CN109506789A - 太赫兹源波长测量仪校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明出太赫兹源波长测量仪校准装置及方法，针对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪和除傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪之外的其它类型的波长测量仪，采用相应的校准装置及方法进行校准，实现不同测量原理太赫兹源波长测量仪的校准。对应除傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪之外其它类型的太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹标准频率源法对其进行校准；对应傅立叶变换型类型的太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹特征波长标准器法对其进行校准；该校准方法解决了(0.1～5)THz波段范围内太赫兹源波长测量仪的校准难题，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学计量技术领域，主要涉及太赫兹计量技术领域，尤其涉及一种太赫兹源波长测量仪校准装置及方法。
背景技术
太赫兹波段位于红外和微波之间，太赫兹技术是国际上重点研究的交叉性前沿技术，广泛应用于通讯、反恐、医学、安检和天文观测等领域。其中太赫兹源是太赫兹技术研究的一个基础和前提，而太赫兹源波长是制约系统性能的关键因素。太赫兹源波长测量仪是测量太赫兹源波长或频率参数的仪器，其准确程度直接影响太赫兹源的性能，因此，迫切需要对太赫兹源波长测量仪进行校准，提高太赫兹源波长测量的准确度。
目前，用来测量太赫兹源波长的波长测量仪按照测量原理主要可分为：法布里-玻罗干涉式、斐索干涉式、傅立叶变换干涉式、外差混频式、光栅分光式等，这些波长测量仪采用不同的原理实现太赫兹源波长的测量，但是，缺乏太赫兹源波长测量仪的校准方法，导致测量准确度无法评估。因此，本发明针对不同原理类型的太赫兹源波长测量仪，提出了对应的太赫兹源波长测量仪校准方法，实现多种太赫兹源波长测量仪的校准。
英国NPL针对太赫兹时域光谱仪的光谱和频率，研制了光谱校准器。其中，光谱校准器分为两种，包括硅晶片标准具和一氧化碳气体室。硅晶片标准具由两面可调节的高电阻率硅晶片组成，校准光谱范围为：(0.1～4)THz，最大光谱分辨率：1GHz。校准时把硅晶片标准具放置在时域光谱仪光学系统焦点位置，时域光谱仪内部太赫兹光源经过硅晶片标准具反射或透射后，形成波长不同的光谱带。一氧化碳气体室采用聚四氟乙烯窗口，内部充满了一氧化碳气体，利用一氧化碳气体的太赫兹吸收线，对太赫兹时域光谱仪的光谱进行计量，其特点是：在(0.5～2.5)THz范围内具有均匀的峰值曲线，光谱分辨率小于1GHz；相对峰值光谱强度可变。但是太赫兹时域光谱仪是用于测量材料的特征波长参数的仪器，不能用于测量太赫兹源的波长。
目前尚未看到有针对不同测量原理太赫兹源波长测量仪校准方法的公开报道。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明出太赫兹源波长测量仪校准装置及方法，针对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪和除傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪之外的其它类型的波长测量仪，采用相应的校准装置及方法进行校准，实现不同测量原理太赫兹源波长测量仪的校准。
本发明的技术方案为：
所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：针对非傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹标准频率源、准直光学系统和计算机进行波长参数校准；所述准直光学系统将接收到的太赫兹辐射先准直后聚焦至被校太赫兹源波长测量仪，准直光学系统中心和被校太赫兹源波长测量仪中心位于同一光轴上，太赫兹标准频率源位于准直光学系统焦点处；准直光学系统采用太赫兹透镜组或太赫兹抛物面镜组；计算机完成测量结果数据采集、处理和显示。
进一步的优选方案，所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：所述太赫兹标准频率源波长标准值λs已知，覆盖的波长范围为60μm～3000μm，具备单波长输出功能。
利用上述校准装置对太赫兹源波长测量仪进行校准的方法，其特征在于：对非傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪进行波长参数校准，包括以下步骤：
步骤1：将太赫兹标准频率源放置于光路中，位于准直光学系统焦点处，并与准直光学系统和被校太赫兹源波长测量仪位于同一光轴上；
步骤2：准直光学系统将接收到的太赫兹辐射转变为平行光入射至被校太赫兹源波长测量仪；被校太赫兹源波长测量仪将波长测量结果传输至计算机；
步骤3：根据以下公式计算得到被校太赫兹源波长测量仪的波长相对示值误差cλ：
式中λs为已知的太赫兹标准频率源的波长标准值，为被校太赫兹源波长测量仪的波长测量值。
进一步的优选方案，所述一种太赫兹源波长测量仪校准方法，其特征在于：选择三个典型校准波长点进行校准，三个典型校准波长点分别位于波长测量范围的0～1/3、1/3～2/3和2/3～1处。
所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：针对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹透射比标准器、太赫兹特征波长标准器和计算机实现光谱分辨率和波长参数校准；其中采用太赫兹特征波长标准器和计算机实现波长参数的校准，采用太赫兹透射比标准器、太赫兹特征波长标准器和计算机实现光谱分辨率的校准；
所述被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪由宽波段太赫兹源、分束镜、定镜和动镜、准直光学系统、样品室、会聚系统、太赫兹探测器、信号处理系统组成；宽波段太赫兹源产生太赫兹辐射；分束镜将太赫兹辐射分为两束，一束入射至定镜，另一束入射至动镜；定镜和动镜组成干涉式测量光路，并将太赫兹辐射返回至分束镜；分束镜将定镜和动镜返回的太赫兹辐射透射和反射至准直光学系统，准直光学系统将太赫兹辐射准直并聚焦至样品室；样品室中放置太赫兹透射比标准器或太赫兹特征波长标准器；会聚系统将太赫兹辐射汇聚至太赫兹探测器，太赫兹探测器和信号处理系统接收太赫兹辐射信号传输至计算机进行数据处理得到波长或光谱分辨率测量值；分束镜、定镜、准直光学系统、样品室、会聚系统和太赫兹探测器中心位于同一光轴上，并构成主光轴。
进一步的优选方案，所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：所述太赫兹透射比标准器覆盖的波长范围为60μm～3000μm；所述太赫兹特征波长标准器波长值λg已知，覆盖的波长范围为60μm～3000μm。
利用上述校准装置对太赫兹源波长测量仪进行校准的方法，其特征在于：对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪进行波长和光谱分辨率参数校准，包括以下步骤：
步骤1：打开被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，测量其相对光谱透射比曲线τs,λ；
步骤2：将太赫兹光谱透射比标准器移入被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的样品室中，并位于主光轴上；
步骤3：开启被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器后，经会聚系统、太赫兹探测器和信号处理系统后将测量结果传输至计算机；得到此时相对光谱透射比曲线τd,λ；根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的相对光谱功率修正因子kλ；
kλ＝τd,λ/τs,λ
步骤4：将太赫兹光谱透射比标准器移出被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的样品室，将太赫兹特征波长标准器移入样品室，并位于主光轴上；
步骤5：太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器后，经会聚系统、太赫兹探测器和信号处理系统后将测量结果传输至计算机；得到的测量结果为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长测量值和原始相对光谱功率曲线；
步骤6：根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长相对示值误差c′λ：
式中λg为已知的太赫兹特征波长标准器的波长标准值，为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长测量值；
步骤7：对原始相对光谱功率曲线进行修正，得到修正相对光谱功率曲线，对应的修正功率值为P′λ：
P′λ＝Pλ×kλ
其中原始相对光谱功率曲线对应的原始功率值为Pλ；在修正相对光谱功率曲线中，读取修正功率值P′λ的1/2处对应的波长值，分别记为λ1和λ2，利用以下公式计算傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的光谱分辨率Δλ：
Δλ＝λ1-λ2。
进一步的优选方案，所述一种太赫兹源波长测量仪校准方法，其特征在于：选择三个典型校准波长点进行校准，三个典型校准波长点分别位于波长测量范围的0～1/3、1/3～2/3和2/3～1处。
有益效果
本发明的整体技术效果体现在：1)根据不同测量原理，本发明设计了两种太赫兹源波长测量仪校准方法，即太赫兹标准频率源法和太赫兹特征波长标准器法，实现了不同类型太赫兹源波长测量仪的校准；2)本发明的校准方法，在校准中根据被校太赫兹源波长测量仪的波长测量范围，在测量范围的(0～1/3)、(1/3～2/3)和(2/3～1)处选择了三个校准点，提高了太赫兹源波长测量仪器校准的准确性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明太赫兹标准频率源法校准方法示意图。
图2是本发明太赫兹特征波长标准器法校准方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明根据不同测量原理，采用太赫兹标准频率源或太赫兹特征波长标准器对被校太赫兹源波长测量仪进行校准，分别称为太赫兹标准频率源法和太赫兹特征波长标准器法。
如图1所示，太赫兹标准频率源法的优选实例主要包括太赫兹标准频率源1、准直光学系统2、被校太赫兹源波长测量仪3和计算机4。
太赫兹标准频率源1可采用太赫兹固态源、太赫兹量子级联激光器、肖特基太赫兹源和多频点太赫兹源等，具备单波长(频点)输出功能，波长标准值λs已知。常用的校准波长点为：0.10THz、0.315THz、0.65THz、2.525THz、2.94THz、4.3THz、4.9THz；在实际校准中根据需用选用一种或多种太赫兹源，所选用的太赫兹源要求功率≥50μW，频率宽度≤10-4THz，以提高测量精度。
准直光学系统2将接收到的太赫兹辐射先准直后聚焦至被校太赫兹源波长测量仪，在校准中根据需要，实施例优先选用太赫兹透镜组或太赫兹抛物面镜组；当实施例选用太赫兹透镜时，太赫兹透镜通光口径为Φ45mm，透镜材料为Tsurupica，在(0.1～5)THz范围内光谱透过率均大于50％；太赫兹抛物面镜材料为超硬铝，表面镀制金反射膜，在1THz处反射率大于99.5％；准直光学系统2中心和被校太赫兹源波长测量仪3中心位于同一光轴上，太赫兹标准频率源1位于准直光学系统2焦点处。
被校太赫兹源波长测量仪3测量结果输出至计算机4；计算机4输出显示被校太赫兹源波长测量仪3的波长校准结果。
太赫兹标准频率源法的校准步骤为：
第1步：将太赫兹标准频率源1放置于光路中并位于准直光学2系统焦点处，并与准直光学系统2和被校太赫兹源波长测量仪3位于同一光轴上；
第2步：准直光学系统2将接收到的太赫兹辐射转变为平行光入射至被校太赫兹源波长测量仪3；被校太赫兹源波长测量仪3将波长测量结果传输至计算机4；
第3步：根据以下公式计算得到被校太赫兹源波长测量仪3的波长相对示值误差cλ：
式中λs为已知的太赫兹标准频率源1的波长标准值，为被校太赫兹源波长测量仪3的波长测量值。
第4步：被校太赫兹源波长测量仪3的波长测量范围为(0.1～5)THz，在波长测量范围的(0～1/3)、(1/3～2/3)和(2/3～1)处选取三个校准点。
如图2所示，太赫兹特征波长标准器法的优选实例主要包括太赫兹透射比标准器5、太赫兹特征波长标准器6、被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7和计算机4。
太赫兹透射比标准器5选用硅片，覆盖的波长范围为(60～3000)μm即频率范围(0.1～5)THz，透过率为0.71。
太赫兹特征波长标准器6可采用CO气体室标准器或SO2气体室标准器。CO气体室标准器在(0.1～5)THz具有特征吸收光谱，常用的校准波长点为：0.115THz、0.576THz、0.922THz、1.497THz、2.071THz、2.525THz、2.984THz、3.552THz、4.003THz、4.564THz、5.009THz等；SO2气体室标准器常用的特征波长为：0.426THz、0.659THz、0.760THz、0.860THz、0.961THz、1.060THz、1.160THz等；在实际校准中根据需用选用一种或两种标准器。
被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7由宽波段太赫兹源7-1、分束镜7-2、定镜7-7和动镜7-4、准直光学系统7-5、样品室7-6、会聚系统7-7、太赫兹探测器7-8、信号处理系统组成7-9；宽波段太赫兹源7-1产生太赫兹辐射；分束镜7-2将太赫兹辐射分为两束，一束入射至定镜7-7，另一束入射至动镜7-4；定镜7-7和动镜7-4组成干涉式测量光路，并将太赫兹辐射返回至分束镜7-2；分束镜7-2将定镜7-7和动镜7-4返回的太赫兹辐射透射和反射至准直光学系统7-5，准直光学系统7-5将太赫兹辐射准直并聚焦至样品室7-6；样品室7-6中放置太赫兹透射比标准器5或太赫兹特征波长标准器6；会聚系统7-7将太赫兹辐射汇聚至太赫兹探测器7-8，太赫兹探测器7-8和信号处理系统7-9接收太赫兹辐射信号传输至计算机4进行数据处理得到波长或光谱分辨率测量值；分束镜7-2、定镜7-7、准直光学系统7-5、样品室7-6、会聚系统7-7和太赫兹探测器7-8中心位于同一光轴上，并构成主光轴。
太赫兹特征波长标准器法对波长和光谱分辨率参数的校准步骤为：
第1步：打开被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7，测量其相对光谱透射比曲线τs,λ；
第2步：将太赫兹光谱透射比标准器5移入被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的样品室中，并位于主光轴上；
第3步：开启被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7，太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器5后，经会聚系统7-7、太赫兹探测器7-8和信号处理系统7-9后将测量结果传输至计算机4；得到此时相对光谱透射比曲线τd,λ；根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的相对光谱功率修正因子kλ；
kλ＝τd,λ/τs,λ
第4步：将太赫兹光谱透射比标准器5移出被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的样品室，并将太赫兹特征波长标准器6移入样品室，并位于主光轴上；
第5步：太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器5后，经会聚系统7-7、太赫兹探测器7-8和信号处理系统7-9后将测量结果传输至计算机4；得到的测量结果为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的波长测量值和原始相对光谱功率曲线；
第6步：根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的波长相对示值误差c′λ：
式中λg为已知的太赫兹特征波长标准器6的波长标准值，为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的波长测量值。
第7步：原始相对光谱功率曲线对应的原始功率值为Pλ；对原始相对光谱功率曲线进行修正，得到修正相对光谱功率曲线，对应的修正功率值为P′λ；
P′λ＝Pλ×kλ
在修正相对光谱功率曲线中，读取修正功率值P′λ的1/2处对应的波长值，分别记为λ1和λ2，利用以下公式计算傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的光谱分辨率Δλ。
Δλ＝λ1-λ2
第8步：被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪7的测量范围为(0.1～5)THz，在波长测量范围的(0～1/3)、(1/3～2/3)和(2/3～1)处选取三个校准点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：针对非傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹标准频率源、准直光学系统和计算机进行波长参数校准；所述准直光学系统将接收到的太赫兹辐射先准直后聚焦至被校太赫兹源波长测量仪，准直光学系统中心和被校太赫兹源波长测量仪中心位于同一光轴上，太赫兹标准频率源位于准直光学系统焦点处；准直光学系统采用太赫兹透镜组或太赫兹抛物面镜组；计算机完成测量结果数据采集、处理和显示。
2.根据权利要求1所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：所述太赫兹标准频率源波长标准值λs已知，覆盖的波长范围为60μm～3000μm，具备单波长输出功能。
3.利用权利要求1所述校准装置对太赫兹源波长测量仪进行校准的方法，其特征在于：对非傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪进行波长参数校准，包括以下步骤：
步骤1：将太赫兹标准频率源放置于光路中，位于准直光学系统焦点处，并与准直光学系统和被校太赫兹源波长测量仪位于同一光轴上；
步骤2：准直光学系统将接收到的太赫兹辐射转变为平行光入射至被校太赫兹源波长测量仪；被校太赫兹源波长测量仪将波长测量结果传输至计算机；
步骤3：根据以下公式计算得到被校太赫兹源波长测量仪的波长相对示值误差cλ：
式中λs为已知的太赫兹标准频率源的波长标准值，为被校太赫兹源波长测量仪的波长测量值。
4.根据权利要求3所述一种太赫兹源波长测量仪校准方法，其特征在于：选择三个典型校准波长点进行校准，三个典型校准波长点分别位于波长测量范围的0～1/3、1/3～2/3和2/3～1处。
5.一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：针对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，采用太赫兹透射比标准器、太赫兹特征波长标准器和计算机实现光谱分辨率和波长参数校准；其中采用太赫兹特征波长标准器和计算机实现波长参数的校准，采用太赫兹透射比标准器、太赫兹特征波长标准器和计算机实现光谱分辨率的校准；
所述被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪由宽波段太赫兹源、分束镜、定镜和动镜、准直光学系统、样品室、会聚系统、太赫兹探测器、信号处理系统组成；宽波段太赫兹源产生太赫兹辐射；分束镜将太赫兹辐射分为两束，一束入射至定镜，另一束入射至动镜；定镜和动镜组成干涉式测量光路，并将太赫兹辐射返回至分束镜；分束镜将定镜和动镜返回的太赫兹辐射透射和反射至准直光学系统，准直光学系统将太赫兹辐射准直并聚焦至样品室；样品室中放置太赫兹透射比标准器或太赫兹特征波长标准器；会聚系统将太赫兹辐射汇聚至太赫兹探测器，太赫兹探测器和信号处理系统接收太赫兹辐射信号传输至计算机进行数据处理得到波长或光谱分辨率测量值；分束镜、定镜、准直光学系统、样品室、会聚系统和太赫兹探测器中心位于同一光轴上，并构成主光轴。
6.根据权利要求5所述一种太赫兹源波长测量仪校准装置，其特征在于：所述太赫兹透射比标准器覆盖的波长范围为60μm～3000μm；所述太赫兹特征波长标准器波长值λg已知，覆盖的波长范围为60μm～3000μm。
7.利用权利要求5所述校准装置对太赫兹源波长测量仪进行校准的方法，其特征在于：对傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪进行波长和光谱分辨率参数校准，包括以下步骤：
步骤1：打开被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，测量其相对光谱透射比曲线τs,λ；
步骤2：将太赫兹光谱透射比标准器移入被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的样品室中，并位于主光轴上；
步骤3：开启被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪，太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器后，经会聚系统、太赫兹探测器和信号处理系统后将测量结果传输至计算机；得到此时相对光谱透射比曲线τd,λ；根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的相对光谱功率修正因子kλ；
kλ＝τd,λ/τs,λ
步骤4：将太赫兹光谱透射比标准器移出被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的样品室，将太赫兹特征波长标准器移入样品室，并位于主光轴上；
步骤5：太赫兹辐射照射太赫兹光谱透射比标准器后，经会聚系统、太赫兹探测器和信号处理系统后将测量结果传输至计算机；得到的测量结果为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长测量值和原始相对光谱功率曲线；
步骤6：根据以下公式计算得到被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长相对示值误差c′λ：
式中λg为已知的太赫兹特征波长标准器的波长标准值，为被校傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的波长测量值；
步骤7：对原始相对光谱功率曲线进行修正，得到修正相对光谱功率曲线，对应的修正功率值为P′λ：
P′λ＝Pλ×kλ
其中原始相对光谱功率曲线对应的原始功率值为Pλ；在修正相对光谱功率曲线中，读取修正功率值P′λ的1/2处对应的波长值，分别记为λ1和λ2，利用以下公式计算傅立叶变换型太赫兹源波长测量仪的光谱分辨率Δλ：
Δλ＝λ1-λ2。
8.根据权利要求7所述一种太赫兹源波长测量仪校准方法，其特征在于：选择三个典型校准波长点进行校准，三个典型校准波长点分别位于波长测量范围的0～1/3、1/3～2/3和2/3～1处。
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