CN108489930A - 基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，所述光谱仪由前置会聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、后置孔径光阑、窗口片、左线阵探测器、右线阵探测器、左线阵探测器控制处理系统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，再通过归一化技术消除相位调制带来的光谱失真情况，得到目标的太赫兹辐射谱。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标太赫兹波段的光谱信息，适用于深空探测等相关领域。

Description

基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光谱测量仪，具体涉及一种能实时、高效获取被测 量目标太赫兹光谱信息的太赫兹光谱测量仪。所述被动式THz光谱仪由前置会 聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、后置 孔径光阑、左线阵探测器、右线阵探测器，窗口片、左线阵探测器控制处理系 统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述单元胞立体 相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫 兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，所述探测器探测由窗 口片滤光后的±1级衍射光束，通过归一化技术消除由于相位干涉加强引入的失真，得到物体的太赫兹光谱。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标全太赫 兹波段的光谱信息，适用于深空探测等相关领域。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，对应单光子能量 0.38meV到38meV，对应分子或分子基团的转、振动能级间光子的跃迁。通过 探测物质辐射的太赫兹谱能够提供物质的基本结构信息，如许多极性分子的振 动、转动频率，药物的基本成分和作用机理，电子材料的低能激励现象，固体 材料的声子，磁振子，等离子体激元及液体分子振动等激励现象。

在现阶段，太赫兹波段的探测仪器主要有两类仪器，一类为主动式太赫兹 探测仪器，另一类为被动式太赫兹探测仪器，主动式太赫兹探测仪器包括主要 两种，分别为远红外傅里叶变换光谱仪和太赫兹时域光谱仪。

远红外傅里叶变换光谱仪基于傅里叶变换技术实现光谱探测，具有多通道、 高通量的优点，但傅里叶光谱仪完成谱线测量依赖动镜的顺次扫描，不能实时 成谱；其次，傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本机构，其中分束器使入 射太赫兹波损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；第三，由于运动 部件的存在，傅里叶变换光谱仪存在能耗高、使用寿命较短的问题。

太赫兹时域光谱仪对太赫兹波的探测基于光电导天线或电光取样。在对物 体成像时，太赫兹时域光谱仪需要完成波长维和空间维的扫描，需要耗费大量 的时间，无法达到实时成谱的高要求。

对于这两种主动式太赫兹探测仪器，它们都存在一个共同问题，即需要适 合测量目标波段的光源器件。这个缺点限制了其在非实验室环境下的使用，无 法满足深空探测的要求。

在专利号为201710037295.3的专利文件中，介绍了一种被动式太赫兹探测 仪器，一种利用立体相位光栅和孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪， 这种光谱仪具有能量利用率高和实时成像的特点。但是，利用立体相位光栅和 孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪所适用的领域不同；其应用领域为 远距离微弱太赫兹信号的成像和探测，并且，其结构较为复杂，占用体积较大， 无法满足在深空探测的高要求。

现有技术的缺点主要体现在以下方面：首先，现有技术都无法达到实时成 谱的要求；其次，傅里叶变换光谱仪由于体积、分束片的光损失和动臂的运动 等问题、太赫兹时域光谱仪由于成像时间等问题均无法满足在复杂多变环境下 的物质的光谱获取工作。最后，主动式的太赫兹探测仪器都需要光源并且对其 有一定要求，限制了该类仪器在非实验室环境下的使用，无法满足深空探测的 要求。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于单元胞立体相位光栅的 被动式THz光谱仪，适用于太赫兹光谱检测、分析。

本发明的技术方案如下：

基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，包括依据光路传输依次排 列的前置会聚透镜1、前置视场光阑2、准直镜3、单元胞立体相位光栅4、后 置会聚透镜5、后置孔径光阑6、窗口片12、左线阵探测器7、右线阵探测器8， 所述左线阵探测器7和右线阵探测器8还依次连接有探测器控制处理系统9、 10和控制采集处理计算机11，如说明书附图1所示。上述前置会聚镜1的后焦 面与准直镜3的前焦面重合；上述视场光阑2是方形，位于前置准直镜1的焦 面，其尺寸与视场和左线阵探测器7和右线阵探测器8的面积相匹配；上述左 线阵探测器7和右线阵探测器8与后置会聚透镜5的后焦面相重合。上述前置 会聚透镜1、准直镜3、后置会聚透镜5均采用太赫兹波段的复消色差设计。

所述基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，利用单元胞立体相位 光栅4代替了傅里叶光谱仪中的迈克尔逊式干涉仪结构，大大减小了该光谱测 量仪的体积，且无动臂的运动磨损，具有更长的使用寿命，具有小型化，长寿 命的特点。

上述单元胞立体相位光栅4的结构如说明书附图2所示，材质是铝、铁、 铝合金或钛合金，所述的凹槽底面与长方体金属板的上表面平行，凹槽的深度 为h，凹槽的个数为n。与专利号为201620721539.0的文件中的立体相位光栅 相比，该单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，即所有矩形凹槽的槽深 相同，且由光源的中心频率决定凹槽深度。

所述单元胞立体相位光栅4对光的调制作用可以看成一系列交替排布的零 光程差平面和相位差平面，所述单元胞立体相位光栅5的屏函数如(1)式所示：

其中，a为凹槽的槽宽，d为光栅常数，由光栅的衍射方程

d(sinθ-sinα)＝mλ (2)

θ为衍射光的衍射角，α为光线的入射角。

△为±1级衍射光在凹槽面和光栅上表面在衍射方向上光程差，有

令光栅的占空比为1:1，即

d/a＝2

当入射光波为平面波时，设其振幅为1，则经过光栅后，其光谱分布为

U(u,v)＝F{u(x,y)}＝F{t(x,y)} (5)

其中，u和v分别为像面的横纵坐标。

将(1)式带入(5)式后，化简可得

其中，z为像面到光栅面的距离。

第m级的衍射光振幅为

其中，

第m级的衍射效率为

±1级衍射效率为

对于单元胞立体相位光栅来说，衍射光能量主要集中在0级和±1级上，可 以通过选取特定的h令衍射光的能量主要集中于±1级衍射光上，实现很高的能 量利用率，当h满足(10)式关系时，±1级衍射光衍射效率为1：

根据(3)式和(4)式，当光线斜入射时，为了使±1级衍射光达到相同的调制效 率，h需满足关系：

为了使衍射效率达到最大，h需在满足(11)式关系的h_primary中选取其中使得 光程差△尽可能接近整数的h_primary。即所述单元胞立体相位光栅5的槽深h，由 光源的中心频率v₀光线入射角α共同决定，满足：

所述单元胞立体相位光栅4中凹槽的个数n满足：

其中：σ_max、σ_min分别表示所用太赫兹波段的最大波数、最小波数。

单元胞立体相位光栅4中，凹槽的槽宽a满足a≥10λ_max，光栅的占空比满足 d/a＞1，槽的长度l至少是最大波长λ_max的100倍。

所述互参考技术通过后置孔径光阑6滤除非±1级衍射杂散光，获得高效率 的±1级衍射光路，其任一侧通光孔位置的开孔最高点e_max、最低点e_min和离后 置会聚透镜5的距离R分别需满足下列关系：

其中，θ为+1级衍射光与0级衍射光夹角，θ_max为该夹角的最大值，θ_min为该夹角的最小值，υ_max为入射太赫兹波的最大频率，υ_min为入射太赫兹波的最 小频率，d为光栅常数，α为平行太赫兹波入射单元胞立体相位光栅4的入射角， β为立体相位光栅4与后置会聚透镜5的夹角，D为光束照射到立体相位光栅4 上的口径，s为立体相位光栅4到后置会聚透镜5的距离，f为后置会聚透镜5 的焦距。

通过单元胞立体相位光栅4干涉加强的±1级衍射光由于同一干涉级次不同 频率的光受干涉调制时对应的光程差不同，不同干涉级次同一频率的光受干涉 调制时对应的光程差不同，得到的背景谱与测试谱存在失真问题，该失真问题 由所述归一化技术矫正，通过对得到的背景谱与测试谱的对应频率能量数据乘 上归一化系数可消除，该归一化系数与入射角α和该能量数据对应的频率υ相 关：

式中，+1对应+1级衍射光，-1对应-1级衍射光，α为平行太赫兹波入射单 元胞立体相位光栅4的入射角，υ为该能量数据对应的频率，h为通过(12)式计 算得到的单元胞立体相位光栅4的槽深。

所述基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量仪，还具有高 精度的特点，该特点是通过±1级衍射光路实现的，由于在归一化处理之后，可 以得到两幅探测目标太赫兹波段的光谱，通过对两幅光谱进行求均值操作，可 以得到更高精度的目标光谱。

所述基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量仪对于探测目 标波段的选择是通过滤光片12实现的。

本发明的作用原理如下：

所述基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪通过前置镜1收集目标 辐射的THz波，经前置视场光阑2的空间滤波被前置准直镜3准直，平行入射 单元胞立体相位光栅4后发生衍射，衍射光经过后置会聚透镜5在透镜焦平面 处聚焦，除±1级衍射波之外的其他衍射光被位于后置孔径光阑6滤除，再由窗 口片12滤除非目标波段的干扰光之后，+1级衍射光被左线阵探测器10探测， -1级衍射光被右线阵探测器11探测。再通过归一化技术消除由于相位调制加强 带来的失真，可得目标的光谱。

本发明的核心在于将单元胞立体相位光栅技术与归一化技术相结合，通过 获取±1级衍射波对应频率的能量，实时获取被测量目标的完整太赫兹光谱信息。

与现有技术相比，基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量 仪具有以下优点：一，与现有的傅里叶光谱仪和THz-TDS技术相比，基于单元 胞立体相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量仪具有极高的能量利用率，能满 足微弱信号的光谱探测。二，与现有技术相比，基于单元胞立体相位光栅和互 参考技术的太赫兹谱测量仪采用静态的光栅分光原理，无移动测量带来的误差， 具有更长的使用寿命，且无迈克尔逊干涉式结构，具有小型化的特点，适用于 各种复杂环境下使用。三，与傅里叶光谱仪和THz-TDS相比，基于单元胞立体 相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量仪具有对物体实时成谱的功能，无时间 上环境变化带来的误差，具有极高的准确率。四，与主动太赫兹探测仪器相比， 基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的太赫兹谱测量仪无光源器件，可以满 足深空探测的要求。

附图说明

图1：基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪示意图。

图2：单元胞立体相位光栅示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1对本发明进一步说明。

如说明书附图1所示，基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，包 括依据光路传输依次排列的前置会聚透镜1、前置视场光阑2、准直镜3、单元 胞立体相位光栅4、后置会聚透镜5、后置孔径光阑6、窗口片12、左线阵探测 器7、右线阵探测器8，左线阵探测器控制处理系统9、右线阵探测器控制处理 系统10和控制采集处理计算机11。

实施例1：用于400GHz—435GHz波段的互参考光谱仪

本发明采用采用如下构造：

1.采用00GHz—435GHz波段的窗口片。

2.样品前后表面所在平面的夹角小于0.5°，样品粗糙度Ra<2μm。

3.所用会聚透镜的材料为HDPE(高密度聚乙烯)，其中前置会聚透镜1，准 直镜3，后置会聚透镜5的焦距为300mm，口径为80mm。

4.光束入射单元胞立体相位光栅4的夹角为45°。

5.后置会聚透镜5与单元胞立体相位光栅4夹角为45°。

6.太赫兹一维单元胞立体相位光栅4槽深为1.4846733cm。

7.单元胞立体相位光栅4的槽宽1cm，光栅周期2cm，槽的个数为5，槽 的长度为80cm。

8.后置会聚透镜5距离单元胞立体相位光栅的距离为100mm。

9.前置视场光阑2开孔大小15mm*15mm，后置孔径光阑6距离后置会聚透 镜5的距离为250mm，任一侧的上沿在20mm，下沿在7mm。

本发明的主要工作流程为：

1选定测量目标，确定目标波段。

2确定窗口片，加入窗口片。

3利用基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪对目标进行测量。

4经左线阵探测器控制处理系统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集 处理计算机进行归一化处理的得到目标的太赫兹辐射谱。

本发明主要工作原理如说明书附图1示意：

目标热辐射的太赫兹波经过前置会聚透镜(1)会聚后，在焦平面处经过前置 视场光阑(2)滤光，经过准直镜(3)得到平行光束，在单元胞立体相位光栅(4)处 反射后，得到包含经过相位调制加强±1级衍射光的衍射光，该衍射光经过会聚 透镜(5)会聚后由后置孔径光阑(6)滤去0级和高级次衍射光，±1级衍射光再分 别在会聚后置透镜(5)的焦平面处，经过窗口片滤除非目标波段的干扰光后，由 左线阵探测器(7)、右线阵探测器(8)探测，由左线阵探测器控制处理系统(9)、 右线阵探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)进行归一化技术处 理的得到目标的光谱。

Claims (4)

1.一种基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，包括前置会聚透镜(1)、前置视场光阑(2)、准直镜(3)、单元胞立体相位光栅(4)、后置会聚透镜(5)、后置孔径光阑(6)、左线阵探测器(7)、右线阵探测器(8)，窗口片(12)，左线阵探测器(7)和右线阵探测器(8)其特征在于：

所述的被动式THz光谱仪依据光路传输依次排列有前置会聚透镜(1)、前置视场光阑(2)、准直镜(3)、单元胞立体相位光栅(4)、后置会聚透镜(5)、后置孔径光阑(6)、左线阵探测器(7)、右线阵探测器(8)，窗口片(12)，左线阵探测器(7)连接有左线阵探测器控制处理系统(9)，右线阵探测器(8)连接有右线阵探测器控制处理系统(10)，探测器控制处理系统(9，10)与控制采集处理计算机(11)相连；

光谱仪工作时，目标热辐射的太赫兹波经过前置会聚透镜(1)会聚后，在焦平面处经过前置视场光阑(2)滤光，经过准直镜(3)得到平行光束，在单元胞立体相位光栅(4)处衍射后，其中的±1级衍射光进过相位调制加强，该衍射光经过会聚透镜(5)会聚后由后置孔径光阑(6)滤去其中的0级和高级次衍射光，±1级衍射光分别在会聚后置透镜(5)的焦平面处经过窗口片(12)滤光后由左线阵探测器(7)、右线阵探测器(8)探测，由左线阵探测器控制处理系统(9)、右线阵探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)进行归一化技术处理的得到目标的光谱。

2.根据权利1所述的基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，其特征在于，所述单元胞立体相位光栅(4)通过凹槽深度h调制±1级衍射光干涉加强，该凹槽深度h与光源的中心频率υ₀，入射角α满足关系式：

即所述单元胞立体相位光栅(4)的槽深h，由光源的中心频率v₀光线入射角α共同决定，满足：

其中，c为光速，d为光栅常数，α为平行太赫兹波入射单元胞立体相位光栅(4)的入射角，h_primary为使得中心频率v₀的±1级衍射光调制效果相同的槽深数组，h为槽深数组中使得调制加强效果最好的槽深数据。

3.根据权利1所述的基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，其特征在于，后置孔径光阑(6)任一侧通光孔位置的开孔最高点e_max、最低点e_min和离后置会聚透镜(5)的距离R分别需满足下列关系：

其中，θ为+1级衍射光与0级衍射光夹角，θ_max为该夹角的最大值，θ_min为该夹角的最小值，υ_max为入射太赫兹波的最大频率，υ_min为入射太赫兹波的最小频率，d为光栅常数，α为平行太赫兹波入射单元胞立体相位光栅(4)的入射角，β为立体相位光栅(4)与后置会聚透镜(5)的夹角，D为光束照射到立体相位光栅(4)上的口径，s为立体相位光栅(4)到后置会聚透镜(6)的距离，f为后置会聚透镜(5)的焦距。

4.根据权利1所述的基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，其特征在于，所述的控制采集处理计算机(11)进行归一化技术处理方法如下：所述归一化技术即对对应频率能量数据乘上归一化系数，该归一化系数与入射角α和该能量数据对应的频率υ相关：

式中，+1对应+1级衍射光，-1对应-1级衍射光，α为平行太赫兹波入射单元胞立体相位光栅4的入射角，υ为该能量数据对应的频率，h为单元胞立体相位光栅的槽深。