CN117073549A - 基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 - Google Patents
基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117073549A CN117073549A CN202311192531.0A CN202311192531A CN117073549A CN 117073549 A CN117073549 A CN 117073549A CN 202311192531 A CN202311192531 A CN 202311192531A CN 117073549 A CN117073549 A CN 117073549A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- terahertz
- time
- thickness
- light
- spectrum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000001328 terahertz time-domain spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 63
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 46
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 25
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 19
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 10
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 10
- 239000011449 brick Substances 0.000 claims description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 239000008710 crystal-8 Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 229910007709 ZnTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005250 beta ray Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- -1 coatings Substances 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 239000002700 tablet coating Substances 0.000 description 1
- 238000009492 tablet coating Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法，属于光学技术领域，本发明通过控制主光路阀门开闭，实时采集受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号，计算两者差值并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法。
背景技术
材料厚度的均匀性是影响其性能的重要指标。如薄膜材料厚度的均匀性将影响到薄膜各处的拉伸强度、阻隔性、透光的均匀性等许多物理性质；用于各种高压场合中的耐高压非金属管材对厚度的均匀性要求很高，如厚度不均匀则极易带来安全隐患；在制药行业中片剂包衣厚度的精确控制有助于保证药物在恰当的时间在人体体内某处释放。因此，在生产线上对这些材料的厚度进行实时在线无损监测对于监控材料产品的生产质量非常重要。
现有适合生产线上材料在线厚度监测技术主要有β射线、X射线、红外线、激光等测厚技术。β射线和X射线测厚技术都是利用射线穿透被测材料时其强度的衰减与材料的厚度相关的特性，从而测定材料的厚度，是非接触式的动态测量技术。因对人体有辐射损伤，两者对辐射防护要求都很高，对某些被测材料还可能有电离损伤。由于都是透射式测量技术，两者都不太适合管材在线厚度监测；因为两种射线都有很强的穿透性，特别是X射线穿透性太强，不适合用于监测超薄非金属薄膜材料。为了克服射线技术难于测量对其衰减很小的超薄非金属薄膜材料，上世纪八十年代初期发展了一种在线红外测厚技术,该技术利用一束波长为λ的单色红外光穿透薄膜后产生的光强衰减根据朗伯定律可测定薄膜材料的厚度。红外测厚技术适用于透光和半透光的薄膜，不适合不透明材料在线测厚，也不适合管材在线测厚。
上述实时在线厚度监测技术都有各自缺陷和适用场景，难于满足工业界对生产线上各种材料实现在线无损厚度监测的需求。
太赫兹(THz)波通常指的是波长在3mm-30m(频率在0.1-10THz)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。太赫兹波对透明和不透明非金属材料都具有较强的穿透性，而且光子能量低，无电离损伤作用，太赫兹波已经被广泛应用于涂层、陶瓷、泡沫、纸张以及橡胶等材料的无损检测中。由于太赫兹波具备较高的信噪比和较短的脉宽(皮秒量级)，太赫兹技术是非金属材料厚度的非接触式理想检测手段。最近十几年，人们开始尝试并不断改进使用扫描式太赫兹时域光谱技术检测材料的厚度，结果表明太赫兹时域光谱技术可用于材料厚度的非接触无损测量，但所使用的是扫描式太赫兹时域光谱技术，不能用于对工业生产线上连续移动材料的厚度进行实时在线监测。为此，需使用可实时连续测量的单发太赫兹时域光谱技术。而在现有的单发太赫兹时域光谱技术中，只有光谱编码单发太赫兹时域光谱探测技术可以满足实时连续测量的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光谱编码单发太赫兹时域光谱技术的透射式实时在线材料厚度无损监测装置及方法，利用光纤光谱仪实时采集的受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号差值转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过待测材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，包括：
飞秒激光放大器系统，用于产生激光束；
分束片，用于将所述激光束分为泵浦光和探测光，其中泵浦光所在路径作为主光路，探测光所在路径作为探测光路；
在所述主光路中，泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片、连续移动待测样品、第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
在所述探测光路中，探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；
被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集探测光的光谱，最终输入控制电脑进行计算；
在主光路中，所述连续移动待测样品与第二离轴抛物镜之间设有由控制电脑控制的开关阀门，用于开启和切断主光路，从而使控制电脑获得探测光被太赫兹波调制前后的光谱；
控制电脑计算探测光调制前后的光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据，显示在控制电脑屏幕上，实现对材料厚度的实时在线无损测量，以及对厚度变化的实时监测。
进一步，所述飞秒激光放大器系统首先经过第一宽带平面反射镜反射后再射向分束片。
进一步，所述泵浦光首先经过第二宽带平面反射镜、第三宽带平面反射镜和第四宽带平面反射镜反射，再经透镜和倍频晶体聚焦在空气中，产生双色激光等离子体太赫兹辐射源。
进一步，所述探测光首先经第五宽带平面反射镜反射后再射向可调延迟光路；所述探测光经过第一偏振片后，首先经第六宽带平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦。
进一步，所述可调延迟光路包括设置在电控平移台上的一对正交平面反射镜，通过调节该延迟光路来实现探测光脉冲与太赫兹脉冲同步。
进一步，所述的一对直角三角形色散玻璃砖镜像对称，斜边相接，通过沿斜边滑动来调节探测光的脉宽，从而获得最佳探测时间窗口。
另一方面，本发明提供一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测方法，包括以下步骤：
S1：通过飞秒激光放大器产生激光束，并经分束片分为泵浦光和探测光；
S2：泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片、连续移动待测样品、开关阀门、第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
S3：探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；
S4：被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集被调制后的探测光的光谱，输入控制电脑；
S5：控制电脑通过控制开关阀门关闭，令光纤光谱仪采集未被调制的探测光的光谱，输入控制电脑；
S6：控制电脑计算受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测。
进一步，步骤S6中所述实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测的具体步骤如下：
经光谱仪测得的带啁啾的探测光光谱为Ib(ω)，受太赫兹脉冲电场调制后探测光光谱为Im(ω)，光谱差值为
ΔI(ω)＝Im(ω)-Ib(ω)
通过坐标变换ω-ω0＝2αt，获得太赫兹脉冲的时域信号S(t)，其中ω为探测光圆频率，2α为啁啾率，所述啁啾率由色散玻璃参数决定；
将太赫兹脉冲的时域信号S(t)显示在屏幕上，初始的峰值对应的时间为tm，当主光路中插入厚度为L的被测材料后，通过增加探测脉冲的延时，重新在屏幕上找到太赫兹脉冲信号并将其峰值调节回tm位置；当平移台移动了x，则被测材料厚度为L＝2x；
当被测材料厚度发生波动时且波动值为ΔL，则屏幕上显示的光谱差值ΔI(ω)的峰值位置将发生前后移动，相应地太赫兹脉冲时域信号S(t)的峰值位置tm也在前后波动；当波动值为Δtm，则波动值ΔL＝2cΔtm，c为光速；由此在电脑上实时直观显示被测材料厚度L的波动变化情况。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中使用太赫兹波，既可透过透明材料，也可透过非透明非金属材料，太赫兹波的光子能量低，不会对被测材料产生电离损伤作用，可用于材料厚度的无损监测。
2、本发明基于光谱编码单发太赫兹时域光谱技术，可实现被测材料厚度的实时在线监测。
3、本发明中的透射式实时在线材料厚度无损监测装置结构简单，光路调节方便。可弥补现有在线材料厚度测量技术的不足，满足工业界对生产线上不同材料厚度实现实时在线无损监测的迫切需求，可望用于产品自动生产线上，以最快的速度获取厚度测试数据，经数据分析及时调整生产线参数，可大幅减少废品，降低成本，提高经济效益。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为所述基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置。
附图标记：飞秒激光放大器系统1，宽带介质膜平面反射镜2，分束片3，宽带介质膜平面反射镜4、5、6，聚焦透镜7，倍频晶体8，激光等离子体太赫兹辐射源9，第一离轴抛物镜10，高阻硅片11，连续移动的待测材料12，开关13，第二离轴抛物镜14，电光晶体15，宽带介质膜平面反射镜16，正交宽带介质膜平面反射镜17、18，一对色散玻璃砖19，第一块偏振片20，宽带介质膜平面反射镜21，聚焦透镜22，收集准直透镜23，第二块偏振片24，光纤收集头25，光纤光谱仪26，控制电脑27。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，本发明提供一种基于光谱编码单发太赫兹时域光谱技术的透射式实时在线材料厚度无损监测装置，该装置由以下几部分组成：飞秒激光放大器系统1，宽带介质膜平面反射镜2，分束片3，宽带介质膜平面反射镜4、5、6，聚焦透镜7，倍频晶体8，激光等离子体太赫兹辐射源9，第一离轴抛物镜10，高阻硅片11，连续移动的待测材料12，开关13，第二离轴抛物镜14，电光晶体15，宽带介质膜平面反射镜16，安装在电控平移台上的一对正交宽带介质膜平面反射镜17和18，一对色散玻璃19，第一块偏振片20，宽带介质膜平面反射镜21，聚焦透镜22，收集准直透镜23，第二块偏振片24，光纤收集头25，光纤光谱仪26，控制电脑27。
来自飞秒激光放大器系统1的激光束经宽带介质膜平面反射镜2反射后经分束片3后分为泵浦光(主光路)和探测光(探测光路)；
泵浦光束经宽带介质膜平面反射镜4、5、6后经透镜7后再经过一块倍频晶体8(BBO)聚焦在空气中产生双色激光等离子体太赫兹辐射源9，经第一个离轴抛物镜10收集并准直后，穿过可阻挡超连续白光和残余激光的高阻硅片11后再穿过连续移动待测样品12，再穿过一个开关阀门13，然后经第二个离轴抛物镜14聚焦至电光晶体15(ZnTe)上；
在探测光路，探测光首先经过一块宽带介质膜平面反射镜16后，再经过由一对正交宽带介质膜平面反射镜17、18以及电控平移台组成的延迟光路，然后经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖19来调节并获得最佳探测时间窗口，再经过第一块偏振片20后经过一块宽带介质膜平面反射镜21，然后通过一个聚焦透镜22聚焦在电光晶体15上且与太赫兹波焦点重合；探测光在电光晶体15中经太赫兹波电场调制后，由另外一块凸透镜23准直后经过与第一块偏振片20光轴正交的第二块偏振片24后，由光纤收集头25收集并沿光纤传播进入光纤光谱仪26；由控制电脑27控制主光路上的开关阀门13，关闭和开启时控制电脑可分别测量探测光被太赫兹波调制前后的光谱；将光纤光谱仪26实时采集的受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号差值转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据在控制电脑27屏幕上进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测。
经光谱仪测得的带啁啾的探测光光谱为Ib(ω)，受太赫兹脉冲电场调制后探测光光谱为Im(ω)，光谱差值为ΔI(ω)＝Im(ω)-Ib(ω)，通过坐标变换ω-ω0＝2αt，可获得太赫兹脉冲的时域信号S(t)，其中ω为探测光圆频率，2α为啁啾率(由色散玻璃参数决定)。通过编写Labview程序，该信号可由计算机屏幕显示，峰值对应的时间tm，当主光路中插入厚度为L的被测材料后，通过增加探测脉冲的延时，重新在屏幕上找到太赫兹脉冲信号并将其峰值调节回tm位置，如平移台移动了x，则被测材料厚度为L＝2x。当被测材料厚度发生波动时且波动值为ΔL，则屏幕上显示的光谱差值ΔI(ω)的峰值位置将发生前后移动，相应地太赫兹脉冲时域信号S(t)的峰值位置tm也在前后波动，如波动值为Δtm，则二者有如下关系：ΔL＝2cΔtm，c为光速。由此可在电脑上实时直观显示被测材料厚度L的波动变化情况。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：包括：
飞秒激光放大器系统，用于产生激光束；
分束片，用于将所述激光束分为泵浦光和探测光，其中泵浦光所在路径作为主光路，探测光所在路径作为探测光路；
在所述主光路中，泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片、连续移动待测样品、第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
在所述探测光路中，探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；
被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集探测光的光谱，最终输入控制电脑进行计算；
在主光路中，所述连续移动待测样品与第二离轴抛物镜之间设有由控制电脑控制的开关阀门，用于开启和切断主光路，从而使控制电脑获得探测光被太赫兹波调制前后的光谱；
控制电脑计算探测光调制前后的光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据，显示在控制电脑屏幕上，实现对材料厚度的实时在线无损测量，以及对厚度变化的实时监测。
2.根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述飞秒激光放大器系统首先经过第一宽带平面反射镜反射后再射向分束片。
3.根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述泵浦光首先经过第二宽带平面反射镜、第三宽带平面反射镜和第四宽带平面反射镜反射，再经透镜和倍频晶体聚焦在空气中，产生双色激光等离子体太赫兹辐射源。
4.根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述探测光首先经第五宽带平面反射镜反射后再射向可调延迟光路；所述探测光经过第一偏振片后，首先经第六宽带平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦。
5.根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述可调延迟光路包括设置在电控平移台上的一对正交平面反射镜，通过调节该延迟光路来实现探测光脉冲与太赫兹脉冲同步。
6.根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述的一对直角三角形色散玻璃砖镜像对称，斜边相接，通过沿斜边滑动来调节探测光的脉宽，从而获得最佳探测时间窗口。
7.一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过飞秒激光放大器产生激光束，并经分束片分为泵浦光和探测光；
S2：泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片、连续移动待测样品、开关阀门、第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
S3：探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；
S4：被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集被调制后的探测光的光谱，输入控制电脑；
S5：控制电脑通过控制开关阀门关闭，令光纤光谱仪采集未被调制的探测光的光谱，输入控制电脑；
S6：控制电脑计算受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测。
8.根据权利要求7所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测方法，其特征在于：步骤S6中所述实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测的具体步骤如下：
经光谱仪测得的带啁啾的探测光光谱为Ib(ω)，受太赫兹脉冲电场调制后探测光光谱为Im(ω)，光谱差值为
ΔI(ω)＝Im(ω)-Ib(ω)
通过坐标变换ω-ω0＝2αt，获得太赫兹脉冲的时域信号S(t)，其中ω为探测光圆频率，2α为啁啾率，所述啁啾率由色散玻璃参数决定；
将太赫兹脉冲的时域信号S(t)显示在屏幕上，初始的峰值对应的时间为tm，当主光路中插入厚度为L的被测材料后，通过增加探测脉冲的延时，重新在屏幕上找到太赫兹脉冲信号并将其峰值调节回tm位置；当平移台移动了x，则被测材料厚度为L＝2x；
当被测材料厚度发生波动时且波动值为ΔL，则屏幕上显示的光谱差值ΔI(ω)的峰值位置将发生前后移动，相应地太赫兹脉冲时域信号S(t)的峰值位置tm也在前后波动；当波动值为Δtm，则波动值ΔL＝2cΔtm，c为光速；由此在电脑上实时直观显示被测材料厚度L的波动变化情况。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311192531.0A CN117073549A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311192531.0A CN117073549A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117073549A true CN117073549A (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=88704258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311192531.0A Pending CN117073549A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117073549A (zh) |
-
2023
- 2023-09-15 CN CN202311192531.0A patent/CN117073549A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8742353B2 (en) | Single terahertz wave time-waveform measuring device | |
| JP5357531B2 (ja) | 情報取得装置及び情報取得方法 | |
| US7898668B2 (en) | Terahertz spectrometer | |
| Salhi et al. | Confocal THz laser microscope | |
| EP2783626A1 (en) | Apparatus and method for acquiring informations on a sample by using terahertz wave | |
| US7593099B2 (en) | Method and device for configuration examination | |
| US20220107268A1 (en) | Terahertz spectrum measurement method and system based on unequal optical path method | |
| CN113029969B (zh) | 一种各向异性非线性光学特性测量装置及其测量方法 | |
| GB2360842A (en) | Investigating a sample using electromagnetic radiation | |
| WO2015118717A1 (ja) | テラヘルツ波位相差測定システム | |
| CN104390935A (zh) | 太赫兹波段测试非线性极化系数和吸收系数的装置及方法 | |
| JP2008076159A (ja) | 内部欠陥検査方法及び内部欠陥検査装置 | |
| CN109030406B (zh) | 太赫兹频谱校准系统及方法 | |
| JPWO2006085403A1 (ja) | 実時間テラヘルツ・トモグラフィー装置および分光イメージング装置 | |
| EP2157420A1 (en) | Apparatus and method for investigating a sample using an electro-optic THz-transceiver with the reflected pump beam being used as the probe beam | |
| CN111536885B (zh) | 一种双入射角度式太赫兹时域光谱涂层测量方法 | |
| CN117073549A (zh) | 基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法 | |
| Collier et al. | Optimization processes for pulsed terahertz systems | |
| TWI464364B (zh) | 液晶盒厚度量測裝置及其量測方法 | |
| JP2007101370A (ja) | テラヘルツ分光装置 | |
| CN116907660A (zh) | 测量和控制超快激光脉冲啁啾的设备和方法 | |
| Liang et al. | Origin of potential errors in the quantitative determination of terahertz optical properties in time-domain terahertz spectroscopy | |
| JP5700527B2 (ja) | 分析装置および分析方法 | |
| JP2017194361A (ja) | 誘電分光装置 | |
| CN106556938B (zh) | 基于中空光纤管的相干太赫兹超连续谱调频装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |