光和太赫兹波的共同作用下产生探测信号，测得太赫兹波的相位。

图3是太赫兹亚波长光纤检测示意图。

根据本发明的实施例，提出一种使用如前所述的太赫兹光纤传感测量系统对物质进行测量的方法，所述方法包括：使超短脉冲激光器发出超短脉冲激光束，然后经分束器分成探测光和泵浦光；使泵浦光射向太赫兹发射器以产生太赫兹波；将太赫兹波入射到第一太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第一太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位将太赫兹波入射到第二太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第二太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位计算得到太赫兹波相位差利用太赫兹波相位差计算得到待测样品的折射率n_sam。

本发明利用太赫兹亚波长光纤的倏逝场对周围介质的变化(如折射率)极其敏感这一特性对水污染物进行检测。如图2所示，假设太赫兹亚波长光纤具有空气包层光纤的几何性质，有一个圆形的界面，并设其纤芯12的半径为r，样品池深度为h₂，纤芯12的下表面与待测液体14的液面的距离为h₁。当未放置样品检测时，因为假定空气作为纤芯外表面的包层11的材料，所以包层11的折射率为空气的折射率n_clad＝n_air＝1；当放置样品时，由于空气包层有一部分的倏逝波与样品相互作用，因而光纤外包层的折射率由空气与样品两部分组成，此时光纤外包层的折射率n_clad＝n_eff，可由式(1)计算所得。在此基础上，就可以推算出待测样品的折射率n_sam。

n_eff＝n_air·(1-η)+n_sam·η (1)

其中，n_eff为光纤外包层的有效折射率，n_air为空气折射率(n_air＝1)，n_sam为待测样品的折射率，η为太赫兹倏逝波在样品中的能量比例。

根据几何理论，样品中太赫兹倏逝波的能量比例η为图2中的包层11在待测样品中的弓形区域面积占包层11的总圆环面积的比例。可由式(2)计算得到。

其中，r为纤芯半径为，h₂为样品池深度，h₁为纤芯下表面与液面的距离，θ为待测样 品与包层交叠的弓形区域所对圆心角的一半，可根据关系式计算得到。

可以利用具有同一深度但具有不同长度的两个样品池(即针对第一太赫兹光纤传感装置和第二太赫兹光纤传感装置)来测量样品的太赫兹波的相位差得到光纤外包层的有效折射率n_eff。如图3所示，首先选取长度为L₁的样品池，分别测得未放置样品时与放置样品时的太赫兹波相位为然后用同样的方法对长度为L₂的样品池分别测得未放置样品时与放置样品时的太赫兹波相位为由此，样品的太赫兹波相位差如式(3)所示。

其中，为样品的太赫兹波相位差，为长度为L₁的样品池未放置样品时与放置样品时测得的太赫兹波的相位；为长度为L₂的样品池未放置样品时与放置样品时测得的太赫兹波相位。

此时，光纤外包层的有效折射率n_eff可由式(4)计算所得：

其中，n_eff为光纤外包层的有效折射率，λ为太赫兹波的波长，为样品的太赫兹波的相位差，L_1、L₂分别为两个样品池对应的长度。

利用太赫兹亚波长光纤的倏逝场对周围介质的变化可以感测周围介质的折射率的变化，即由式(1)得到再联立式(2)～(4)可以得到液体样品的折射率n_sam，从而可以感测周围介质的浓度或种类，实现对水污染物的高灵敏度光纤传感。

本发明的实施例提出了一种用于水污染检测的高灵敏度太赫兹光纤传感方法。根据本发明的实施例的太赫兹亚波长直径聚合物光纤具有低损耗、色散可控制、耦合效率高等优点，能够实现低损耗的波导，从而有利于液体的太赫兹检测，更能利用其倏逝波机制实现高灵敏度的微量液体检测，能显著地提高被测物质的探测灵敏度，而降低对样品体积和质量的要求。此外，本发明提出的太赫兹光纤传感器结构简单、使用方便、价格低廉，有利于系统的集成和扩展。

除非另外有相反的描述，否则每个实施例中的对特征或方面的描述被认为是适用于其他实施例中的类似的特征或方面。

出于促进对本发明的原理的理解的目的，已经对附图中示出的优选实施例进行了说明，并已经使用了特定的语言来描述这些实施例。然而，该特定的语言并非意图限制本发明的范围，本发明应被解释成包括对于本领域普通技术人员而言通常会出现的所有实施例。此外，除非元件被特别地描述为“必不可少的”或“关键的”，否则没有元件或模块对本发明的实施是必不可少的。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改、润饰和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改、润饰和变型仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

最后，除非这里指出或者另外与上下文明显矛盾，否则这里描述的所有方法的步骤可以以任意合适的顺序执行。

Claims (15)

1.一种用于测量液体折射率的太赫兹光纤传感测量系统，包括：

超短脉冲激光器，用于产生超短脉冲激光；

分束器，用于将超短脉冲激光分为探测光和泵浦光；

太赫兹发射器，包括太赫兹源，泵浦光照射到太赫兹源上，从而产生太赫兹波；

太赫兹光纤传感装置，包括太赫兹光纤和样品盛放装置，其中，所述太赫兹光纤是太赫兹亚波长聚合物光纤，样品盛放装置中盛放的待测样品与太赫兹光纤的包层接触；

延迟线装置，在探测光和泵浦光之间产生可调节的时间延迟；

直角棱镜，用于折叠光路并与延迟线装置配合；

太赫兹探测器，包括能够与探测光和太赫兹波发生相互作用而产生探测信号的太赫兹探测装置；

其中，所述太赫兹光纤传感装置包括：

第一太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第一长度；

第二太赫兹光纤传感装置，其包括的样品盛放装置具有第二长度；并且所述第一长度和所述第二长度不同。

2.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，所述太赫兹发射器还包括：

超短脉冲激光聚焦透镜，用于聚焦泵浦光。

3.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，所述太赫兹发射器还包括：

太赫兹波束准直透镜，用于对太赫兹源产生的太赫兹波束进行准直，以产生平行的太赫兹波束；

太赫兹扩束装置，对太赫兹波束进行扩束。

4.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，所述系统还包括：

第一抛面镜，第一抛面镜将太赫兹波反射到太赫兹光纤传感装置中的太赫兹光纤中；

第二抛面镜，将经过太赫兹光纤传感装置的太赫兹波反射到太赫兹探测器中。

5.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，其中，

太赫兹亚波长聚合物光纤的纤芯直径为100μm-500μm。

6.根据权利要求5所述的太赫兹光纤传感测量系统，

太赫兹亚波长聚合物光纤的纤芯直径为300μm。

7.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，其中，

太赫兹光纤传感装置还包括光纤夹具和光纤耦合器，光纤夹具用于固定太赫兹光纤，光纤耦合器可用于将太赫兹波耦合到太赫兹光纤中。

8.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，所述太赫兹探测器还包括超短脉冲激光聚焦透镜和太赫兹波束准直透镜。

9.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，其中，延迟线装置包括：

光束回返镜，光束回返镜的反射面尺寸刚好能够满足光束回返的空间需求。

10.根据权利要求9所述的太赫兹光纤传感测量系统，其中，延迟线装置还包括：

音圈电机，光束回返镜装配在音圈电机的运动部件上，音圈电机的行程为50mm-150mm。

11.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，所述系统还包括：

反射镜，用于将从直角棱镜反射的泵浦光反射到太赫兹探测器中。

12.根据权利要求1所述的太赫兹光纤传感测量系统，其中，

所述系统测量太赫兹波的相位，并进一步利用太赫兹波的相位来得到待测样品的折射率。

13.一种使用如权利要求1-12中任一项所述的太赫兹光纤传感测量系统对液体的折射率进行测量的方法，所述方法包括：

使超短脉冲激光器发出超短脉冲激光束，然后经分束器分成探测光和泵浦光；

使泵浦光射向太赫兹发射器以产生太赫兹波；

将太赫兹波入射到第一太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第一太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位

将太赫兹波入射到第二太赫兹光纤传感装置中，经倏逝场作用后入射到太赫兹探测器中，使探测光也入射到太赫兹探测器中，使用太赫兹探测器分别测量第二太赫兹光纤传感装置未放置待测样品时与放置待测样品时的太赫兹波的相位

计算得到太赫兹波相位差

利用太赫兹波相位差计算得到待测样品的折射率n_sam。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，

第一太赫兹光纤传感装置中设置有与包层接触的第一长度的待测样品，第二太赫兹光纤传感装置中设置有与包层接触的第二长度的待测样品。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，

假设太赫兹亚波长光纤具有空气包层光纤的几何性质，并具有一个圆形的界面，则待测样品的折射率

其中，n_eff为光纤包层的有效折射率，n_air为空气折射率，η为太赫兹倏逝波在样品中的能量比例，其中，

其中，λ为太赫兹波的波长，L₁第一长度，L₂为第二长度，r为纤芯的半径，h₁为纤芯的下表面与待测样品的液面的距离，h₂为样品盛放装置的深度，θ为待测样品与包层交叠的弓形区域所对圆心角的一半，