CN107328472B - 一种太赫兹光谱探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹光谱探测系统及其使用方法，本发明包括用于将直流偏置信号和射频信号耦合的调制模块、对经耦合的调制信号进行单一纵模信号输出的选模模块、对单一纵模信号进行光路传输的探测光路以及对探测光路传输的信号确定THz频谱中特定频点响应并显示的探测模块，其中，调制模块输出信号至选模模块，选模模块与探测光路以及探测模块依次光路连通；选模模块以及调制模块分别由探测模块控制。本发明以THzQCL为光谱光源，采用外腔技术和非相干探测技术对展宽的THz激光光谱进行直接采样，省略了信号同步采样机制，光谱重建速度快，实现开放环境下的远距离THz光谱检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学应用技术领域，具体而言，本发明涉及一种太赫兹光谱探测系统及探测方法。
背景技术
近年来，随着太赫兹源与探测器的发展，各类太赫兹(Tera Hertz，简称，THz)技术也日趋完善，其中，太赫兹波光谱技术及其应用的研究更是引起了众多科学家的关注，THz光谱技术也成为了光谱领域的研究热点和重点。
THz光谱技术的诞生与发展很好的填补了光谱领域的“THz空隙”，且具有与众不同之处：(1)THz光谱技术属于红外光谱范畴，但功能又与红外光谱不同，THz光谱特征主要与晶体的宏观结构和长程相互作用紧密相关，而传统的红外光谱主要探测的是分子官能团及分子内部的相互作用； (2)THz光谱为吸收光谱，与拉曼散射光谱相比，两者的产生机理不同：吸收光谱是由于振动引起分子偶极矩或电荷分布变化产生的，而拉曼散射是由于键上电子云分布产生瞬间变形引起暂时极化，是极化率的改变，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。对于具有对称中心的分子来说，与对称中心有对称关系的振动，THz不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，THz可见，拉曼不可见；(3)THz光谱与原子发射光谱相比，后者主要采用分解形成的原子或离子时所发射的特征光谱的波长及其强度来对各种元素进行定性和定量分析，样品组分对谱线强度影响较为显著，对标准参比的组分要求较高，且只能用于元素分析，不能进行结构、形态的测定。综上所述，THz光谱技术作为一种新型的光谱技术具有其鲜明的特点和功能，与当前主流的光谱技术互为补充，完善了光谱测量技术，拓展了光谱测试的应用范围。
目前在THz光谱探测领域应用最广的就是太赫兹时域光谱仪技术 (THz-TimeDomain Spectrometer，简称THzTDS)系统，该技术是20世纪 80年代由AT&T,Bell实验室和IBM公司的T.J.Waston中心研究发展起来的。而该系统进行的物质检测绝大部分采用的是透射成谱模式，但 THzTDS系统同时也受到自身的局限，导致其始终无法跨出实验室，面向实际应用，主要因素包括：(1)由于采用时域光谱系统，利用傅立叶变换处理时域脉冲信号得到频域光谱，而时域光谱技术导致THz信号强度低， THzTDS系统通常采用光电导天线或非线性光整流的方式产生THz宽频辐射，此二种方式产生的THz辐射信号强度在微瓦量级，信号容易受到干扰导致探测数据误差较大；(2)受限于上一点，THzTDS系统只能采用相干探测技术进行THz信号检测，从而保证探测信号的信噪比，借助相干探测技术，THz TDS信噪比可以高达10000：1甚至更高，但同时导致光谱数据获取速度较慢从而使THz光谱信号能够准确被提取；(3)THzTDS系统复杂，价格昂贵，THzTDS系统由于采用了相干探测技术，导致必须使用时间延迟线，所以系统包含有重复的机械往返运动，如果使用时间过久，会导致系统老化，准确度明显降低，另外由于必须采用飞秒激光器，所以系统配置设备费用也比较昂贵；(4)测试环境局限，THzTDS系统一般而言，均在密封真空环境下进行测试，同时测试距离不超过1米，所以该技术在实际爆炸物检测方面作用甚微。
发明内容
为了解决现有THz光谱探测系统复杂，价格昂贵且不便于使用的问题，发明人对太赫兹光谱技术及应用系统进行了深入研究，提出了一种太赫兹光谱探测系统及方法。
本发明提供一种太赫兹光谱探测系统，包括调制模块、选模模块、探测光路以及探测模块，其中，调制模块输出信号至选模模块，选模模块与探测光路以及探测模块依次光路连通；选模模块以及调制模块分别由探测模块控制。
其中，所述调制模块包括用以产生直流偏置信号的直流单元、用于产生射频信号的射频单元以及用于接收直流偏置信号和射频信号的梯形偏置器(Bias-Tee)，该偏置器将接收到的直流偏置信号和射频信号耦合并输出至选模模块。
所述选模模块包括THz QCL(Tera Hertz Quantum Cascade Lasers，即太赫兹量子级联激光器)和选模光栅，其中THz QCL接收由偏置器耦合的调制信号，并发射激光光束至选模光栅。
优选地，所述THz QCL包括QCL谐振腔，该述QCL谐振腔一端设有用于光束汇聚的发射透镜，另一端则设有输出单模信号的出射端。
优选地，所述发射透镜采用超球面镜，且该超球面镜表面与QCL出射端的端面均镀有减反膜。
优选地，所述选模光栅与一旋转电机相连由其带动旋转，该旋转电机则与探测模块电连接。
优选地，所述探测光路包括一组汇聚透镜，将来自QCL谐振腔出射端的单模信号光传输至探测模块。
优选地，所述探测模块包括探测器和控制显示器，探测器获取由汇聚透镜汇聚的单模信号并将其传输到控制显示器。
本发明还提供一种太赫兹光谱探测方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供用于将直流偏置信号和射频信号耦合的调制模块；
步骤S2：提供对来自S1中经耦合的调制信号进行单一纵模信号输出的选模模块；
步骤S3：提供对S2中单一纵模信号进行光路传输的探测光路；
步骤S4：提供对经S3中探测光路传输的信号确定THz频谱中特定频点响应并显示的探测模块；
步骤S5：调整选模模块的衍射反馈角，重复上述S2-S4，获取不同频点的响应值，从而得到全频段THz透射光谱数据。
按照该方法，在S1中，打开调制模块中的射频单元和直流单元以分别产生射频信号和直流偏置信号，两信号通过梯形偏置器耦合产生调制信号；
在S2中，所述选模模块包括THz QCL和选模光栅，S1中产生的调制信号驱动THzQCL发射THz信号至选模光栅，选模光栅调整衍射角并将选模之后的单模信号衍射反馈至QCL的谐振腔，并输出单一纵模信号；
在S3中，所述由THz QCL发射的经过选模之后的单一纵模信号，经由低衰减的THz汇聚透镜汇聚至样品处，再并将携带有样品信息的信号经汇聚透镜汇聚并传输至探测模块；
在S4中，探测模块从携带有样品信息的信号中获取单频点的THz信号强度并传输至其控制显示器；
在S5中，调整选模光栅的衍射反馈角，实现不同模式的选择，获取不同频点的响应值，对所测试的频谱数据按照模式频点进行光谱数据还原，得到THz透射光谱数据信息。所述THz QCL包括QCL谐振腔，该述QCL 谐振腔一端设有用于光束汇聚的发射透镜，另一端则设有输出单模信号的出射端。
本发明以THz QCL为光谱光源，将THz QCL与外腔调制技术相结合，且基于THz QCL自身高输出功率及高工作频率的特点，能够实现开放环境下的4THz以上频段的THz光谱测试。采用小角度调整选模范围即能实现连续频谱信息提取，测试速度快，无需相干探测机制及相关光学系统，光谱系统复杂度显著降低，光谱数据获取速度快且分辨率高，而且本发明只需将THz QCL选模模块置于真空中而非整个系统处于真空环境。因而本发明克服了现有时域太赫兹光谱系统的局限性，如低光谱分辨率、时间延迟线、太赫兹信号强度低和测试环境全真空以及频段受限等因素，为传统的光谱检测领域提供了一种新型的技术手段，对THz光谱技术的实际应用具有积极的推动作用。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一种太赫兹光谱探测系统模块结构示意图；
图2为本发明实施例一种太赫兹光谱探测系统的THz QCL选模模块的结构示意图；
图3为本发明一种太赫兹光谱探测方法的流程示意图；
图4为利用本发明太赫兹光谱探测系统测试大气环境中水汽在 4.05～4.3THz之间的吸收谱线图；
具体实施方式
下面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。其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供了一种太赫兹光谱探测系统，包括调制模块1、选模模块2、探测光路3以及探测模块4。其中，调制模块1输出信号至选模模块2，选模模块2与探测光路3以及探测模块4依次光路连通；选模模块2以及调制模块1分别由探测模块4控制。
请继续参阅图1，调制模块1包括用以产生直流偏置信号的直流单元 11、用于产生射频信号的射频单元12以及用于接收直流偏置信号和射频信号的梯形偏置器13。该偏置器13将接收到的直流偏置信号和射频信号耦合成调制信号并输出至选模模块2。这里梯形偏置器13选用宽带宽梯形偏置器。
如图2所示，选模模块2包括THz QCL21和选模光栅22两者同置于真空低温(低于25K)腔体内，以屏蔽外部环境对THz信号的干扰。由调制模块的梯形偏置器13产生的调制信号，施加于选模模块中的THz QCL21 上，抑制THz QCL的单模输出，实现多纵模激射，即频谱展宽，展宽范围不低于200GHz，且单模半峰宽不超过5GHz。其中，THz QCL21具有QCL 谐振腔211，梯形偏置器13将射频信号与直流驱动信号同时耦合进该腔内，产生反射电调制拍频信号，拍频信号通过电流环进行提取并传送而采用光谱分析仪进行测试，当然，其他激光领域使用的频谱展宽方式，如选择宽增益介质，改变驱动模式使器件工作与多模发射区等等均可用于本发明。QCL谐振腔211一端设置有用于发射THz激光光束的发射透镜212，该发射透镜212将来自梯形偏置器13的发散的THz信号转换为平行光并汇聚至选模光栅22上。
选模光栅22为发射式光栅，其主要通过衍射与干涉效应的共同作用实现光谱分光，其分光原理如下：
nλ＝(sinα+sinβ)×d
其中，d为光栅常数，α为入射角，β为衍射角，n为光谱级数，λ为衍射波长；当n＝0为零级光谱，β与λ无关，无分光作用，即不能实现选模；n＝±1为一级光谱，且可以看出，衍射角β越小，则衍射波长λ越短，反之亦然。通过选择适当的衍射角度即可实现对不同模波长的选择，即实现不同模式(单模)的选择。考虑到一级光谱既具备较高强度又方便角度调节，因此本发明选模光栅22分光选择为一级光谱，也即n＝±1。
根据光栅分光原理，通过选择合适的光栅倾斜角度，使得一级分光光谱信号反馈至THz QCL谐振腔，在谐振腔体内产生相干共振效应，腔内与一级光谱对应的激光单模得到增强，而THz QCL展宽光谱中的其他模式受到抑制，从而在QCL的另一端，即出射端213实现单模输出效果。
再请参阅图1，自THz QCL的出射端213输出的单模信号通过探测光路3的第一汇聚透镜51汇聚至样品A处，再经第二和第三汇聚透镜52和 53将携带有样品信息的信号继续传输至THz信号探测模块4。所述探测光路3采用对THz频段信号衰减低的光学元件构成，如离轴抛物面镜或聚乙烯透镜等。样品探测则采用透射或反射两种模式。透射和反射模式仅仅是光路的变化，两种方式均能获得对探测信号的检测。
本发明THz探测模块4包括探测器41和控制显示器42，这里控制显示器采用计算机，当然也可采用其他设备。其中的探测器采用直接强度探测器，通过该探测器获取的THz信号的强度值来确定THz频谱中特定频点的响应。然后通过改变选模光栅22的角度，获取不同频点的响应值，最终完成THz QCL展宽频谱在频域的全覆盖。最后综合不同频点的响应值并通过滤波，降噪和特征提取等谱线处理优化方法得到对应的THz频域谱，即THz光谱，并在控制显示器42上进行显示。
优选地，选模光栅22为反射中阶梯光栅，该反射中阶梯光栅的参数为：光栅常数d＝43um；额定闪耀角度为63°，选频范围为4.08THz—4.34THz，波长对应为73.5um—69.1um；选模光栅22还可与一带动其旋转的旋转电机(图未示)相连，该旋转电机则与控制显示器42电连接。控制显示器 42控制旋转电机的旋转来控制选模光栅22不同的衍射角β，从而改变选模波长，该β角度变化范围为58.5°—53.34°。
此外，为了增强调制信号与单模信号的强度，一方面，本发明THz QCL 一端的发射透镜212采用超球面镜对出射THz信号进行汇聚，然后将其传输至光栅22处进行选模，另一方面，该超球面镜表面与QCL出射端213 的端面均镀有减反膜，以达到降低信号反射损耗的效果。
在实际中，THzQCL有源区设计优选采用连续态向束缚态跃迁机制，且波导结构优选为半绝缘表面等离子体波导结构，THz QCL中心频率为 4.2THz，连续波工作模式。
THz单模信号探测器采用常温的THz探测器，如焦热电、Golay Cell(高莱盒)、压电探测器等，探测信号为其强度值，探测方式为直接检测。
基于前述的太赫兹光谱探测系统，本发明提供一种太赫兹光谱探测方法，下面以大气环境中水汽作为样品A，详述采用本发明对其进行太赫兹光谱探测的方法：
步骤S1：通过调制模块1产生调制信号
打开射频单元12，设定调制信号中心频率为6.2GHz，设定驱动THz QCL21的直流偏置信号为0.9安培，采用梯形偏置器13将射频信号与直流偏置信号耦合至THz QCL21产生调制信号；
步骤S2：通过选模模块2实现单一纵模信号输出
将太赫兹光谱探测系统设定为透射模式，将选模模块2置于真空环境，点亮THzQCL21，该QCL采用连续波工作模式，S1中产生的调制信号驱动THz QCL21的谐振腔211第一端的透镜212发射THz信号至选模光栅 22，选模光栅22通过旋转电机适当调节偏转角度，通过对比参考频谱确定频域扫描起始点，偏转角度步长为0.11°，经过选模光栅选模之后的单模信号反馈至QCL谐振腔，经过QCL谐振腔内的相干作用经由谐振腔211 第二端的出射端213实现单一纵模信号输出；
步骤S3：通过探测光路3对单一纵模信号进行光路传输
由THz QCL21的出射端213发射的经过选模之后的单一纵模信号，经由低衰减的THz第一汇聚透镜51汇聚至样品处，再经第二汇聚透镜52以及第三汇聚透镜53进行汇聚并将携带有样品信息的信号继续传输至探测模块4；
步骤S4：通过探测模块4对携带样品信息的信号确定THz频谱中特定频点的响应
在该步骤中，探测模块4采用高莱盒探测器41探测从而获取出单频点的THz信号强度，并传输至控制显示器(这里为计算机)42。
步骤S5：探测并显示THz频谱
通过计算机42控制选模光栅22的旋转电机，不断改变选模光栅22的反馈角度，重复步骤S2-S4，实现不同模式的选择，获取不同频点的响应值，从而实现对THz QCL21带宽频段范围的全覆盖，最后对所测试的频谱数据按照模式频点进行光谱数据还原，得到大气环境中水汽的THz透射光谱数据信息。
如图4所示，在4.05～4.3THz之间可以清楚的观察到在4.17THz和 4.19THz处水汽的THz吸收峰。由此可知，本发明能够在开放环境下(除选模模块外，其他配置均为非真空)实现4THz以上频段的THz光谱测试。
与现有技术相比，本发明一种太赫兹光谱探测系统及其使用方法具有如下有益效果：
本发明以THz QCL21为光谱光源，将THz QCL与外腔调制技术相结合，通过选模直接获取频域谱信息。本发明无需相干探测机制及相关光学系统，光谱系统复杂度显著降低，光谱数据获取速度快且分辨率高，克服了常用时域太赫兹光谱系统的局限性，如低光谱分辨率、时间延迟线、太赫兹信号强度低和测试环境真空以及频段受限等因素。
综上所述，本发明对THz光谱技术的实际应用具有积极的推动作用，同时也为传统的光谱检测领域提供了一种新型的技术手段。
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 (8)
1.一种太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述太赫兹光谱探测系统包括调制模块、选模模块、探测光路以及探测模块，其中，调制模块输出信号至选模模块，选模模块与探测光路以及探测模块依次光路连通；选模模块由探测模块控制；所述选模模块包括THz QCL和选模光栅，其中THz QCL接收调制模块的调制信号，发射激光光束至选模光栅并借助于选模光栅输出单模信号；THz QCL和选模光栅两者同置于一温度低于25K的真空腔体内，所述调制模块、探测光路以及探测模块置于真空腔体外的非真空环境中；
所述探测模块包括探测器和控制显示器，探测器获取由汇聚透镜汇聚的单模信号并将其传输到控制显示器；所述探测器采用常温的THz探测器。
2.如权利要求1所述的太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述调制模块包括用以产生直流偏置信号的直流单元、用于产生射频信号的射频单元以及用于接收直流偏置信号和射频信号的梯形偏置器，该偏置器将接收到的直流偏置信号和射频信号耦合并输出至选模模块。
3.如权利要求1所述的太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述THz QCL包括QCL谐振腔，该QCL谐振腔一端设有用于光束汇聚的发射透镜，另一端则设有输出单模信号的出射端。
4.如权利要求3所述的太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述发射透镜采用超球面镜，且该超球面镜表面与QCL出射端的端面均镀有减反膜。
5.如权利要求3或4所述的太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述选模光栅与一旋转电机相连由其带动旋转，该旋转电机则与探测模块电连接。
6.如权利要求3所述的太赫兹光谱探测系统，其特征在于：所述探测光路包括一组汇聚透镜，将来自QCL谐振腔出射端的单模信号光传输至探测模块。
7.一种太赫兹光谱探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：提供用于将直流偏置信号和射频信号耦合的调制模块；
步骤S2：提供一温度低于25K的真空腔体，将对来自S1中经耦合的调制信号进行单一纵模信号输出的选模模块同置于所述真空腔体内，其中，所述选模模块包括THz QCL和选模光栅，S1中产生的调制信号驱动THz QCL发射THz信号至选模光栅，选模光栅调整衍射角并将选模之后的单模信号衍射反馈至QCL的谐振腔，并输出单一纵模信号；
步骤S3：在所述真空腔体外提供对S2中单一纵模信号进行光路传输的探测光路；
步骤S4：在所述真空腔体外提供对经S3中探测光路传输的信号确定THz频谱中特定频点响应并显示的探测模块；所述探测模块包括探测器和控制显示器，探测器获取由汇聚透镜汇聚的单模信号并将其传输到控制显示器；所述探测器采用常温的THz探测器；
步骤S5：调整选模光栅的衍射反馈角，实现不同模式的选择，重复上述S2-S4，获取不同频点的响应值，对所测试的频谱数据按照模式频点进行光谱数据还原，从而得到全频段THz透射光谱数据。
8.根据权利要求7所述的太赫兹光谱探测方法，其特征在于：
在S1中，打开调制模块中的射频单元和直流单元以分别产生射频信号和直流偏置信号，两信号通过梯形偏置器耦合产生调制信号；
在S3中，所述S2中单一纵模信号，经由低衰减的THz汇聚透镜汇聚至样品处，并将携带有样品信息的信号经汇聚透镜汇聚并传输至探测模块；
在S4中，探测模块从携带有样品信息的信号中获取单频点的THz信号强度并传输至其控制显示器。
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