CN109030406A - 太赫兹频谱校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹频谱校准系统，包括激光光源、太赫兹波产生单元、探测单元、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具，该系统利用太赫兹波在标准量具内多次反射形成的周期性的标准量具振荡，对太赫兹时域光谱进行频率校准，并且，该系统通过引入准直光路，利用同源的准直光实现太赫兹波光路间接校准，使得太赫兹波与标准量具垂直，减小由非垂直入射引起的频谱误差，有效提高系统的准确性和可靠性。本发明还提供了一种太赫兹频谱校准方法，通过太赫兹频谱校准系统进行频谱校准，利用反向输入太赫兹光路的准直光调整太赫兹光路，使标准量具与太赫兹波垂直，减小标准量具对太赫兹倾斜角引起的频谱误差。

Description

太赫兹频谱校准系统及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹频谱校准系统及方法。

背景技术

太赫兹波通常是指波长从30微米到3毫米，频率从0.1到10太赫兹的电磁波。太赫兹波介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。因为太赫兹波处于光子学与电子学的过渡区域，所以它能够提供可见光或者微波等传统检测方式不能提供的信息，因此它在物理学、化学和生物医学等领域有着重大的应用前景。

在太赫兹波研究领域，太赫兹时域光谱技术是一项相当重要且用途广泛的技术。这项技术的原理是，首先将太赫兹脉冲和取样探测脉冲在探测器中混合，然后通过延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲之间的时间差，这个时间差能引起第三方参量的变化——如太赫兹脉冲感生双折射、太赫兹脉冲感生电流或者太赫兹脉冲感生二次谐波，探测这些第三方参量就可以探测出太赫兹脉冲波形，然后通过对太赫兹脉冲波形作傅里叶变换，就能得到太赫兹波的频谱信息。太赫兹时域光谱技术不仅能够提供太赫兹脉冲的飞秒量级的时间分辨波形，还可以提供相应的频域相位分布，测量得到物质的复折射率，为探索太赫兹脉冲和物质相互作用提供了更多的信息。太赫兹脉冲能够引起众多物理、化学和生物物质的旋转共振和振动共振，所以它们在太赫兹波段都具有特征吸收谱，通过这些特征吸收谱，可以判断物质的种类。

然而，太赫兹时域光谱通常受频率误差的影响。频率误差来源于时域波形的畸变，形成因素包括：延迟线位置误差、太赫兹或者探测脉冲的啁啾以及空间光变形导致的太赫兹泵浦脉冲和可见光探测脉冲光重合偏焦。畸变的时域波形通过傅里叶变换之后，这些因素对频率的影响往往会被放大，且导致的频率误差难以定量衡量。

目前，可通过水吸收线来衡量太赫兹频谱误差，但是，尽管水蒸气在太赫兹波段有几条已知窄吸收线，它们的相对振幅随着环境变化很大，如压力和湿度，这使其很难作为定量衡量标准。另一方面，很多线有双峰或者三峰，因此需要系统有很高分辨率才能分辨出峰值和线形。在2THz以上的水线非常密集，且太赫兹时域光谱在此频段的信噪比和动态范围急剧恶化，使得通过密集的水吸收峰来对频谱定标更具挑战性。也可用其他气体作为太赫兹频谱的衡量标准，如一氧化碳(CO)气体。一氧化碳在0.2-3THz之间有强烈的吸收线，吸收线间隔为114GHz，其频谱值已被详尽的研究和记录。HF、HCl和N₂O也可以作为校准频谱的标准，但是气体作为校准材料，存在不宜保存且频谱分辨率不可调的问题，仍然不是理想的频谱校准方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决目前进行太赫兹频谱校准时，误差容易受到环境干扰，可靠范围较窄，或作为衡量标准的物质不宜保存，谱线分辨率不可调的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹频谱校准系统，包括：激光光源、太赫兹波产生单元、探测单元、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具；

所述激光光源用于产生同源的泵浦光束和探测光束；所述太赫兹波产生单元用于接收泵浦光束以产生同源太赫兹波；所述太赫兹光路用于传输太赫兹波，使太赫兹波以45°角入射所述透射反射片并反射后，在所述探测单元聚焦；所述标准量具为固体平板；

所述分光元件用于将探测光束分为两路，使一路作为探测光以45°角入射所述透射反射片并透射后，在所述探测单元聚焦；另一路则作为准直光通过所述准直光路，在所述透射反射片处透射后，反向输入所述太赫兹光路。

优选地，所述太赫兹光路对太赫兹波进行两次准直和两次聚焦，第一次聚焦形成聚焦测量点，第二次聚焦输入所述探测单元；所述聚焦测量点用于设置标准量具或待测样品。

优选地，所述太赫兹光路包括第一至第四抛物面镜和过滤片；

第一抛物面镜用于将所述太赫兹波产生单元产生的太赫兹波准直，第二抛物面镜用于将准直的太赫兹波聚焦形成聚焦测量点，第三抛物面镜用于将通过聚焦测量点后的太赫兹波再次准直，第四抛物面镜用于将再次准直太赫兹波汇聚，并经所述透射反射片反射后在所述探测单元聚焦；所述过滤片设置在所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜之间，用于过滤得到的太赫兹波。

优选地，所述准直光路包括半波片、第三透镜、两个反射镜和两个小孔光阑；

所述半波片用于调整所述准直光的偏振方向至垂直于所述探测光；两个反射镜呈直角相对间隔设置，用于调整所述准直光的传播方向以反向输入所述太赫兹光路；所述第三透镜用于调整所述准直光的聚焦点，以模拟太赫兹波在所述太赫兹光路中的准直与聚焦；两个所述小孔光阑平行相对设置在出射的反射镜与所述透射反射片之间，用于定位，使入射所述透射反射片的所述准直光与太赫兹波共线。

优选地，所述透射反射片为ITO玻璃。

优选地，还包括第一分光片、第一透镜、第二透镜和至少三个反射镜；所述分光元件为第二分光片；

所述第一分光片用于将所述激光光源产生的激光分为所述泵浦光束和所述探测光束；所述第一透镜用于将所述泵浦光束聚焦后输入所述太赫兹波产生单元；至少三个反射镜用于调整所述探测光束的传输光路以入射所述第二分光片；所述第二分光片用于将入射的所述探测光束分为两路；所述第二透镜用于将探测光在所述探测单元中聚焦。

本发明还提供了一种太赫兹频谱校准方法，采用如上述任一项所述的太赫兹频谱校准系统进行操作，具体包括如下步骤：

S1、调整太赫兹光路和探测光束的光路，使太赫兹波与探测光聚焦进入探测单元；

S2、利用探测单元获取入射探测单元的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号

S3、调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直，利用可见的准直光对所述太赫兹光路中的光学器件位置进行校正；

S4、在太赫兹光路中放置标准量具，利用可见的准直光使标准量具垂直于入射的太赫兹波；

S5、利用探测单元获取太赫兹波透过标准量具之后的太赫兹时域波形作为标准量具信号

S6、将参考信号和标准量具信号进行傅里叶变换，得到对应的频谱，根据公式获得太赫兹透过标准量具形成的标准量具振荡的实际值；

S7、将标准量具振荡的实际值，与根据标准量具的厚度和材料参数计算的理论值进行比较，得到波峰和波谷处的频点误差，实现太赫兹频谱校准。

优选地，所述步骤S2中，利用探测单元获取入射探测单元的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号时，根据探测到的太赫兹波波形调整太赫兹光路和探测光束的光路，当探测效率最高时，入射探测单元的太赫兹波和探测光共线。

优选地，所述步骤S3中，调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直时，利用两个小孔光阑对入射透射反射片的准直光进行定位，具体包括如下步骤：

S3-1、根据探测光在透射反射片反射产生的反射光定位两个小孔光阑，两个小孔光阑平行相对设置，反射光穿过两个小孔光阑；

S3-2、调整准直光路使准直光经过两个小孔光阑后对入射透射反射片，则入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直。

优选地，所述步骤S7中，根据标准量具的厚度和材料参数计算标准量具振荡的理论值时，标准量具振荡的波峰和波谷在频谱上的位置固定，其表达式如下：

其中，n是标准量具材料的折射率，l是标准量具厚度，正整数N是峰的阶数。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种太赫兹频谱校准系统，针对目前太赫兹时域光谱的频谱校准遇到的问题，利用太赫兹波在固体平板样品中多次反射形成的周期性的标准量具振荡，对太赫兹时域光谱进行频率校准，给出频点误差，作为系统误差衡量标准。标准量具越厚，频谱分辨率越高，频谱分辨率精确可调。并且该系统通过同源的准直光实现间接校准，使得太赫兹波与标准量具垂直，减小非垂直入射引起的频谱误差，有效提高系统的准确性和可靠性。完成太赫兹频谱校准的系统可用于测量太赫兹时域光谱，获得准确的测量光谱。

本发明还提供了一种太赫兹频谱校准方法，通过太赫兹频谱校准系统进行频谱校准，利用反向输入太赫兹光路的(可见)准直光调整太赫兹光路，使标准量具与太赫兹波垂直，减小标准量具对太赫兹倾斜角引起的频谱误差。

附图说明

图1是本发明实施例一太赫兹频谱校准系统结构示意图；

图2是本发明实施例一中标准量具的太赫兹时域波形及未放置标准量具时的参考太赫兹时域波形；

图3a是未优化系统中，400μm厚高阻硅片形成的标准量具振荡理论值和实际值比较图；

图3b是本发明实施例二太赫兹频谱校准系统中，500μm厚高阻硅片形成的标准量具振荡理论值和实际值比较图；

图4是本发明实施例二中太赫兹频谱频点误差图。

图中：1：太赫兹波产生单元；2：探测单元；3：反射镜；4：半波片；5：小孔光阑；6：ITO玻璃。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种太赫兹频谱校准系统，包括：激光光源(图中未示出)、太赫兹波产生单元1、探测单元2、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具S2，具体地：

激光光源用于产生同源的泵浦光束和探测光束，太赫兹波产生单元1用于接收泵浦光束以产生同源太赫兹波。太赫兹光路用于传输太赫兹波，使太赫兹波以45°角入射透射反射片，并在入射透射反射片处反射后，输入探测单元2，在探测单元2中聚焦。

标准量具S2为固体平板，使用时设于太赫兹光路中的聚焦测量点处，用于获得太赫兹波在固体平板样品中多次反射形成的周期性的标准量具振荡，以对太赫兹时域光谱系统进行频率校准。

如图1所示，分光元件用于将探测光束分为两路，使一路作为探测光以45°角入射透射反射片，并在入射透射反射片处透射后，输入探测单元2，在探测单元2中聚焦；另一路则作为准直光通过准直光路，在透射反射片处透射后，反向输入太赫兹光路，根据可见的准直光可对太赫兹光路中的各个光学器件位置进行校正，确保太赫兹波与标准量具S2垂直。

太赫兹时域光谱的频率分布可以通过标准量具技术来验证和校准，这种测试方法利用太赫兹波在平板样品中多次反射波。如图2所示，当太赫兹波在标准量具中经过反射后，会形成二次回波，将此区间内的太赫兹波进行傅里叶变换之后，将会形成标准量具振荡。利用这种振荡，可以有效验证太赫兹时域光谱的频谱。这种方法的基本原理是标准量具振荡的波峰和波谷在频谱上的位置固定：

其中，n是标准量具材料的折射率，l是厚度。正整数N是峰的阶数。如果样品的厚度和折射率是已知的，N就能被确定，而且峰对应的频率也可以计算出来。折射率可以通过时域数据计算。然而，在太赫兹时域光谱中，频谱和折射率都是通过延迟线位置推导的，所以频谱和折射率这两个量相互关联而且都受到位置测量不确定性的影响。因此，公式(1)在折射率已知的情况下用来作为频谱标定最佳，更多频谱信息通过透过率曲线来提供。标准量具透射谱随频率变化的关系如下：

标准量具振荡的波峰/波谷能够提供频率校准。标准量具应选择在太赫兹波段内色散及吸收小的材料，如高阻硅，高密度聚四氟乙烯，TPX等。

在使用标准量具标定频谱时，标准量具需要和太赫兹波束严格垂直，否则会引入测量误差，且此误差随着测量频率的提高越来越大。假设太赫兹波于硅片的入射角为θ(垂直入射时θ＝0°)，进入硅片后的出射角为β，β与θ之间的关系由折射率公式决定，则相对于公式(1)来说，此时的硅片厚度l变为l′＝l/cosβ，则波峰波谷对应的频率点为：

因此，由于硅片倾斜导致的频点误差为：

公式(4)中，频点误差Δf_N会随着频点的阶数N和标准量具厚度l逐渐增加，且正比于太赫兹出射角为β，并正比于太赫兹入射角θ。因此，在用标准量具校准太赫兹频谱时，需要保证标准量具垂直于太赫兹波传播方向。

太赫兹时域光谱技术应用时，泵浦探测延时、光路偏移、脉冲啁啾、系统噪声等因素都将造成时域波形的测量误差，并且在傅里叶变换过程中时域波形的测量误差将被变换到频域并被放大，造成测量光谱特性的失真，因此太赫兹时域光谱的频率校准对于保证测量结果的准确性具有十分重要的意义。而传统方法中，通过气体吸收峰校准频谱的方法普遍存在气体不宜保存，谱线分辨率不可调的问题。

本实施例中提供的太赫兹频谱校准系统利用太赫兹波在固体平板样品(标准量具S2)中多次反射形成的周期性的标准量具振荡，对太赫兹时域光谱系统进行频率校准，给出频点误差，作为系统误差衡量标准。用作衡量标准物质的固体平板样品不易受到外界环境干扰，可靠范围较宽，容易保存，且根据公式(1)可知标准量具S2越厚，频谱分辨率越高，通过调整标准量具S2的厚度，可以调整标准量具振荡的频率周期，从而精确调整标准量具校准的频谱分辨率，解决传统方法中通过气体校准系统时存在的频谱分辨率不可调的问题。

并且，该系统通过引入可见的准直光，采用间接准直的方法使肉眼不可见太赫兹垂直于标准量具S2。在太赫兹时域光谱中，当且仅当输入探测单元2的太赫兹波和探测光在探测单元2内共线聚焦时，太赫兹时域光谱探测效率才最高，因此，当系统最优时，基本可以判断输入探测单元2的太赫兹波和探测光共线，进一步可以使用准直光和探测光来标定太赫兹波的传播方向。将标准量具S2置于本实施例提供的太赫兹频谱校准系统中的太赫兹光路中，根据可见的准直光，即可调整各个光学元件，使得反向沿太赫兹光路传播的准直光垂直入射标准量具S2，实现间接准直，确保太赫兹波与标准量具S2垂直，有效提高频谱校准的准确性。

优选地，太赫兹光路对太赫兹波进行两次准直和两次聚焦，第一次聚焦形成聚焦测量点，第二次聚焦输入探测单元2；聚焦测量点用于设置标准量具或待测样品，即标准量具S2使用时设于太赫兹光路中的聚焦测量点处。

进一步优选地，太赫兹光路包括第一抛物面镜P1至第四抛物面镜P4和过滤片S1，如图1所示，第一抛物面镜P1和第二抛物面镜P2呈直角相对间隔设置，第二抛物面镜P2和第三抛物面镜P3斜向相对间隔设置，第三抛物面镜P3和第四抛物面镜P4呈直角相对间隔设置，具体地：

第一抛物面镜P1用于将太赫兹波产生单元1产生的太赫兹波准直，第二抛物面镜P2用于将准直的太赫兹波聚焦形成聚焦测量点，第三抛物面镜P3用于将通过聚焦测量点后的太赫兹波再次准直，第四抛物面镜P4用于将再次准直太赫兹波汇聚，并经透射反射片反射后在探测单元2聚焦。由太赫兹波产生单元1发出的太赫兹波被第一抛物面镜P1至第四抛物面镜P4准直聚焦两次，在第二抛物面镜P2和第三抛物面镜P3之间可以形成聚焦测量点，一方面可以用来放置标准量具S2，另一方面，当频谱校准之后，可以用来放置样品，测量样品透过率、吸收率和材料电磁参数。

标准量具S2可放置于太赫兹波产生单元1后至透射反射片之间太赫兹光路的任何地方，但需要保证标准量具覆盖太赫兹光斑。本实施例中，标准量具放置于第二抛物面镜P2和第三抛物面镜P3之间太赫兹焦点处，这样的好处是一方面可以通过标准量具确定太赫兹焦点的位置，另一方面在测量其他样品时，可以通过准直光调整样品角度，使其垂直于太赫兹波。

过滤片S1设置在第一抛物面镜P1和第二抛物面镜P2之间，用于过滤得到的太赫兹波，当太赫兹波从过滤片S1透过时，能够过滤其他波长的波(如泵浦光)，得到所需太赫兹波，避免泵浦光对探测器的影响，过滤片S1可选高阻硅片。

优选地，如图1所示，准直光路包括半波片4、第三透镜L3、两个反射镜3和两个小孔光阑5，具体地：

半波片4用于调整准直光的偏振方向至垂直于探测光；两个反射镜3呈直角相对间隔设置，用于调整准直光的传播方向，以使准直光反向输入太赫兹光路；第三透镜L3用于调整准直光的聚焦点，以模拟太赫兹波在太赫兹光路中的准直与聚焦；两个小孔光阑5平行相对设置在出射的反射镜3与透射反射片之间，用于对出射的准直光进行定位，使入射透射反射片的准直光与入射透射反射片太赫兹波共线。此处出射指的是出射准直光路，入射透射反射片，出射的反射镜3即为光路上更接近透射反射片的反射镜3。

由于入射透射反射片的探测光会被反射，反射角为45°，其反射光可通过两个小孔光阑5进行定位。准直光通过半波片4后，再经过两个小孔光阑入射透射反射片，则可以判定入射透射反射片的准直光与入射透射反射片探测光互相垂直。准直光偏振方向需通过半波片4调整至垂直于探测光，避免准直光对探测单元2产生影响。由于透射反射片对太赫兹波的反射角为45°，第四抛物面镜P4和透射反射片之间的太赫兹波与入射透射反射片的探测光垂直，由于准直光与探测光垂直，所以可以判定准直光与太赫兹波共线。因此，当准直光垂直于标准量具时，太赫兹波即垂直于标准量具。

优选地，透射反射片为ITO玻璃6。传统方案中，通常选择打孔抛物面镜或者高阻硅片使太赫兹波和探测光同时在探测单元2中聚焦，选用ITO玻璃的好处是，一方面，其对太赫兹波的反射率大于90％，同时也能透过太赫兹波；另一方面，它能同时透过探测光和准直光，且对ITO玻璃轻微的调整，仅会影响太赫兹波传播方向，对探测光和准直光方向不会有太大影响。

本实施例提供的太赫兹频谱校准系统，不仅能够进行频谱校准，还对系统光路进行了优化。由于太赫兹波不可见，所以太赫兹光路可能存在准直误差，引起太赫兹光路偏移，使得太赫兹传播特性无法预测，入射探测单元2的太赫兹波和探测光偏焦，导致频谱误差。通过准直光路可以利用可见的准直光来对太赫兹光路进行校准，使得太赫兹波按设计传播方式传播。利用第三透镜L3调整准直光的聚焦点，可以通过可见光预测太赫兹波在第二抛物面镜P2和第三抛物面镜P3之间的焦点，方便测试标准量具S2和待测样品的摆放。首先，当太赫兹光束和探测光束共线且焦点一致时，参考脉冲振幅取得最大值，如图2所示。接着放置标准量具S2，调整标准量具角度，使图2中的参考量具脉冲(即未放置标准量具时的参考太赫兹时域波形)获得最大值，或者图3(图3a或图3b)中的标准量具振荡实际值波峰取得最大值，此时认为标准量具S2垂直于太赫兹脉冲。当准直光透过ITO玻璃6经过第四抛物面镜P4、第三抛物面镜P3准直聚焦后由标准量具S2反射，反射光经过ITO玻璃6反射，调节第三透镜L3，还有两个反射镜3，使准直光和探测光重合且焦点一致。

优选地，如图1所示，该太赫兹频谱校准系统还包括第一分光片F1、第一透镜L1、第二透镜L2和至少三个反射镜3，分光元件为第二分光片F2，具体地：

第一分光片F1用于将激光光源产生的激光分为泵浦光束和探测光束，第一透镜L1用于将泵浦光束聚焦后输入太赫兹波产生单元1；至少三个反射镜3用于调整探测光束的传输光路以入射第二分光片F2，并作为时间延迟线，提供时间延迟，反射镜具体的数目以及设置方式可根据需要进行调整，优选地，可采用三个反射镜3实现探测光束传输，其中两个反射镜3呈直角间隔设置，如图1所示，采用三个反射镜3时，位于图1中左侧框线内的两个反射镜3可置于平移台上实现水平移动，平移台向左移动d，则探测光光程增加2d，当然也可根据需要设置更多数目的反射镜3，例如也可采用七个反射镜实现探测光束传输，其中两组反射镜置于平移台上，每组两个反射镜呈直角间隔设置(即设置了两组图1中左侧框线内结构)，平移台向左移动d，则探测光光程增加4d；第二分光片F2用于将入射第二分光片F2的探测光束分为两路，第二透镜L2用于将探测光在探测单元2中聚焦。

优选地，激光光源可以选用钛宝石飞秒激光，激光中心波长800fs，重复频率87MHz。激光光源也可以选用产生其他波长或者其他参数的激光器，根据太赫兹波的产生机制做相应调整。

太赫兹波产生单元1与激光光源应相互匹配，优选地，太赫兹波产生单元1包括光导天线及电压调制器。根据不同测量需求，也可换为适合其他太赫兹源的组件，如BBO(偏硼酸钡)晶体。此时激光光源需更换为钛宝石飞秒激光放大器，飞秒激光经BBO晶体进行倍频，该倍频光与基频光聚焦产生等离子体，从而产生带宽超过20THz的太赫兹波。其他太赫兹波的产生方式此处不在赘述。

实施例二

本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例提供的太赫兹频谱校准系统采用厚度500μm，材质为高阻硅片(折射率3.418)的标准量具，并将其与不通过准直光进行校正的未优化系统进行了比较。高阻硅片的折射率已知，且其在太赫兹频段内色散不明显，因此其标准量具振荡的波峰/波谷频率满足实施例一中的公式(1)，其透射谱满足公式(2)。

图3a示出了400μm高阻硅片(折射率3.418)在未优化(没有准直光路)系统中的标准量具振荡，可见实际值(实线)和理论值(虚线)理论值存在很大区别，其在0.1-2.6THz间的频谱误差为±35GHz。

本实施例提供的太赫兹频谱校准系统中的标准量具振荡如图3b所示，其波峰/波谷对应频点的实际值(实线)和理论值(虚线)接近，其频点误差测量结果如图4所示，0-4THz间的频谱误差小于±20GHz，0.1-2.6THz之间的频谱误差为±5GHz，与未优化系统相比，频谱误差明显减小。

并且，如图3a和图3b所示，当标准量具分别选择为400μm和500μm时，振荡量具的振荡周期分别为109.713GHz和87.771GHz，因此通过标准量具校准频谱的频谱分辨率分别为54.857GHz和43.885GHz，证实了可通过调整标准量具S2的厚度，实现精确调整标准量具校准的频谱分辨率。使用时，使用者可根据需要选择合适的频谱分辨率，当然若需测量，如材料参数测量，对频率特性有较高要求，则应选择频谱误差小的频率范围。

实施例三

本实施例三提供了一种太赫兹频谱校准方法，采用如上述任一项实施例的太赫兹频谱校准系统进行操作，具体包括如下步骤：

S1、调整太赫兹光路和探测光束的光路，使太赫兹波与探测光聚焦进入探测单元2。

开启激光光源后，激光光源产生同源的泵浦光束和探测光束。泵浦光束输入太赫兹波产生单元1，太赫兹波产生单元1产生同源太赫兹波，同源太赫兹波通过太赫兹光路后，以45°角入射透射反射片，并在入射透射反射片处反射后，输入探测单元2。探测光束分为两路，一路作为探测光以45°角入射透射反射片，并在入射透射反射片处透射后，输入探测单元2；另一路作为准直光通过准直光路，在透射反射片处透射后，反向输入太赫兹光路。

S2、利用探测单元2获取入射探测单元2的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号参考信号的波形如图2中的虚线所示。

S3、调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与入射透射反射片的探测光互相垂直，利用可见的准直光对太赫兹光路中的光学器件位置进行校正。

S4、在太赫兹光路中放置标准量具，利用可见的准直光使标准量具垂直于入射的太赫兹波。

S5、利用探测单元2获取太赫兹波透过标准量具之后的太赫兹时域波形作为标准量具信号标准量具信号的波形如图2中的实线所示。与传统测量不同，此时测量需延长扫描时间，测得太赫兹波经过标准量具后的多次回波，优选地，本实施例中，测得太赫兹波经过标准量具后的二次回波。

S6、将参考信号和标准量具信号进行傅里叶变换之后得到对应频谱和根据公式获得太赫兹透过标准量具形成的标准量具振荡的实际值。如图3a和图3b中的实线所示，太赫兹波透过高阻硅片之后会形成明显标准量具振荡，振荡周期固定，振荡波峰波谷对应固定频率。

S7、将标准量具振荡的实际值，与根据标准量具的厚度和材料参数计算的理论值进行比较，得到波峰和波谷处的频点误差，实现太赫兹频谱校准。

优选地，步骤S2中，利用探测单元获取入射探测单元的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号时，根据探测到的太赫兹波波形调整太赫兹光路和探测光束的光路，当探测效率最高时，即波峰最大时，入射探测单元2的太赫兹波和探测光共线。

优选地，步骤S3中，调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直时，利用两个小孔光阑5对入射透射反射片的准直光进行定位，具体包括如下步骤：

S3-1、根据探测光在透射反射片反射产生的反射光定位两个小孔光阑5，两个小孔光阑5平行相对设置，反射光穿过两个小孔光阑5；

S3-2、调整准直光路使准直光经过两个小孔光阑5后对入射透射反射片，则入射透射反射片的准直光与入射透射反射片的探测光互相垂直。

选用同源准直光的好处是，当系统稍有偏差时，同源准直光是否通过小孔光阑5可以作为系统调整的标准。

优选地，步骤S3还包括利用第三透镜L3调整准直光的焦点位置，根据反向输入太赫兹光路的准直光预测太赫兹波的焦点。

优选地，步骤S7中，根据标准量具的厚度和材料参数计算标准量具振荡的理论值时，如图3a和图3b中的虚线所示，标准量具振荡的波峰和波谷在频谱上的位置固定，其表达式如下：

其中，n是标准量具材料的折射率，l是标准量具厚度，正整数N是峰的阶数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹频谱校准系统，其特征在于，包括：激光光源、太赫兹波产生单元、探测单元、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具；

所述激光光源用于产生同源的泵浦光束和探测光束；所述太赫兹波产生单元用于接收泵浦光束以产生同源太赫兹波；所述太赫兹光路用于传输太赫兹波，使太赫兹波以45°角入射所述透射反射片并反射后，在所述探测单元聚焦；所述标准量具为固体平板；

所述分光元件用于将探测光束分为两路，使一路作为探测光以45°角入射所述透射反射片并透射后，在所述探测单元聚焦；另一路则作为准直光通过所述准直光路，在所述透射反射片处透射后，反向输入所述太赫兹光路。

2.根据权利要求1所述的太赫兹频谱校准系统，其特征在于：所述太赫兹光路对太赫兹波进行两次准直和两次聚焦，第一次聚焦形成聚焦测量点，第二次聚焦输入所述探测单元；所述聚焦测量点用于设置标准量具或待测样品。

3.根据权利要求2所述的太赫兹频谱校准系统，其特征在于：所述太赫兹光路包括第一至第四抛物面镜和过滤片；

第一抛物面镜用于将所述太赫兹波产生单元产生的太赫兹波准直，第二抛物面镜用于将准直的太赫兹波聚焦形成聚焦测量点，第三抛物面镜用于将通过聚焦测量点后的太赫兹波再次准直，第四抛物面镜用于将再次准直太赫兹波汇聚，并经所述透射反射片反射后在所述探测单元聚焦；所述过滤片设置在所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜之间，用于过滤得到的太赫兹波。

4.根据权利要求1所述的太赫兹频谱校准系统，其特征在于：所述准直光路包括半波片、第三透镜、两个反射镜和两个小孔光阑；

所述半波片用于调整所述准直光的偏振方向至垂直于所述探测光；两个反射镜呈直角相对间隔设置，用于调整所述准直光的传播方向以反向输入所述太赫兹光路；所述第三透镜用于调整所述准直光的聚焦点，以模拟太赫兹波在所述太赫兹光路中的准直与聚焦；两个所述小孔光阑平行相对设置在出射的反射镜与所述透射反射片之间，用于定位，使入射所述透射反射片的所述准直光与太赫兹波共线。

5.根据权利要求1至4任一项所述的太赫兹频谱校准系统，其特征在于：所述透射反射片为ITO玻璃。

6.根据权利要求5所述的太赫兹频谱校准系统，其特征在于：还包括第一分光片、第一透镜、第二透镜和至少三个反射镜；所述分光元件为第二分光片；

所述第一分光片用于将所述激光光源产生的激光分为所述泵浦光束和所述探测光束；所述第一透镜用于将所述泵浦光束聚焦后输入所述太赫兹波产生单元；至少三个反射镜用于调整所述探测光束的传输光路以入射所述第二分光片；所述第二分光片用于将入射的所述探测光束分为两路；所述第二透镜用于将探测光在所述探测单元中聚焦。

7.一种太赫兹频谱校准方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任一项所述的太赫兹频谱校准系统进行操作，具体包括如下步骤：

S1、调整太赫兹光路和探测光束的光路，使太赫兹波与探测光聚焦进入探测单元；

S2、利用探测单元获取入射探测单元的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号

S3、调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直，利用可见的准直光对所述太赫兹光路中的光学器件位置进行校正；

S4、在太赫兹光路中放置标准量具，利用可见的准直光使标准量具垂直于入射的太赫兹波；

S5、利用探测单元获取太赫兹波透过标准量具之后的太赫兹时域波形作为标准量具信号

S6、将参考信号和标准量具信号进行傅里叶变换，得到对应的频谱，根据公式获得太赫兹透过标准量具形成的标准量具振荡的实际值；

S7、将标准量具振荡的实际值，与根据标准量具的厚度和材料参数计算的理论值进行比较，得到波峰和波谷处的频点误差，实现太赫兹频谱校准。

8.根据权利要求7所述的太赫兹频谱校准方法，其特征在于：

所述步骤S2中，利用探测单元获取入射探测单元的太赫兹波和探测光共线时的太赫兹时域波形作为参考信号时，根据探测到的太赫兹波波形调整太赫兹光路和探测光束的光路，当探测效率最高时，入射探测单元的太赫兹波和探测光共线。

9.根据权利要求7所述的太赫兹频谱校准方法，其特征在于：

所述步骤S3中，调整准直光路，使入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直时，利用两个小孔光阑对入射透射反射片的准直光进行定位，具体包括如下步骤：

S3-1、根据探测光在透射反射片反射产生的反射光定位两个小孔光阑，两个小孔光阑平行相对设置，反射光穿过两个小孔光阑；

S3-2、调整准直光路使准直光经过两个小孔光阑后对入射透射反射片，则入射透射反射片的准直光与探测光互相垂直。

10.根据权利要求7所述的太赫兹频谱校准方法，其特征在于：

所述步骤S7中，根据标准量具的厚度和材料参数计算标准量具振荡的理论值时，标准量具振荡的波峰和波谷在频谱上的位置固定，其表达式如下：

(波峰)

(波谷)

其中，n是标准量具材料的折射率，l是标准量具厚度，正整数N是峰的阶数。