CN116183545A - 一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，通过第一透镜、分光镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和反射镜的组合，将泵浦光分为携带样品信息的太赫兹波和不携带样品信息的太赫兹波，通过调整两者的光程差，延迟线运行一个行程即可同时采集到参考信号与样品信号，提高了探测效率，且测试过程中不需要添加样品，降低了引入误差的风险，同时得到参考信号与样品信号，二者通过相除或相减，可以去除信号背景噪声，提高每个像素点处的信噪比。

Description

一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置

技术领域：

本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1～10太赫兹(Terahertz，THz)范围内，介于毫米波和红外光之间的一段电磁波。由于波段位置的特殊性，THz辐射兼具微波电子学和红外光子学的特征，属于交叉研究范畴。在THz领域中，THz成像技术作为THz研究中颇具前景的一个方向，得益于该辐射波段的独特性质：光子能量低于各种化学键能，对物质电离作用小；极易透过非极性和非金属材料，包括陶瓷、塑料等常见却无法被红外光透射的材料；频段处在许多生物大分子振动和转动能级，可根据THz波的强吸收和谐振特性建立分子指纹特征谱鉴别物质成分；水敏感性高，非常适合物质含水量分析等。除了可获得比其他光源更多的信息外，THz成像技术在性能上也十分优越。THz波段的高频特性对应更小的光学衍射现象，能够达到比微波成像更高的空间分辨率。而相比需要借助耦合剂接触样品的超声成像，THz成像属于非接触无损检测，适用范围更广。近些年来随着THz光源和探测技术的发展，THz成像的应用领域越来越广泛，并在药品食品监测、生物医学成像、货品安全检查、器件非接触无损检测、艺术品研究等领域取得了不错的成果。

最常用的太赫兹产生与探测技术是基于光电导天线的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)。一束超短激光聚焦到电极之间的半导体材料上，如果激光光子能量大于半导体衬底材料的能隙宽度，则电子就可以被激发到导带上，形成电了空穴对，既是光生自由载流子，这些光生自由载流子在偏置电场的作用下运动，在激光穿透深度范围内形成瞬时变化的电流，从而产生太赫兹时域脉冲；飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲序列作为探测光，与经过自由空间光路传输来的太赫兹脉冲一起照射到太赫兹探测天线上，由于太赫兹脉冲的时间长度在ps量级，而飞秒光的脉冲长度在亚百fs量级，因此通过调整太赫兹脉冲和飞秒脉冲的相对时间延迟，即可得到不同时刻太赫兹波电场对应的电流信号强度，通过检测太赫兹探测器输出的电流信号随时间延迟的强度变化就可以重构出太赫兹脉冲的时间波形。其中，太赫兹脉冲与飞秒脉冲的相对时间延迟是依靠机械式延迟线来实现的，延迟线的驱动机构行进整个行程才可以采集一个完整的太赫兹时域波形，通常这个时间要几百毫秒到十几分钟，效率较低。

太赫兹时域光谱系统应用的主要方向是光谱探测与扫描成像。光谱探测过程中，需要分别采集无样品时的参考信号与穿过样品后的样品信号，即需要延迟线工作两次，在这两次的停止间隙还需要增加防止样品的步骤，工作效率较低。而扫描成像中，由于太赫兹脉冲的能量较低，通常为微瓦级别，因此穿过样品后导致信噪比过低，无法准确反映被测样品的信息。专利“CN202111213256.7”中提到一种提高太赫兹成像信噪比的方法，即通过分光镜将太赫兹波束分为参考光、信号光两束，信号光穿过样品，采用两个太赫兹探测器分别探测参考光与信号光，计算机同时采集第一、第二太赫兹探测器的信号，采用信号光与参考光相除的方式减小辐射源功率波动带来的影响以提高成像系统的信噪比。但是，该方法由于采用两个探测器，对应的还需要分别给每个探测器配备一个延迟线与采集卡，这大大增加了系统复杂度与成本，不利于在实际应用中推广。

发明内容：

目前的太赫兹时域光谱系统在光谱探测应用中，需要分两次采集参考信号与样品信号，步骤繁杂，效率较低；而在成像应用中，存在信噪比低的问题，虽然有研究团队发明了提供信噪比的成像方法，但是大大增加了系统复杂度与成本。基于此，本发明的目的在于提供一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置。

为了实现上述目的，本发明涉及的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，包括激光源、时间延迟线、太赫兹发射天线、太赫兹探测天线、第一透镜、分光镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和反射镜；激光源用于产生两路脉冲激光，一路为泵浦光，另一路为探测光；时间延迟线设置在探测光的光路上，用于调节探测光相对泵浦光的时间延迟；太赫兹发射天线用于在泵浦光的作用下产生太赫兹波；第一透镜用于准直太赫兹波，准直后的太赫兹波以45°入射角入射至分光镜；分光镜用于将准直后的太赫兹波分为第一太赫兹波和第二太赫兹波，第一太赫兹波与准直后的太赫兹波平行，第二太赫兹波与准直后的太赫兹波垂直；第二透镜用于将第一太赫兹波聚焦于被测样品，并将携带样品信息的第一太赫兹波以45°入射角入射至分光镜，分光镜还用于将携带样品信息的第一太赫兹波分为第三太赫兹波和第四太赫兹波，第三太赫兹波与第一太赫兹波垂直，第四太赫兹波与第一太赫兹波平行；第四透镜用于将第二太赫兹波聚焦于反射镜；反射镜用于将第二太赫兹波以45°入射角入射至分光镜，分光镜还用于将反射回的第二太赫兹波分为第五太赫兹脉冲和第六太赫兹脉冲，第五太赫兹脉冲与第二太赫兹波平行，第六太赫兹脉冲与第二太赫兹波垂直；第三透镜用于将第三太赫兹波和第五太赫兹脉冲聚焦于太赫兹探测天线，分别用于获取样品太赫兹信号和参考太赫兹信号；太赫兹探测天线用于探测第三太赫兹波、第五太赫兹脉冲和探测光,探测光路和泵浦光路之间的光程差是L，第三太赫兹波和第五太赫兹波达到太赫兹探测天线的光程差ΔL满足|ΔL|＝L/2。

本发明涉及的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，包括偏压源、快速采集卡和上位机，偏压源与太赫兹发射天线连接，用于向太赫兹发射天线施加偏置电压；快速采集卡分别与时间延迟线和太赫兹探测天线连接，采集时间延迟线的当前位置和太赫兹探测天线产生的电流信号；上位机与快速采集卡连接实现数据互换。

具体地，本发明涉及的激光源为飞秒激光器，飞秒激光器产生两路飞秒脉冲。

本发明涉及的分光镜透与入射光光轴呈45度角设置，准直后的太赫兹波、携带样品信息的第一太赫兹波，反射回的第二太赫兹波均为分光镜透的入射光，所述分光镜透反比为1：1,分光镜将入射光分为能量相同的透射光和反射光，透射光与入射光平行，反射光与入射光垂直。

具体地，反射镜安装在一个伸缩结构上，伸缩结构用于反射镜与分光镜之间的距离

本发明涉及的第二透镜和第四透镜结构相同。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)在光谱探测中，延迟线运行一个行程即可同时采集到参考信号与样品信号，提高了探测效率，且测试过程中不需要添加样品，降低了引入误差的风险；

(2)在成像应用中，采用一套探测器系统即可同时得到参考信号与样品信号，二者通过相除或相减，可以去除信号背景噪声，提高每个像素点处的信噪比。

附图说明：

图1为本发明涉及的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置结构图。

图2为图1中第三太赫兹波和第五太赫兹波的光程图。

图3为实施例1中采集的太赫兹时域脉冲信号图。

具体实施方式：

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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

如图1所示，本实施例涉及的一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，包括激光源1、时间延迟线2、太赫兹发射天线3、太赫兹探测天线4、偏压源5、快速采集卡6、第一透镜7、分光镜8、第二透镜9、被测样品10、第三透镜11、第四透镜12、反射镜13和上位机14；

激光源用于产生两路脉冲激光，一路为泵浦光，另一路为探测光；

时间延迟线2设置在探测光的光路上，用于调节探测光相对泵浦光的时间延迟；

太赫兹发射天线3用于在泵浦光的作用下产生太赫兹波；

第一透镜7用于准直太赫兹波，准直后的太赫兹波以45°入射角入射至分光镜8；

分光镜8用于将准直后的太赫兹波分为第一太赫兹波和第二太赫兹波，第一太赫兹波与准直后的太赫兹波平行，第二太赫兹波与准直后的太赫兹波垂直；

第二透镜9用于将第一太赫兹波聚焦于被测样品10，并将携带样品信息的第一太赫兹波以45°入射角入射至分光镜8，分光镜8还用于将携带样品信息的第一太赫兹波分为第三太赫兹波和第四太赫兹波，第三太赫兹波与第一太赫兹波垂直，第四太赫兹波与第一太赫兹波平行；

第四透镜12用于将第二太赫兹波聚焦于反射镜13；

反射镜13用于将第二太赫兹波以45°入射角入射至分光镜8，分光镜8还用于将反射回的第二太赫兹波分为第五太赫兹脉冲和第六太赫兹脉冲，第五太赫兹脉冲与第二太赫兹波平行，第六太赫兹脉冲与第二太赫兹波垂直；

第三透镜11用于将第三太赫兹波和第五太赫兹脉冲聚焦于太赫兹探测天线4，分别用于获取样品太赫兹信号和参考太赫兹信号；

太赫兹探测天线4用于探测第三太赫兹波、第五太赫兹脉冲和探测光；

偏压源5与太赫兹发射天线3连接，用于向太赫兹发射天线3施加偏置电压；

快速采集卡6分别与时间延迟线2和太赫兹探测天线4连接，采集时间延迟线2的当前位置和太赫兹探测天线4产生的电流信号；

上位机14与快速采集卡6连接实现数据互换。

具体地，本实施例涉及的激光源为飞秒激光器，飞秒激光器产生两路飞秒脉冲。激光源也可为其他能够产生两路飞秒脉冲的设备。

本实施例涉及的分光镜透8与入射光光轴呈45度角设置，准直后的太赫兹波、携带样品信息的第一太赫兹波，反射回的第二太赫兹波均为分光镜透8的入射光，均以45°入射角入射至分光镜透的表面。

具体地，所述分光镜透反比为1：1，

本实施例涉及的第二透镜9和第四透镜12完全相同，这样由太赫兹发射天线3发出经被测样品10反射到达太赫兹探测天线的太赫兹信号(第三太赫兹波)，与由太赫兹发射天线3发出经反射镜13反射到达太赫兹探测天线的太赫兹信号(第五太赫兹波)，其差别只有其中一路携带了样品信息，其他完全相同，这样通过对比很容易就可以得到样品的光谱信息或达到消噪的目的。

如图2所示，假设太赫兹发射天线3到分光镜8的光程为L1，分光镜8到反射镜13的光程为L2，反射镜13到被测样品10的光程为L3，分光镜8到太赫兹探测天线4的光程为L4。那么第三太赫兹波达到太赫兹探测天线4的光程为2L3+L4，第五太赫兹波达到太赫兹探测天线4的光程为2L2+L4，两者的光程差为ΔL＝2(L3-L2)(mm)。

太赫兹时域光谱采用延迟线调整泵浦光和探测光时间延迟进行太赫兹信号的探测。延迟线从0到L(mm)运动，使得泵浦与探测光具有不同的光程差，飞秒探测光会探测到不同时间位置的太赫兹信号强度重现太赫兹波形。可以认为，延迟线在0位时，探测光路和泵浦光路之间的光程差是0，如果延迟线运动到L，则探测光路和泵浦光路之间的光程差是L。0到L就覆盖了可以探测到的一个时间窗口，该时间窗口大小为L/c(c为光速)。在L/c长时间内需要分别探测从反射镜过来的太赫兹脉冲(第五太赫兹波)和从样品过来的太赫兹脉冲(第三太赫兹波)且保证两者的长度相同，那么从样品过来的太赫兹脉冲时间长度与从反射镜过来的太赫兹脉冲时间长度都是L/2c，因此|ΔL|＝L/2。当ΔL＝L/2时，在延迟线L/c的探测窗口内，前L/2c可以探测到从反射镜过来的太赫兹脉冲得到参考太赫兹信号，后L/2c可以探测从样品过来的太赫兹脉冲得到样品太赫兹信号；当ΔL＝-L/2时，在延迟线L/c的探测窗口内，前L/2c可以探测到从样品过来的太赫兹脉冲得到样品太赫兹信号，后L/2c可以探测从反射镜过来的太赫兹脉冲得到参考太赫兹信号。

通过上下调节反射镜13的位置，使得由反射镜13到分光镜8的光程与由被测样品10到分光镜8的光程相差L/2，这样在延迟线的延迟窗口L/c内，将正好有L/2c显示为反射镜返回的参考信号，另外L/2c显示为被测样品反射回的样品信号。为此，反射镜安装在一个伸缩结构上，该结构能够带动反射镜13靠近或远离分光镜8。

本实施例涉及的本实施例涉及的一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置的成像过程为：飞秒脉冲激光器1发出两路脉冲激光，其中一路为泵浦光，经过光纤到达太赫兹发射天线3，另一路为探测光，经过光纤与时间延迟线2到达太赫兹探测天线4，时间延迟线的延迟范围为L(单位ps)。根据光电导天线产生太赫兹信号的原理，发射天线在飞秒脉冲激光与偏压源5输送的直流偏置电压的作用下，激发出具有一定发散角的太赫兹波，太赫兹经过第一透镜7后被准直，然后入射至太赫兹分光镜8上，该分光镜透反比为1：1，且与入射光轴呈45度夹角，因此一半能量(第二太赫兹波)透过分光镜经第二透镜9聚焦后照射在被测样品10上，然后携带着样品信息被反射并原路返回到达分光镜，在分光镜处一半的太赫兹能量(第五太赫兹波)被反射，方向被偏转90度，经过第三透镜11聚焦后，被太赫兹探测天线所接收。第一次入射至分光镜的太赫兹波，还有一半被反射(第一太赫兹波)，这部分太赫兹信号传播方向被偏转90度后经第四透镜12聚焦后照射在反射镜13上，该部分信号未携带样品信息，被反射后原路返回至分光镜，然后有一半能量(第三太赫兹波)穿过分光镜，经第三透镜11聚焦后也被太赫兹探测天线接收。被太赫兹探测天线接收的两束太赫兹(第三太赫兹波和第五太赫兹波)将产生感应电场，探测天线的光电导晶体在飞秒脉冲激光的作用下将电场转换为电流信号，被快速采集卡6采集后上传至上位机14，同时快速采集卡也会采集时间延迟线的当前位置(ps)。时间延迟线进行直线位移，将改变探测光的光程，从而使泵浦光与探测光产生相对时延，探测天线将探测到太赫兹时域脉冲序列不同时刻的电场强度，最终延迟线走完全部行程，将探测到L(ps)时间内的全部脉冲序列。

实施例1

飞秒激光器输出脉冲激光的脉宽为80fs，重频80MHz，延迟线延迟范围为180ps，第一透镜7、第二透镜9、第三透镜11、第四透镜12均采用TPX制成的焦距50mm的平凸透镜。被测样品为0.7mm厚的环氧胶层。

通过螺旋测微杆驱动的位移台调节反射镜位置，使得由反射镜13到分光镜8的光程比由被测样品10到分光镜8的光程小27mm，这样在延迟线延迟范围内采集到的时域脉冲信号如图3所示。0～90ps为参考信号，90～180ps为样品信号，而且由于样品存在上下两个反射面，因此产生了两个反射峰。

利用算法分别提取参考信号与样品信号，进行傅里叶变换，然后在频域提取吸收系数、折射率等特征曲线，以用于指纹谱识别。

实施例2

在实施例1的基础上，将被测样品放置在XY二维扫描平台上，扫描平台的位移步进选择0.5mm，扫描范围为100*100mm，这样一共得到40000个像素点，每个像素点尺寸为0.5mm，且每个像素点都对应一个图2所示的一维数列，然后利用算法分别提取每个像素点处的参考太赫兹信号与样品太赫兹信号，二者相除，可以消除延迟线抖动、激光功率波动以及位移台抖动等引入的噪声，提高每个像素点数据的信噪比，最后提取时域信号的幅值、相位等信息用于成像。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，其特征在于，包括激光源、时间延迟线、太赫兹发射天线、太赫兹探测天线、第一透镜、分光镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和反射镜；激光源用于产生两路脉冲激光，一路为泵浦光，另一路为探测光；时间延迟线设置在探测光的光路上，用于调节探测光相对泵浦光的时间延迟；太赫兹发射天线用于在泵浦光的作用下产生太赫兹波；第一透镜用于准直太赫兹波，准直后的太赫兹波以45°入射角入射至分光镜；分光镜用于将准直后的太赫兹波分为第一太赫兹波和第二太赫兹波，第一太赫兹波与准直后的太赫兹波平行，第二太赫兹波与准直后的太赫兹波垂直；第二透镜用于将第一太赫兹波聚焦于被测样品，并将携带样品信息的第一太赫兹波以45°入射角入射至分光镜，分光镜还用于将携带样品信息的第一太赫兹波分为第三太赫兹波和第四太赫兹波，第三太赫兹波与第一太赫兹波垂直，第四太赫兹波与第一太赫兹波平行；第四透镜用于将第二太赫兹波聚焦于反射镜；反射镜用于将第二太赫兹波以45°入射角入射至分光镜，分光镜还用于将反射回的第二太赫兹波分为第五太赫兹脉冲和第六太赫兹脉冲，第五太赫兹脉冲与第二太赫兹波平行，第六太赫兹脉冲与第二太赫兹波垂直；第三透镜用于将第三太赫兹波和第五太赫兹脉冲聚焦于太赫兹探测天线，分别用于获取样品太赫兹信号和参考太赫兹信号；太赫兹探测天线用于探测第三太赫兹波、第五太赫兹脉冲和探测光,探测光路和泵浦光路之间的光程差是L，第三太赫兹波和第五太赫兹波达到太赫兹探测天线的光程差ΔL满足|ΔL|＝L/2。

2.根据权利要求1所述的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，其特征在于，包括偏压源、快速采集卡和上位机，偏压源与太赫兹发射天线连接，用于向太赫兹发射天线施加偏置电压；快速采集卡分别与时间延迟线和太赫兹探测天线连接，采集时间延迟线的当前位置和太赫兹探测天线产生的电流信号；上位机与快速采集卡连接实现数据互换。

3.根据权利要求1所述的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，其特征在于，激光源为飞秒激光器，飞秒激光器产生两路飞秒脉冲。

4.根据权利要求1所述的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，其特征在于，分光镜透与入射光光轴呈45度角设置，准直后的太赫兹波、携带样品信息的第一太赫兹波，反射回的第二太赫兹波均为分光镜透的入射光，所述分光镜透反比为1：1,分光镜将入射光分为能量相同的透射光和反射光，透射光与入射光平行，反射光与入射光垂直。

5.根据权利要求1所述的低成本高信噪比的太赫兹光谱探测装置，其特征在于，反射镜安装在一个伸缩结构上，伸缩结构用于反射镜与分光镜之间的距离。

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