CN105841811A - 太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置，所述太赫兹光路校准器包括：太赫兹光路管、可见光光路管、太赫兹分色片及耦合光导出光路模块。本发明仅采用普通发散性光源即可完成对太赫兹光束的标识，大幅降低设备费用；有效的降低了太赫兹光路校准操作的复杂程度，显著的提高太赫兹光路构建的精准度，对太赫兹技术的实用化发展具有积极的推动作用。

Description

太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置

技术领域

本发明属于光学应用技术领域，特别涉及一种太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波通常指频率范围为100GHz～10THz，对应波长为3mm～30um的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波和远红外射线之间，是电磁波谱中最后一个有待全面而深入研究的频段。近年来，随着光子学和纳米技术的不断发展，THz相关技术在公共安全，通信传输，生物医学，产品质量控制和大气环境监测等领域展现出极大的应用潜力和价值。在众多的THz研究方向中，THz成像被视为最为重要的应用技术之一，主要原因在于：THz波成像可以获得适中的空间分辨率，能够穿透多种非极性材料(如纸张，塑料，陶瓷等)，实现对隐藏目标成像；特别地，在医学成像和安检成像等领域，相比于广泛应用的X射线，THz波具有更低的能量(1THz～4meV)，因此更加安全，不会电离生物分子，弥补了X射线容易对人体造成辐射损伤这一缺陷，同时THz波对低密度物质成像可以获得更好的对比度。

随着THz源与探测器的不断发展，满足各类实用需求的THz系统应运而生。系统的构建必须对几何光路进行校准，精准的光路设计是仪器性能与测试准确度的保障。鉴于THz波的不可见性，给系统构建与后期设备调试均带来诸多不便。目前用于THz系统光路校准的方法主要采用红光领域的激光校准方法，即选择一个带有中心穿孔的反射镜或透射镜，采用氦氖激光器作为校准光源，激光穿过镜面中心穿孔，然后以此激光路径为基准校准后续光路系统中的各个模块，由于氦氖激光处射光斑汇聚度高，亮度高，易于显示和观察，所以被广泛的用于光路校准。

然而，采用氦氖激光进行光路校准存在三方面明显缺陷：1.此方法需采用特制的带有中心穿孔的反射镜或透射镜，对于较细或中心区域强度较为集中的光束则会对光束造成明显衰减和畸变，影响光束效果；2.光路校准需要使用激光光源，激光强度高，容易对眼睛造成损伤，存在安全隐患，且光源为非普通光源，体积较大，成本较高(相较于普通LED)，操作困难；3.最关键的是，采用激光进行光路校准，一方面，只能进行点或中心校准，针对平行光束或大光斑光路无法进行准确校准，另一方面，校准光路往往需要根据实际需求进行构建，从一个系统换到另一个系统，也需要重新构建，额外增加系统构建的复杂程度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置，用于解决现有技术中采用氦氖激光进行光路校准存在上述的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹光路校准器，所述太赫兹光路校准器包括：

太赫兹光路管，包括太赫兹光源放置端口及出光端口；

可见光光路管，与所述太赫兹光路管垂直放置，包括可见光光源放置端口及出光端口，所述可见光光路管出光端口与所述太赫兹光路管出光端口相邻，且所述可见光光路管出光端口的端面为倾斜面，所述倾斜面朝向所述太赫兹光路管出光端口；所述可见光光路管的轴向中心线与所述太赫兹光路管的轴向中心线相交，且二者的交点位于所述可见光光路管出光端口；

太赫兹分色片，位于所述可见光光路管出光端口表面，且完全覆盖所述可见光光路管出光端口；所述太赫兹分色片对太赫兹频段具有高反射率，对所述可见光频段具有高透过率；

耦合光导出光路模块，位于所述可见光光路管出光端口的一侧，包括光束导出端口，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束导出。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述太赫兹光路管及所述可见光光路管的材料均为低反射率材料。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述太赫兹分色片在60μm～3mm波长范围内的反射率高于85％，在200nm～1200nm波长范围内的透过率高于90％。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述太赫兹分色片为表面镀有铟锡氧化物薄膜的硼硅玻璃片；所述铟锡氧化物薄膜的厚度大于对应的太赫兹光波长的趋肤深度，直流电导率为10⁵/Ω·m量级。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述耦合光导出光路模块包括：

耦合光束收集光学元件，所述耦合光束收集光学元件位于耦合的所述太赫兹光与所述可见光的光路上，包括反射镜或透射镜，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束；

导出光路管，位于所述耦合光束收集光学元件的一侧，包括光束入射端口及所述光束导出端口，适于将所述平行光束导出；所述导出光路管的所述光束导出端口设有中心位置指示标志。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述耦合光束收集光学元件为90度离轴抛物面镜，所述耦合光束收集光学元件的焦点与所述可见光光路管的轴向中心线与所述太赫兹光路管的轴向中心线的交点相重合。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述太赫兹光路管出光端口及所述可见光光路管出光端口均设有第一遮挡装置，适于调节所述太赫兹光路管出光端口及所述可见光光路管出光端口的孔径；所述导出光路管的所述光束导出端口设有第二遮挡装置，适于调节所述光束导出端口的孔径。

作为本发明的太赫兹光路校准器的一种优选方案，所述太赫兹光路校准器还包括固定腔体；所述固定腔体将所述太赫兹光路管、所述可见光光路管、所述太赫兹分色片及所述耦合光导出光路模块密封固定，且所述太赫兹光路管的太赫兹光源放置端口、所述可见光光路管的可见光光源放置端口及所述耦合光导出光路模块的光束导出端口位于所述固定腔体的外侧。

本发明还提供一种汇聚光路校准装置，所述汇聚光路校准装置包括如上述任一方案中所述的太赫兹光路校准器；

第一反射或透射光学元件，位于所述耦合光导出光路模块的光束导出端口一侧，且位于所述耦合光导出光路模块导出的平行光束的光路上，适于将所述耦合光导出光路模块导出的平行光束转换成汇聚光束。

作为本发明的汇聚光路校准装置的一种优选方案，所述第一反射或透射光学元件为90度离轴抛物面镜。

本发明还提供一种平行光路校准装置，所述平行光路校准装置包括如上述任一方案中所述的汇聚光路校准装置；

第二反射或透射光学元件，位于所述第一反射或透射光学元件一侧，且位于所述第一反射或透射光学元件转换的汇聚光束的光路上，适于将所述第一反射或透射光学元件转换的汇聚光束转换成平行光束。

作为本发明的平行光路校准装置的一种优选方案，所述第二反射或透射光学元件为90度离轴抛物面镜。

本发明的一种太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置的有益效果为：

1.本发明的太赫兹光路校准器使用可见光标识太赫兹光束在光路中的具体位置，解决了由太赫兹光束的不可见性导致其在各类应用系统中光路校准难的问题；

2.本发明的太赫兹光路校准器结构简单，采用可见光光源，光束实用性广，大幅降低设备费用；操作便捷，使用方便，无论初次校准还是重复校准均无需复杂操作即可完成光路校准；

3.本发明的太赫兹光路校准器降低了太赫兹系统光路校准的复杂度，有助于提高光路校准精度，对太赫兹光学技术的实用化发展具有重要意义。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的太赫兹光路校准器的剖面结构示意图。

图2显示为本发明实施例二中提供的汇聚光路校准装置的工作原理示意图。

图3显示为本发明实施例三提供的平行光路校准装置的工作原理示意图。

元件标号说明

1 太赫兹光路校准器

11 太赫兹光路管

111 太赫兹光源放置端口

112 太赫兹光路管出光端口

12 可见光光路管

121 可见光光源放置端口

122 可见光光路管出光端口

13 太赫兹分色片

14 耦合光导出光路模块

141 耦合光束收集光学元件

142 导出光路管

1421 光束入射端口

1422 光束导出端口

15 固定腔体

2 太赫兹光源

3 可见光光源

4 第一反射或透射光学元件

5 第二反射或透射光学元件

6 焦平面

7 挡光板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种太赫兹光路校准器1，所述太赫兹光路校准器1包括：太赫兹光路管11，所述太赫兹光路管11包括太赫兹光源放置端口111及出光端口112；可见光光路管12，所述可见光光路管12与所述太赫兹光路管11垂直放置，包括可见光光源放置端口121及出光端口122，所述可见光光路管出光端口122与所述太赫兹光路管出光端口112相邻，且所述可见光光路管出光端口122的端面为倾斜面，所述倾斜面朝向所述太赫兹光路管出光端口112；所述可见光光路管12的轴向中心线与所述太赫兹光路管11的轴向中心线相交，且二者的交点位于所述可见光光路管出光端口122；太赫兹分色片13，所述太赫兹分色片13位于所述可见光光路管出光端口122表面，且完全覆盖所述可见光光路管出光端口122；所述太赫兹分色片13对太赫兹频段具有高反射率，对所述可见光频段具有高透过率；耦合光导出光路模块14，所述耦合导出光路模块14位于所述可见光光路管出光端口122的一侧，包括光束导出端口1422，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束导出。

作为示例，所述太赫兹光路管11及所述可见光光路管12的材料均为低反射率材料，以降低反射信号的干扰。所述太赫兹光路管11及所述可见光光路管12的材料均为低反射率材料是指所述太赫兹光路管11的材料在60μm～3mm波长范围内的反射率低于10％；所述可见光光路管12的材料在200nm～1200nm波长范围内的反射率低于5％。

作为示例，所述太赫兹分色片13在60μm～3mm波长范围内的反射率高于85％，在200nm～1200nm波长范围内的透过率高于90％。

作为示例，所述太赫兹分色片13的横截面形状与所述可见光光路管出光端口122横截面的形状相同，优选地，本实施例中，所述太赫兹分色片13的横截面形状为椭圆形。

作为示例，所述太赫兹分色片13可以为表面镀有铟锡氧化物薄膜的硼硅玻璃片；所述铟锡氧化物薄膜的厚度大于对应的太赫兹光波长的趋肤深度，直流电导率为10⁵/Ω·m量级。

作为示例，所述耦合光导出光路模块14包括：耦合光束收集光学元件141，所述耦合光束收集光学元件141位于耦合的所述太赫兹光与所述可见光的光路上，所述耦合光束收集光学元件141可以为反射镜，也可以为透射镜，所述耦合光束收集光学元件141适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束；导出光路管142，所述导出光路管142位于所述耦合光束收集光学元件141的一侧，包括光束入射端口1421及所述光束导出端口1422，适于将所述平行光束导出；所述导出光路管142的所述光束导出端口1422设有中心位置指示标志(未示出)。

作为示例，所述耦合光束收集光学元件141可以为90度离轴抛物面镜，所述耦合光束收集光学元件141的焦点与所述可见光光路管12的轴向中心线与所述太赫兹光路管11的轴向中心线的交点相重合。

作为示例，所述导出光路管142的直径与所述耦合光束收集光学元件1411的直径相同。

作为示例，所述导出光路管142的材料可以与所述太赫兹光路管11的材料相同。

作为示例，所述太赫兹光路管出光端口112及所述可见光光路管出光端口122均设有第一遮挡装置(未示出)，所述第一遮挡装置适于通过遮挡部分所述太赫兹光路管出光端口112及所述可见光光路管出光端口122以调节所述太赫兹光路管出光端口112及所述可见光光路管出光端口122的孔径；所述导出光路管142的所述光束导出端口1422设有第二遮挡装置(未示出)，所述第二遮挡装置适于通过遮挡部分所述光束导出端口1422以调节所述光束导出端口1422的孔径。

作为示例，所述太赫兹光路校准器还包括固定腔体15；所述固定腔体15将所述太赫兹光路管11、所述可见光光路管12、所述太赫兹分色片13及所述耦合光导出光路模块14密封固定，且所述太赫兹光路管11的太赫兹光源放置端口111、所述可见光光路管12的可见光光源放置端口121及所述耦合光导出光路模块14的光束导出端口1422位于所述固定腔体15的外侧。

请继续参阅图1，所述太赫兹光路校准器1的使用方法为：首先，将所述太赫兹光路校准器1固定于以光学平台的合理位置处，并确定所述太赫兹光路校准器1的中心高度H(即所述导出光路管142横截面中心到所述光学平台表面的垂直高度)；其次，调节所述太赫兹光路管11的入射孔径(即所述太赫兹光源放置端口111的孔径)，将太赫兹光源2置于所述太赫兹光源放置端口111的中心位置；最后，调节所述可见光光路管12的入射孔径(即所述可见光光源放置端口121的孔径)，将可见光光源3置于所述可见光光源放置端口121的中心位置。经上述操作，即可由所述耦合光导出光路模块14导出耦合的平行光束，其中，图1中的箭头即为光线的光路方向。虽然太赫兹光束不可见，但其光束位置由共光路的可见光进行标识，可用于后续光学元件的校准。

实施例二

请参阅图2，本发明还提供一种汇聚光路校准装置，所述汇聚光路校准装置包括如实施例一中所述的太赫兹光路校准器1；第一反射或透射光学元件4，所述第一反射或透射光学元件4位于所述耦合光导出光路模块14的光束导出端口1422一侧，且位于所述耦合光导出光路模块14导出的平行光束的光路上，适于将所述耦合光导出光路模块14导出的平行光束转换成汇聚光束。

作为示例，所述第一反射或透射光学元件4可以与所述耦合光束导出光路模块14的结构参数相同。

作为示例，所述第一反射或透射光学元件4可以为90度离轴抛物面镜。

请继续参阅图2，所述汇聚光路校准装置的使用方法为：首先，采用实施例一中所述的太赫兹光路校准器1的使用方法调整好所述太赫兹光路校准器1；其次，将所述第一反射或透射光学元件4固定在所述光学平台上，以所述第一反射或透射光学元件4为所述90度离轴抛物面镜为例，所述第一反射或透射光学元件4的中心高度(即所述90度离轴抛物面镜底面中心高度)为H，即将所述第一反射或透射光学元件4固定于与所述耦合光束收集光学元件141相同高度的位置；最后，调整所述第一反射或透射光学元件4的俯仰角进行校准。借助可见光光斑，所述第一反射或透射光学元件4即可完成校准的标志为：1.可见光光斑完全被所述第一反射或透射光学元件4的反射镜面覆盖，可见光光斑的边缘与反射镜面边缘重合；2.所述太赫兹光路校准器1导出的平行光束由所述第一反射或透射光学元件4收集并汇聚至其焦平面6上，可见光显示出焦点位置，再微调所述第一反射或透射光学元件4的俯仰角，使焦点在所述焦平面6上的高度为H(即焦点至所述光学平台的垂直距离与所述太赫兹光路校准器1的中心高度相同，均为H)。

需要说明的是，当所述第一反射或透射光学元件4与所述耦合光束收集光学元件141的结构参数不同时，通过调节所述导出光路管142的孔径(即调节所述光束导出端口1422的孔径)以改变其发出的水平光束的直径，并采用上述同样的方法完成校准。

使用所述汇聚光路校准装置进行汇聚光路校准之后，可以完成后续光学元件校准，然后撤下所述可见光光源3，进行太赫兹信号测试等后续操作。

实施例三

请参阅图3，本发明还提供一种平行光路校准装置，所述平行光路校准装置包括实施例二中所述的汇聚光路校准装置；第二反射或透射光学元件5，所述第二反射或透射光学元件5位于所述第一反射或透射光学元件4一侧，且位于所述第一反射或透射光学元件4转换的汇聚光束的光路上，适于将所述第一反射或透射光学元件4转换的汇聚光束转换成平行光束。

作为示例，所述第二反射或透射光学元件5可以与所述耦合光束导出光路模块14及所述第一反射或透射光学元件4的结构参数相同。

作为示例，所述第二反射或透射光学元件5为90度离轴抛物面镜。

请继续参阅图3，所述水平光路校准装置的使用方法为：首先，采用实施例二中所述的汇聚光路校准装置的使用方法进行汇聚光路校准；其次，将所述第二反射或透射光学元件5固定在所述光学平台上，以所述第二反射或透射光学元件5为所述90度离轴抛物面镜为例，所述第二反射或透射光学元件5的中心高度(即所述90度离轴抛物面镜底面中心高度)为H，即将所述第二反射或透射光学元件5固定于与所述第一反射或透射光学元件4相同高度的位置，使得所述第二反射或透射光学元件5的反射镜面完全覆盖光束；最后，利用挡光板7接收转换的平行光，所述挡光板7上得到平行光束截面形状可见光光斑，借助所述可见光光斑，调节所述第二反射或透射光学元件4俯仰角校准。所述第二反射或透射光学元件4完成校准的标志为：1。所述挡光板7上所述可见光光斑的中心高度同样为H；2.所述挡光板7上截面光斑形状为圆形。

使用所述水平光路校准装置进行水平光路校准之后，可以完成后续光学元件校准，然后撤下所述可见光光源3，进行太赫兹信号测试等后续操作。

综上所述，本发明提供一种太赫兹光路校准器、汇聚及平行光路校准装置，所述太赫兹光路校准器包括：太赫兹光路管，包括太赫兹光源放置端口及出光端口；可见光光路管，与所述太赫兹光路管垂直放置，包括可见光光源放置端口及出光端口，所述可见光光路管出光端口与所述太赫兹光路管出光端口相邻，且所述可见光光路管出光端口的端面为倾斜面，所述倾斜面朝向所述太赫兹光路管出光端口；所述可见光光路管的轴向中心线与所述太赫兹光路管的轴向中心线相交，且二者的交点位于所述可见光光路管出光端口；太赫兹分色片，位于所述可见光光路管出光端口表面，且完全覆盖所述可见光光路管出光端口；所述太赫兹分色片对太赫兹频段具有高反射率，对所述可见光频段具有高透过率；耦合光导出光路模块，位于所述可见光光路管出光端口的一侧，包括光束导出端口，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束导出。本发明的太赫兹光路校准器使用可见光标识太赫兹光束在光路中的具体位置，解决了由太赫兹光束的不可见性导致其在各类应用系统中光路校准难的问题；本发明的太赫兹光路校准器结构简单，采用可见光光源，光束实用性广，操作便捷，使用方便，无论初次校准还是重复校准均无需复杂操作即可完成光路校准；本发明的太赫兹光路校准器降低了太赫兹系统光路校准的复杂度，有助于提高光路校准精度，对太赫兹光学技术的实用化发展具有重要意义。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种太赫兹光路校准器，其特征在于，包括：

太赫兹光路管，包括太赫兹光源放置端口及出光端口；

可见光光路管，与所述太赫兹光路管垂直放置，包括可见光光源放置端口及出光端口，所述可见光光路管出光端口与所述太赫兹光路管出光端口相邻，且所述可见光光路管出光端口的端面为倾斜面，所述倾斜面朝向所述太赫兹光路管出光端口；所述可见光光路管的轴向中心线与所述太赫兹光路管的轴向中心线相交，且二者的交点位于所述可见光光路管出光端口；

太赫兹分色片，位于所述可见光光路管出光端口表面，且完全覆盖所述可见光光路管出光端口；所述太赫兹分色片对太赫兹频段具有高反射率，对所述可见光频段具有高透过率；

耦合光导出光路模块，位于所述可见光光路管出光端口的一侧，包括光束导出端口，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束导出。

2.根据权利要求1所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述太赫兹光路管及所述可见光光路管的材料均为低反射率材料。

3.根据权利要求1所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述太赫兹分色片在60μm～3mm波长范围内的反射率高于85％，在200nm～1200nm波长范围内的透过率高于90％。

4.根据权利要求3所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述太赫兹分色片为表面镀有铟锡氧化物薄膜的硼硅玻璃片；所述铟锡氧化物薄膜的厚度大于对应的太赫兹光波长的趋肤深度，直流电导率为10⁵/Ω·m量级。

5.根据权利要求1所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述耦合光导出光路模块包括：

耦合光束收集光学元件，所述耦合光束收集光学元件位于耦合的所述太赫兹光与所述可见光的光路上，包括反射镜或透射镜，适于将耦合的所述太赫兹光及所述可见光转换成平行光束；

导出光路管，位于所述耦合光束收集光学元件的一侧，包括光束入射端口及所述光束导出端口，适于将所述平行光束导出；所述导出光路管的所述光束导出端口设有中心位置指示标志。

6.根据权利要求5所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述耦合光束收集光学元件为90度离轴抛物面镜，所述耦合光束收集光学元件的焦点与所述可见光光路管的轴向中心线与所述太赫兹光路管的轴向中心线的交点相重合。

7.根据权利要求5所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述太赫兹光路管出光端口及所述可见光光路管出光端口均设有第一遮挡装置，适于调节所述太赫兹光路管出光端口及所述可见光光路管出光端口的孔径；所述导出光路管的所述光束导出端口设有第二遮挡装置，适于调节所述光束导出端口的孔径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的太赫兹光路校准器，其特征在于：所述太赫兹光路校准器还包括固定腔体；所述固定腔体将所述太赫兹光路管、所述可见光光路管、所述太赫兹分色片及所述耦合光导出光路模块密封固定，且所述太赫兹光路管的太赫兹光源放置端口、所述可见光光路管的可见光光源放置端口及所述耦合光导出光路模块的光束导出端口位于所述固定腔体的外侧。

9.一种汇聚光路校准装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任一项所述的太赫兹光路校准器；

第一反射或透射光学元件，位于所述耦合光导出光路模块的光束导出端口一侧，且位于所述耦合光导出光路模块导出的平行光束的光路上，适于将所述耦合光导出光路模块导出的平行光束转换成汇聚光束。

10.根据权利要求9所述的汇聚光路校准装置，其特征在于：所述第一反射或透射光学元件为90度离轴抛物面镜。

11.一种平行光路校准装置，其特征在于，包括：

如权利要求9至10中任一项所述的汇聚光路校准装置；

第二反射或透射光学元件，位于所述第一反射或透射光学元件一侧，且位于所述第一反射或透射光学元件转换的汇聚光束的光路上，适于将所述第一反射或透射光学元件转换的汇聚光束转换成平行光束。

12.根据权利要求11所述的平行光路校准装置，其特征在于：所述第二反射或透射光学元件为90度离轴抛物面镜。