CN109959446B - 用于太赫兹光束或毫米波的分析与调节系统以及太赫兹光束或毫米波的分析与调节方法 - Google Patents

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Abstract

用于太赫兹光束或毫米波的分析与调节系统以及太赫兹光束或毫米波的分析与调节方法，本发明提供了用于太赫兹光束的分析与调节系统与方法，还提供了用于毫米波光束的分析与调节系统与方法，其不需要采用面阵探测器，在探测的同时实现了光路辅助调节，降低了系统的复杂程度，具有诸多有益效果。

Description

用于太赫兹光束或毫米波的分析与调节系统以及太赫兹光束 或毫米波的分析与调节方法
技术领域
本发明涉及太赫兹光束以及毫米波的应用技术领域，尤其涉及用于太赫兹光束以及毫米波的分析与调节系统以及相应的分析与调节方法。
背景技术
太赫兹光束在生物医学，安全检测以及通信等领域逐渐被广泛应用，具有较高的研究价值，其通常是指频率在0.1THz-10THz(对应波长在3mm-30um)范围内的电磁辐射，具有辐射小、透射性好、方向性强、频谱宽、通信传输容量大的特点。由于太赫兹光束波段具有不可见性，尚缺乏针对该波段有效的探测手段，导致了在应用太赫兹光束的光学实验中，对光束进行探测和对光路调节方面的困难。
在对基于太赫兹波段的光学系统的光路探测和调节中，常采用直接法或间接法，其中，直接法主要基于太赫兹面阵探测器；而间接法则是利用显示卡，将太赫兹光束转换为其他波段的光或热，再对转换后的波段进行探测(如利用红外热像仪)。目前，市面已有较为成熟的面阵探测器产品并且具有较高的分辨率水平，但其通常仅针对特定的探测范围，而且这种探测器大多价格昂贵，部分产品在使用过程还需要冷却；而采用间接法则会增加系统的复杂程度。因此，对于基于快速光学系统产生的宽谱太赫兹光束比如THz-TDS(Terahertz Time Domain Spectroscopy)，现有的上述探测、条件方式系统均不再适合。对于毫米波的光学系统中也存在上述同样的技术问题。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种用于太赫兹光束的分析与调节系统，主要包括：
光源1、反射镜2、透镜3、单点光斑探测器4以及刀片6；
其中，所述光源1用于产生太赫兹波段光束；
所述透镜3的两侧分别设置所述反射镜2与所述单点光斑探测器4，透镜3的光轴与反射镜2以及单点光斑探测器4共轴；
所述刀片6设置在所述反射镜2与所述透镜3之间，所述刀片6的平面方向与所述透镜3的光轴相互垂直，并可沿平行于所述光轴的X轴方向、垂直于所述X轴方向的Y轴方向以及与所述X轴与Y轴所在平面垂直的Z轴方向进行三维运动。
进一步地，所述系统中还包括用于夹持所述刀片6的三维扫描台5，通过其上设置的步进电机驱动所述刀片6分别沿所述X轴、Y轴和Z轴进行三维移动。
上述系统同样可适用于毫米波段，因此本发明还提供了一种用于毫米波的分析与调节系统，包括将光源1替换为用于产生毫米波的光源。
本发明还提供了一种光束的分析与调节方法，其基于上述用于太赫兹光束的分析与调节系统或上述用于毫米波的分析与调节系统，具体包括以下步骤；
步骤1.对光路进行粗调，使反光源与单点光斑探测器4分别尽量位于透镜3的2倍焦距处；
步骤2.使刀片6沿X轴、Y轴、Z轴进行三维步进移动；
步骤3.基于刀口法，通过单点光斑探测器4对光斑进行检测；以Z轴方向为参考方向，确定对应于不同Z轴坐标时光斑的光束发散角和偏心率；
步骤4.根据所述步骤3中确定的所述光束发散角和偏心率对反射镜进行调整；
步骤5.重复执行所述步骤1-4直至探测结果满足要求。
刀口法测光斑原理如图2所示，随着刀口的步进移动，测得X方向和Y方向位置下光强，构建ESF(边缘扩散函数Edge Spread Function)曲线，图2中横坐标是X方向或者Y方向位置，纵坐标是光强(单点探测器输出电压)，Imax表示最大光强，Imin表示最小光强，其中Iup＝90％(Imax-Imin)，Imid＝1/2(Imax-Imin)，Idown＝10％(Imax-Imin)，根据90/10方法，可以估计光斑大小BeamWidth＝P2-P1。P0为此时刀片位置光束中心位置。
进一步地，所述步骤3中确定对应于不同Z轴坐标时的光束发散角，具体包括以下步骤：
对X轴方向和Y轴方向进行扫描，分别得到X轴方向和Y轴方向的ESF曲线，测量不同Z位置处X轴方向和Y轴方向光斑大小，L0，L1，L2，…，刀片所在的Z轴坐标与光斑大小近似呈线性关系，用最小二乘法拟合直线方程得到L＝kZ+b0；其中，光束发散角为γ，tan(γ/2)＝k；b0表示斜率。
进一步地，所述步骤3中确定对应于不同Z轴坐标时的偏心率，具体包括以下步骤：
进行X轴方向和Y轴方向扫描可以得到X轴方向和Y轴方向光强分布散点图，然后拟合ESF曲线得到光强中心Px01，Px02，Px03，…，以及Py01，Py02，Py03，…，用Z方向初始点和步进距离Δz以及X轴或者Y轴方向中心点坐标做散点图，利用最小二乘法拟合直线P1＝k1Z+b1或P2＝k2Z+b2，其中，X轴方向偏心率tanα＝k1，Y轴方向偏心率tanβ＝k2，α、β分别为相对X轴方向和Y轴方向的偏心角；b1，b2分别表示为斜率。
进一步地，将所得到的ESF曲线求导得到点扩散函数PSF(Point SpreadFunction)，通过测量半高宽FWHM(Full Width at Half Maxima)得到光斑质量。
上述方法在执行过程中一边扫描光束，一边记录刀片位置和光强大小，利用光斑测量原理，测定沿Z方向光斑变化趋势以计算出光束发散角，利用偏心率测量原理，测定沿着Z方向光束偏离中心程度，进而调整太赫兹光束或毫米波。
上述所扫描的X轴与Y轴也可以不相互垂直，计算时需引入投影映射。
根据本发明所提供的上述系统和方法，利用了金属对太赫兹不可透性特点，不需要使用面阵探测器，在探测的同时实现了光路的辅助调整，并且还能够转用于毫米波段，具有降低成本和系统复杂程度等诸多有益效果。
附图说明
图1是根据本发明所提供的系统结构示意图。
其中1为光源，2为反射镜，3为透镜，4为探测器，5为XYZ三维扫描，6为刀片。
图2是刀口法测量原理示意图。
图3是发散角测量原理示意图。
图4是偏心率测量原理示意图。
图5是根据本发明所提供的分析与调节的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做出进一步详尽的阐述。
如图1所示，本发明所提供的一种用于太赫兹光束的分析与调节系统，主要包括：
光源1、反射镜2、透镜3、单点光斑探测器4以及刀片6；
其中，所述光源1用于产生太赫兹波段光束；
所述透镜3的两侧分别设置所述反射镜2与所述单点光斑探测器4，透镜3的光轴与反射镜2以及单点光斑探测器4共轴；
所述刀片6设置在所述反射镜2与所述透镜3之间，所述刀片6的平面方向与所述透镜3的光轴相互垂直，并可沿平行于所述光轴的X轴方向、垂直于所述X轴方向的Y轴方向以及与所述X轴与Y轴所在平面垂直的Z轴方向进行三维运动；
在本申请的一个优选实施例中，所述系统中还包括用于夹持所述刀片6的三维扫描台5，通过其上设置的步进电机驱动所述刀片6分别沿所述X轴、Y轴和Z轴进行三维移动。
本发明还提供了一种用于毫米波的分析与调节系统，包括将光源1替换为用于产生毫米波的光源。
如图5所示，本发明还提供了一种光束的分析与调节方法，其基于上述用于太赫兹光束的分析与调节系统或上述用于毫米波的分析与调节系统，具体包括以下步骤；
步骤1.对光路进行粗调，使光源与单点光斑探测器4分别尽量位于透镜3的2倍焦距处；
步骤2.使刀片6沿X轴、Y轴、Z轴进行三维步进移动；
步骤3.基于刀口法，通过单点光斑探测器4对光斑进行检测；以Z轴方向为参考方向，确定对应于不同Z轴坐标时光斑的光束发散角和偏心率；
步骤4.根据所述步骤3中确定的所述光束发散角和偏心率对反射镜进行调整；
步骤5.重复执行所述步骤1-4直至探测结果满足要求。
刀口法测光斑原理如图2所示，随着刀口的步进移动，测得X方向和Y方向位置下光强，构建ESF曲线，图2中横坐标是X方向或者Y方向位置，纵坐标是光强(单点探测器输出电压)，Imax表示最大光强，Imin表示最小光强，其中Iup＝90％(Imax-Imin)，Imid＝1/2(Imax-Imin)，Idown＝10％(Imax-Imin)，根据90/10方法，可以估计光斑大小BeamWidth＝P2-P1。P0为此时刀片位置光束中心位置。
进一步地，如图3所示，所述步骤3中确定对应于不同Z轴坐标时的光束发散角，具体包括以下步骤：
对X轴方向和Y轴方向进行扫描，分别得到X轴方向和Y轴方向的ESF曲线，测量不同Z位置处X轴方向和Y轴方向光斑大小，L0，L1，L2，…，刀片所在的Z轴坐标与光斑大小近似呈线性关系，用最小二乘法拟合直线方程得到L＝kZ+b0；其中，光束发散角为γ，tan(γ/2)＝k，b0表示斜率。
进一步地，如图4所示，所述步骤4中确定对应于不同Z轴坐标时的偏心率，具体包括以下步骤：
进行X轴方向和Y轴方向扫描可以得到X轴方向和Y轴方向光强分布散点图，然后拟合ESF曲线得到光强中心Px01，Px02，Px03，…，以及Py01，Py02，Py03，…，用Z方向初始点和步进距离Δz以及X轴或者Y轴方向中心点坐标做散点图，利用最小二乘法拟合直线P1＝k1Z+b1或P2＝k2Z+b2，其中，X轴方向偏心率tanα＝k1，Y轴方向偏心率tanβ＝k2，α、β分别为相对X轴方向和Y轴方向的偏心角。b1，b2分别表示斜率。
进一步地，所述刀片6沿X轴、Y轴、Z轴进行三维步进移动的步距为1/2波长。
进一步地，将所得到的ESF曲线求导得到点扩散函数PSF(Point SpreadFunction)，通过测量半高宽FWHM(Full Width at Half Maxima)得到光斑质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种光束的分析与调节方法，基于光束分析与调节系统进行分析调节，其特征在于：所述系统包括：光源(1)、反射镜(2)、透镜(3)、单点光斑探测器(4)以及刀片(6)；
其中，所述光源(1)用于产生太赫兹波段光束或毫米波波段光束；
所述透镜(3)的两侧分别设置所述反射镜(2)与所述单点光斑探测器(4)，透镜(3)的光轴与反射镜(2)以及单点光斑探测器(4)共轴；
所述刀片(6)设置在所述反射镜(2)与所述透镜(3)之间，所述刀片(6)的平面方向与所述透镜(3)的光轴相互垂直，并可沿平行于所述光轴的X轴方向、垂直于所述X轴方向的Y轴方向以及与所述X轴与Y轴所在平面垂直的Z轴方向进行三维移动；
所述方法包括以下步骤；
步骤1.对光路进行粗调，使光源与单点光斑探测器分别位于透镜的2倍焦距处；
步骤2.使刀片沿X轴、Y轴、Z轴进行三维步进移动；
步骤3.以Z轴方向为参考方向，基于刀口法，通过单点光斑探测器对光斑进行检测；确定对应于不同Z轴坐标时光斑的光束发散角和偏心率；
步骤4.根据所述步骤3中确定的所述光束发散角和偏心率对光源进行调整；
步骤5.重复执行所述步骤1至步骤4直至探测结果满足要求；
所述步骤3中确定对应于不同Z轴坐标时的光束发散角，具体包括以下步骤：
对X轴方向和Y轴方向进行扫描，分别得到X轴方向和Y轴方向的边缘扩散函数曲线，测量不同Z轴位置处X轴方向和Y轴方向光斑大小L，记为L0，L1，L2，…，刀片所在的Z轴坐标与光斑大小近似呈线性关系，用最小二乘法拟合直线方程得到L＝kZ+b0；其中，光束发散角为γ，tan(γ/2)＝k，b0表示截距；
所述步骤3中确定对应于不同Z轴坐标时的偏心率，具体包括以下步骤：
进行X轴方向和Y轴方向扫描得到X轴方向和Y轴方向光强分布散点图，然后拟合边缘扩散函数曲线得到光强中心Px01，Px02，Px03，…，以及Py01，Py02，Py03，…，用Z方向初始点和步进距离Δz以及X轴或者Y轴方向中心点坐标做散点图，利用最小二乘法拟合直线P1＝k1Z+b1或P2＝k2Z+b2，其中，X轴方向偏心率tanα＝k1，Y轴方向偏心率tanβ＝k2，α、β分别为相对X轴方向和Y轴方向的偏心角；b1，b2分别为截距。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所得到的边缘扩散函数曲线求导得到点扩散函数曲线，通过测量FWHM得到光斑质量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述系统还包括用于夹持所述刀片(6)的三维扫描台(5)，通过其上设置的步进电机驱动所述刀片(6)分别沿所述X轴、Y轴和Z轴进行三维移动。
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