CN208076389U - 一种太赫兹光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及太赫兹光谱技术领域，提供了一种太赫兹光谱仪，包括用于与外部激光系统连接的色散补偿系统、光分束器、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸系统、用于产生和接收太赫兹波并对待检测样品进行检测的检测系统和用于对测试数据进行分析的数据处理系统，色散补偿系统通过光纤与光分束器连接，光分束器通过光纤同时与光纤拉伸系统、检测系统连接，光纤拉伸系统通过光纤与检测系统连接，同时检测系统通过光纤与数据处理系统连接；由于激光在光纤中传输，有效提高了太赫兹光谱仪的稳定性，使得太赫兹光谱仪可以应用于室外环境和工业场景中，有效拓展了太赫兹光谱仪的应用场景。
Description
技术领域
本实用新型涉及太赫兹光谱技术领域，更具体地说，是涉及一种太赫兹光谱仪。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10太赫兹(Tera Hertz，THz)，波长范围0.03～ 30mm之间的电磁辐射，其波段位于微波与红外之间，由于缺乏有效的产生和探测手段一直未能得到较好的利用。太赫兹在电磁波谱的位置比较特殊，导致其具有许多独特性质，对新材料、半导体、生命科学等领域的发展具有不可替代的作用。太赫兹波段不会对生物组织产生有害的电离辐射，相较于可见光与红外光谱，其穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响，可用于生物成像、医疗诊断等领域；太赫兹辐射具有相干性，能够直接得到所测物质的振幅和相位信息，从而可用于计算所测物质的折射率与吸收系数等；太赫兹辐射很容易透过非金属和非极性材料，可以用于生产中的质量控制和出入镜的安检等。
传统的太赫兹时域光谱系统通过将自由空间传播的激光耦合到太赫兹天线中，能够实现很高的信噪比和令人满意的光谱带宽。然而，由于激光在自由空间中传输，外部环境中的振动或者激光光源的不稳定都会对激光的传播产生影响，使得太赫兹时域光谱系统的稳定性较差，无法在室外环境和工业场景中进行应用。
以上不足，有待改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种太赫兹光谱仪，以解决现有技术中存在的太赫兹时域光谱系统稳定性较差的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种太赫兹光谱仪，包括用于与外部激光系统连接的色散补偿系统、光分束器、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸系统、用于产生和接收太赫兹波的检测系统和用于对测试数据进行分析的数据处理系统，所述色散补偿系统通过光纤与所述光分束器连接，所述光分束器通过光纤同时与所述光纤拉伸系统、所述检测系统连接，所述光纤拉伸系统通过光纤与所述检测系统连接，同时所述检测系统与所述数据处理系统连接。
进一步地，所述色散补偿系统包括用于调整所述激光传输方向的光纤环形机构，用于对所述激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅，所述光纤环形机构设有用于与光纤连接的输入端，所述光纤用于传输所述激光，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅均与所述光纤环形机构连接，且所述激光依次通过所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅后从所述光纤环形机构中出射，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅的色散补偿量的绝对值不相等。
进一步地，所述检测系统包括用于产生太赫兹波的光电导发射天线、用于接收所述太赫兹波的光电导接收天线和用于对所述太赫兹波进行聚焦的光学组件，所述光电导发射天线与所述光分束器连接，所述光电导接收天线与所述光纤拉伸系统连接且所述光电导接收天线与所述数据处理系统连接。
进一步地，所述光学组件包括用于将所述光电导发射天线产生的太赫兹波聚焦在所述待检测样品上的第一透镜组和用于将经过所述待检测样品后的太赫兹波聚焦在所述光电导接收天线的第二透镜组。
进一步地，所述光纤拉伸系统包括用于对激光进行分束的第一耦合器、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器、用于将光信号转换为电信号的光电探测器和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置，所述光分束器与所述第一耦合器通过光纤连接，所述第一耦合器同时与两个所述光纤拉伸器通过光纤连接，两个所述光纤拉伸器均与所述第二耦合器通过光纤连接，所述第二耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述光电探测器与所述显示装置连接。
进一步地，所述光纤拉伸器包括伸缩杆、可驱动所述伸缩杆进行伸缩的电机和用于缠绕光纤的伸缩部，所述伸缩杆的一端与所述电机连接，所述伸缩杆的另一端与所述伸缩部连接并可带动所述伸缩部扩张或收缩，所述光纤缠绕在所述伸缩部的外表面。
进一步地，所述光电导接收天线与所述数据处理机构之间还设有锁相放大模块。
进一步地，所述锁相放大模块包括用于将输入信号放大的信号通道、用于提供与所述输入信号同相位的参考信号的参考通道、相敏检波器以及低通滤波器，所述信号通道和所述参考通道均与所述相敏检波器连接，所述相敏检波器与所述低通滤波器连接。
进一步地，所述信号通道包括与所述光电导接收天线连接的锁相放大器，所述锁相放大器与所述相敏检波器连接；
所述参考通道包括依次连接的方波信号源和移相器，所述移相器与所述相敏检波器连接。
进一步地，所述数据处理系统包括数据处理模块和计算机，所述数据处理模块通过网线与所述计算机连接，所述数据处理模块与所述锁相放大模块连接。
本实用新型提供的一种太赫兹光谱仪的有益效果在于：
(1)由于太赫兹时域光谱技术具有可进行无损检测及样品探测、获取物质信息方便快捷、对外界条件要求低等特点，从而使得太赫兹光谱仪不仅可以对多种物质进行识别，而且拓展了太赫兹光谱仪的应用场景。
(2)由于激光在光纤中传输，有效提高了太赫兹光谱仪的稳定性，使得太赫兹光谱仪可以应用于室外环境和工业场景中，进一步有效拓展了太赫兹光谱仪的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的系统原理示意图一；
图2为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的系统原理示意图二；
图3为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的色散补偿系统的一种结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的色散补偿系统的另一种结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的色散补偿系统的负色散啁啾光纤光栅的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的色散补偿系统的正色散啁啾光纤光栅的结构示意图；
图7为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的光纤拉伸系统的结构示意图；
图8为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的光纤拉伸器的结构示意图；
图9为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪的锁相放大模块的结构示意图；
图10为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪测量饮料示意图；
图11为本实用新型实施例提供的太赫兹光谱仪测量待检测样品时的反射脉冲的波形示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图2，一种太赫兹光谱仪，包括用于与外部激光系统1连接的色散补偿系统2、光分束器3、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸系统4、用于发射和接收太赫兹波的检测系统5和用于对测试数据进行分析的数据处理系统7，其中色散补偿系统2通过光纤10与光分束器3连接，用于对激光进行色散补偿；光分束器3通过光纤10同时与光纤拉伸系统4、检测系统5连接，光纤拉伸系统4通过光纤10与检测系统5连接，同时检测系统5与数据处理系统7连接。
本实施例提供的一种太赫兹光谱仪的工作原理如下：首先激光系统1产生的激光通过光纤10传输到色散补偿系统2，色散补偿系统2对激光预先进行色散补偿；然后激光通过光分束器3后分成两束，一束激光到达检测系统5后用于发射太赫兹波，太赫兹波照射到待检测样品6上后会携带待检测样品6的信息，然后携带待检测样品6的信息的太赫兹波被检测系统5接收；另一束激光通过光纤拉伸系统4后到达检测系统5，并与携带待检测样品6的信息的太赫兹波进行耦合形成测试数据；然后测试数据传输到数据处理系统7进行处理。
其中，由于太赫兹波的独特性质，太赫兹时域光谱技术具有以下优点：
(1)频带宽：具有大约从0.1THz～5THz的频带宽度。
(2)信噪比髙：太赫兹时域光谱系统在小于3THz时信噪比可高达104，远髙于傅里叶变换红外光谱技术，且具有较好的稳定性。
(3)可进行无损检测及样品探测：利用太赫兹时域光谱技术可以有效探测待检测样品反映于太赫兹波段的各种物理信息和化学信息等方面的信息，从而可用于进行物质的定性鉴别分析。此外，由于太赫兹波的安全性和穿透性，使其适合用来对生物组织进行无损检测。太赫兹时域光谱技术还具有探测灵敏度高以及能在室温下稳定工作等特点，因此可以广泛应用于样品的探测。
(4)获取介质信息方便快捷：利用太赫兹时域光谱技术能够方便、迅速地获取多种材料信息，如电介质材料、生物大分子以及半导体材料等的振幅和相位信息，也可以直接反映出导电材料中的载流子信息；同时，太赫兹时域光谱的相干性使电场波形包含了太赫兹脉冲的强度、相位、时间等完整信息，通过傅立叶变换使其转换为频谱信号，便可得到吸收光谱与色散光谱。
(5)对外界条件要求低：太赫兹时域光谱系统可在室温下工作，省去了复杂的制冷系统。
(6)非接触测量：太赫兹辐射能够直接反映导电材料中载流子的信息，因而太赫兹时域光谱系统比基于霍尔(Hall)效应的非接触性测量更为方便、有效。
(7)安全无害：太赫兹波的单光子能量低，1THz对应4.1meV的能量，检测物质时不会破坏被检测物质的成分，且对操作人员也是安全的。
本实施例提供的一种太赫兹光谱仪的有益效果在于：
(1)由于太赫兹时域光谱技术具有可进行无损检测及样品探测、获取物质信息方便快捷、对外界条件要求低等特点，从而使得太赫兹光谱仪不仅可以对多种物质进行识别，而且拓展了太赫兹光谱仪的应用场景。
(2)由于激光在光纤10中传输，有效提高了太赫兹光谱仪的稳定性，使得太赫兹光谱仪可以应用于室外环境和工业场景中，进一步有效拓展了太赫兹光谱仪的应用场景。
本实施例提供的太赫兹光谱仪体积小巧，可移动性强，其内设有锂电池，可方便进行户外检测，同时也可以防止由于瞬间断电而无法进行检测，以及可以对设备进行保护。太赫兹光谱仪的底部还设有万向轮，从而使得太赫兹光谱仪可以随意移动，可以根据需要在任何位置进行检测。
请参阅图3，进一步地，色散补偿系统2包括用于调整激光传输方向的光纤环形机构，用于对激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，光纤环形机构设有用于与光纤10连接的输入端，光纤10用于传输激光100，第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222 均与光纤环形机构连接，且激光100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后从光纤环形机构中出射，第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222对激光100的色散补偿量的绝对值不相等。
色散补偿系统2的工作原理如下：首先将传输激光100的光纤10与光纤环形机构连接，同时将第一啁啾光纤光栅221、第二啁啾光纤光栅222与光纤环形机构顺次连接，从而使得激光100通过光纤3进入到光纤环形机构中后，依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222进行色散补偿，然后从光纤环形机构中出射。由于第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿相反且色散补偿量不相等，因此当激光100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，其总色散补偿量为第一啁啾光纤光栅221 的色散补偿量和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿量之和，且总色散补偿量可以达到fs/nm(飞秒/纳米)的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿。
这样设置的有益效果在于：由于设置有用于对激光100进行色散补偿、且色散补偿相反的第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，因此当激光 100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，总色散补偿量可以达到fs/nm的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿，有效保障激光传输的可靠性。
请参阅图3，在一个实施例中，光纤环形机构包括第一光纤环形器211，第一光纤环形器211包括沿激光传输方向设置的第一输入端口2110、第一端口 2111、第二端口2112和第三端口2113，第一输入端口2110与光纤10连接，第一端口2111与第一啁啾光纤光栅221连接，第二端口2112与第二啁啾光纤光栅222连接。通过第一光纤环形器211将第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222连接，不仅可以实现对激光100的微小色散补偿，而且结构紧凑，安装方便。优选地，第一光纤环形器211为四端口光纤环形器。
请参阅图4，在一个实施例中，光纤环形机构包括第二光纤环形器212和第三光纤环形器213，第二光纤环形器212包括沿激光传输方向设置的第二输入端口2120、第四端口2121和第五端口2122，第三光纤环形器213包括沿激光传输方向设置的第三输入端口2130、第七端口2131和第八端口2132，第二输入端口2120与光纤10连接，第四端口2121与第一啁啾光纤光栅221连接，第五端口2122与第三输入端口2130连接，第七端口2131与第二啁啾光纤光栅 222连接。优选地，第二光纤环形器212为三端口光纤环形器，第三光纤环形器213为三端口光纤环形器，第二光纤环形器212和第三光纤环形器213通过光纤103相互连接。通过两个光纤环形器分别连接第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，不仅可以实现对激光100的微小色散补偿，而且可以根据需要进行连接，安装更加灵活。
应当理解的是，第二光纤环形器212和第三光纤环形器213也可为其它类型的光纤环形器，例如四端口光纤环形器，在使用时，仅顺次使用其中的三个端口即可。
请参阅图5和图6，在一个实施例中，第一啁啾光纤光栅221内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐增大，第二啁啾光纤光栅222内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐减小。具体地，第一啁啾光纤光栅221为负色散啁啾光纤光栅，激光100中的不同频率的激光分量在负色散啁啾光纤光栅的不同位置发生全反射，其中高频激光分量1001发生全反射的位置比低频激光分量1002发生全反射的位置更深，使得高频激光分量1001的光程大于低频激光分量1002的光程，从而产生负色散；第二啁啾光纤光栅222为正色散啁啾光纤光栅，激光100中的不同频率的激光分量在正色散啁啾光纤光栅的不同位置发生全反射，其中高频激光分量1001发生全反射的位置比低频激光分量1002发生全反射的位置更浅，使得高频激光分量1001的光程小于低频激光分量1002 的光程，从而产生正色散。事实上，在实际使用时，只需要将负色散啁啾光纤光栅反向与光纤环形器连接，即可得到正色散啁啾光纤光栅。
在一个实施例中，第一啁啾光纤光栅221内的折射率变化周期沿激光100 入射方向逐渐减小，即第一啁啾光纤光栅221为正色散啁啾光纤光栅；第二啁啾光纤光栅222内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐增大，即第二啁啾光纤光栅222为负色散啁啾光纤光栅。
由于第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222产生的色散补偿相反，因此当激光100依次经过第一啁啾光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，第一啁啾光纤光栅221的色散补偿量和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿量之和为激光100实际获得的色散补偿量。
在本实施例中，可以通过改变曝光功率密度I和曝光时间t的方式来控制啁啾光纤光栅中的折射率变化幅度。折射率n(I,t)与曝光功率密度I和曝光时间 t具有如下关系：
n(I,t)＝AIatb(I)
其中A为3.6×10-7，为常数；a为0.78，为常数；b为曝光强度依赖系数， b(I)＝0.165+0.028exp(-I×1×10-5)。
由上述公式可知，在曝光时间t相同的情况下，当曝光功率密度I的范围为0～600mW/cm2时，折射率n(I,t)的变化和曝光功率密度I的变化近似为线性，因此改变曝光功率密度I可以很好地控制光纤的折射率n(I,t)的变化。得到光纤光栅中折射率n(I,t)微小差异后，即可得到光纤光栅中不同位置布拉格反射波长λB的微小差异，其关系满足：
λB＝2neffΛ
其中neff为光纤有效折射率，Λ为光栅周期。
不同位置布拉格反射波长微小差异λB，表示在啁啾光纤光栅的同一位置，满足反射条件的波长具有微小差异，或者相同频率的两束光在啁啾光纤光栅中的反射位置具有微小差异，整体考虑即为啁啾光纤光栅的色散补偿量具有微小差异。
将曝光功率密度I的值设定为450mW/cm2时可得到色散补偿量为14ps/nm 色散量的光纤光栅，而曝光功率密度I的设定值为440mW/cm2时可得到色散补偿量为13.95ps/nm光纤光栅。在实际使用时，将上述两个光纤光栅与光纤环形器反向连接，其总色散补偿量为两个光纤光栅的色散补偿量之和，即为50 fs/nm(即0.05ps/nm)，因此总色散补偿量可以达到fs/nm的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿。
进一步地，第一啁啾光纤光栅21和第二啁啾光纤光栅22的总色散补偿量的绝对值的范围为50fs/nm～100fs/nm。优选地，总色散补偿量的绝对值为50 fs/nm，从而可对飞秒激光的微小色散量进行补偿，有效保障激光传输的可靠性。
请参阅图1和图2，进一步地，检测系统5包括用于发射太赫兹波的光电导发射天线51、用于接收太赫兹波的光电导接收天线52和用于对太赫兹波进行聚焦的光学组件52，光电导发射天线51与光分束器3连接，光电导接收天线52与光纤拉伸系统4连接且光电导接收天线52与数据处理系统7连接。光学组件53包括用于将光电导发射天线51产生的太赫兹波聚焦在待检测样品6 上的第一透镜组和用于将经过待检测样品56后的太赫兹波聚焦在光电导接收天线52的第二透镜组。
优选地，光分束器3与光电导发射天线51之间还设有光纤延时线54。目前的太赫兹时域光谱仪的延迟线是自由空间延迟线，其中大部分使用移动平台进行延时。这样的设备缺乏稳定性且容易受到振动和温度波动而导致延迟失调。而本实施例中采用光纤延时线，稳定性高，且易于集成。
在本实施例中，光学组件53包括四个聚烯烃透镜，其中第一透镜组包括两个聚烯烃透镜，第二透镜组包括另外两个聚烯烃透镜，聚烯烃透镜可以是非球面镜或球面镜，用于对太赫兹波进行准直聚焦。光电导发射天线51发射的太赫兹波首先经过第一透镜组的两个聚烯烃透镜后聚焦至待检测样品6的表面，并在待检测样品6的表面反射后携带了待检测样品6的信息，然后太赫兹波经过第二透镜组的两个聚烯烃透镜后被光电导接收天线52接收，并转化为相应的电信号。
请参阅图7和图8，传统的光纤拉伸器使用压电陶瓷拉伸光纤，这些压电体通常由大功率高压源驱动，驱动器成本高，高压电源也容易对周围电路造成干扰，不利于设备集成。本实施例提供的光纤拉伸系统4包括用于对激光进行分束的第一耦合器43、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器44、用于将光信号转换为电信号的光电探测器45和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置46。优选地，显示装置46为示波器，从而可以将电信号转化为可视化的时域波形。
为了便于描述，两个光纤拉伸器分别记为第一光纤拉伸器4101和第二光纤拉伸器4102。光分束器3通过光纤10与第一耦合器43连接，第一耦合器43 通过光纤10同时与第一光纤拉伸器4101、第二光纤拉伸器4102连接，第一光纤拉伸器4101、第二光纤拉伸器4102通过光纤10均与第二耦合器44连接，第二耦合器44通过光纤10与光电探测器45连接，光电探测器45与显示装置 46连接。
其中，与第一光纤拉伸器4101连接的光纤10缠绕在第一光纤拉伸器4101 的外表面，与第二光纤拉伸器4102连接的光纤10缠绕在第二光纤拉伸器4102 的外表面。第一光纤拉伸器4101所在的一端为参考臂，第二光纤拉伸器102 所在的一端则作为信号臂。
本实施例提供的光纤拉伸系统4的工作原理如下：
激光经过光纤10传输到第一耦合器处；
激光经过第一耦合器43后分成两束，一束通过缠绕在第一光纤拉伸器4101 的光纤10传输到第二耦合器44处，另一束通过缠绕在第二光纤拉伸器4102 的光纤10传输到第二耦合器44处；
两束到达第二耦合器44的激光经过第二耦合器44后合并成一束，并通过光纤10传输到光电传感器45处；
光电传感器45将接收到的光信号转变为电信号，并将电信号传递到显示装置46处；
显示装置46将电信号转换为可视化图形并进行显示。
具体地，当作为参考臂的第一光纤拉伸器4101处的光纤10和作为信号臂的第二光纤拉伸器4102处的光纤10的拉伸长度一致时，两束激光所经历的光程一样，因此光程差为零；然后，对作为信号臂的第二光纤拉伸器4102施加三角波调制信号，从而使得经过第二光纤拉伸器4102处的光纤10传输的激光的光程与经过第一光纤拉伸器4101处的光纤10传输的激光的光程不同，从而产生光程差；由于两束激光传递到第二耦合器后合并成一束，当合并后的激光传输到光电传感器45处时会发生干涉；通过对干涉信号进行分析，即可获得光程差，从而获得光纤的拉伸长度。
应当理解的是，第一光纤拉伸器4101与第二光纤拉伸器4102完全相同，从而可有效保证当电机处于初始状态、光纤10以相同的方式缠绕在第一光纤拉伸器4101或第二光纤拉伸器4102时，其光程差为零。将第一光纤拉伸器4101 所在的一端作为参考臂，目的是为了解决因绕接弯曲而造成的光效应干涉条纹对比度降低的问题。
请参阅图8，进一步地，光纤拉伸器包括伸缩杆411、可驱动伸缩杆411 进行伸缩的电机412和用于缠绕光纤10的伸缩部413，伸缩杆411的一端与电机412连接，伸缩杆411的另一端与伸缩部413连接并可带动伸缩部413扩张或收缩。
光纤拉伸器的工作原理如下：首先将电机412固定，并将电机412与伸缩杆411的一端连接，然后将伸缩杆411的另一端与伸缩部413连接，然后将光纤10缠绕在伸缩部413上；当需要对光纤10进行拉伸时，电机412接通电源，并根据需要驱动伸缩杆411伸长，从而可带动伸缩部413进行扩张，进而可带动缠绕在伸缩部413上的光纤10进行拉伸；当不需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411回缩，从而可带动伸缩部413进行收缩，进而使得缠绕在伸缩部413上的光纤10收缩。
这样设置的有益效果在于：由于采用电机412驱动伸缩杆411运动、进而带动伸缩部413运动的方式对光纤10进行拉伸，从而可有效增大光纤10的拉伸长度，进而可增加激光在光纤10中的传输长度，从而增大了光程扫描范围。
进一步地，伸缩部413包括第一伸缩部4131和第二伸缩部4132，电机412 设于第一伸缩部4131和第二伸缩部4132之间，且电机412与第一伸缩部4131 固定连接，伸缩杆411也设于第一伸缩部4131和第二伸缩部4132之间，且伸缩杆的411另一端与第二伸缩部4132连接，光纤10缠绕在第一伸缩部4131 和第二伸缩部4132的外表面。
当需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411伸长，伸缩杆411 带动第二伸缩部4132向远离第一伸缩部4131的方向运动，从而使得伸缩部413 整体向外扩张，进而带动缠绕在第一伸缩部4131和第二伸缩部4132表面的光纤10进行拉伸；当不需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411回缩，从而使得第二伸缩部4132向靠近第一伸缩部4131的方向运动，从而伸缩部413整体收缩，进而带动缠绕在第一伸缩部4131和第二伸缩部4132表面的光纤10收缩。
由于伸缩部413包括可相对运用的第一伸缩部4131和第二伸缩部4132，从而通过第一伸缩部4131和第二伸缩部4132的相对运动带动光纤10进行拉伸和收缩，不仅运动方式简单灵活，而且光纤10的拉伸长度容易调节，且可有效增大光纤10的拉伸长度，增大了光程扫描范围。
进一步地，第一伸缩部4131为第一半圆柱体，第一半圆柱体缠绕光纤10 的表面为曲面；第二伸缩部4132为第二半圆柱体，第二伸半圆柱体缠绕光纤 10的表面为曲面。优选地，第一伸缩部4131和第二伸缩部4132构成一个圆柱体，且第一伸缩部4131和第二伸缩部4132尺寸相同。由于光纤10缠绕在第一半圆柱体和第二半圆柱体的曲面上，因此光纤10在拉伸和收缩时更加平滑，从而使得光纤10的拉伸和收缩更加自然和精确，也防止了光纤10在拉伸和收缩过程中被损坏。
优选地，第一伸缩部4131的材料为金属，第二伸缩部4132的材料为金属。因此第一伸缩部4131和第二伸缩部4132质地坚硬，能更好地带动光纤10进行拉伸和收缩。应当理解的是，第一伸缩部4131的材料也可为其它质地坚定的材料，第二伸缩部4132的材料也可为其它质地坚硬的材料。
进一步地，电机412的数量为两个，伸缩杆411的数量相应为两个，两个电机412沿第一伸缩部4131的轴向排列固定，每个电机412均连接一个伸缩杆 411，两个伸缩杆411的另一端均与第二伸缩部4132连接。优选地，两个电极 412分别固定连接在靠近第一伸缩部4131的两端的位置，从而使得第一伸缩部 4131在运动过程中更加平稳，进而使得光纤10的拉伸和收缩更加平稳。
在本实施例中，电机412连接有电机驱动器，通过对电机驱动器进行控制，从而实现对电机412的运动方式的控制，进而对光纤拉伸器进行控制。光纤拉伸器对缠绕在伸缩部413上的光纤10的最大拉伸量为6cm,从而可以实现延时 200ps。
请参阅图9，进一步地，光电导接收天线52与数据处理机构7之间还设有锁相放大模块8。由于经过光电导接收天线52转化的电信号能量较低，因此需要通过电流放大器放大后进入锁相放大模块8二次放大，然后再传输到数据处理系统7进行处理和分析。
为了压缩噪声的带宽，并提高信噪比，需要对信号进行放大和去噪声处理。锁相放大模块8在提取强噪声中的微弱信号时具有抗干扰能力强、信号精确度高等特点，并且能获取被测量信号的大小和方向的变化，因而可广泛应用于信号检测。
锁相放大模块8包括信号通道、参考通道、相敏检波器84(简写为PSD) 和低通滤波器85。信号通道包括与光电导接收天线52连接的锁相放大器81，其作用是先把伴有噪声的被以参考信号相同频率调制的输入信号放大，并经选放初步减小噪声。参考通道包括依次连接的方波信号源82和移相器83，其作用是提供一个与输入信号同相位的参考信号，参考信号为方波信号。移相器83 和锁相放大器81均与相敏检波器84相连，相敏检波器84的作用是对输入信号和参考信号进行混频，输出和频信号和差频信号。相敏检波器84与低通滤波器 85相连，低通滤波器85的作用是将和频信号滤除，仅保留差频信号。保留的差频信号进行放大处理后输出。在本实施例中，为实现低成本小体积的锁相放大器，采用平衡调制解调器进行锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱太赫兹信号，其动态范围宽，达到100dB，能检测pA级的信号。
进一步地，数据处理系统7包括数据处理模块71和对待检测样品6进行识别的计算机72，数据处理模块71通过网线与计算机72连接，数据处理模块71 与锁相放大模块8连接。
进一步地，数据处理模块71也具有控制作用，可以控制太赫兹光谱仪的各个系统的工作状态。具体地，数据处理模块71可以对激光系统1的工作状态进行控制，从而控制激光系统1是否开始工作。数据处理模块71可以通过电机驱动器控制电机412的运动状态，从而控制光纤拉伸系统4的工作状态。数据处理模块71可以对光电导发射天线51的工作状态进行控制，从而控制光电导发射天线51是否发射太赫兹波。同时数据处理模块71也可以对锁相放大模块8 的工作状态进行控制。
数据处理模块71采用等效采样方法提取时域电场信号，并通过光纤拉伸系统4改变两个激光脉冲之间的时间延迟，将高频、快速信号转变为低频、慢速信号进行处理，从而准确重建太赫兹波形，实现太赫兹信号的有效采集及分析及噪声抑制。
虽然利用光电导探测技术可以得到一个正比于太赫兹辐射场的瞬变电流，但由于太赫兹时域信号大约在皮秒(ps)量级甚至更短，电流响应时间上升沿基本都在亚皮秒量级，普通的电流探测器很难测到该信号，因此需要利用等效时间采样技术提取太赫兹时域电场信号。由于激光脉冲为飞秒激光脉冲，其持续时间远小于太赫兹脉冲的持续时间，通过改变两个激光脉冲之间的时间延迟，可以把高频、快速信号转变为低频、慢速信号处理，在重复信号的每个周期或相隔几个周期取一个样，而每个取样点分别取自每个输入信号波形不同的位置上，若干个取样点组成一个周期，可以组成类似于原信号一个周期的波形，进而可以提取出太赫兹波形。
在一个实施例中，计算机72用于识别易燃易爆物品，采用的易燃易爆物品识别算法为反射式太赫兹时域光谱系统(简写为THz-TDS系统)的识别算法。
常见的THz-TDS系统可分为两类：透射式和反射式。利用透射式THz-TDS 技术通过测量各类物质的透射谱，提取光学参数，从而对物质进行识别。然而采用透射式THz-TDS技术进行测量时需要和物质的两端接触，对液体、特别是在太赫兹波段具有很强吸收性的液体，透射式THz-TDS技术在实用性和通用性上都有极大的瓶颈。相对而言，采用反射式THz-TDS技术时，由于太赫兹波仅在容器内壁界面上和液体作用、而不需要透射过液体，因此在液体强吸收性的问题上展现出了优越性。
传统利用反射式THz-TDS技术对不同液体进行识别检测时，在数据处理的过程中需要把时域信号转换到频域；然而在实际应用中由于容器壁往往很薄，参考信号和检测信号相距很近，使得数据处理困难，因此该方法实用程度不高，不能适应不同厚度的容器或包装。
本实施例提供的太赫兹光谱仪利用不同物质的折射率不同、从而导致检测信号光脉冲的振幅和形状不相同的特性，针对时域的检测信号光脉冲，利用模式识别的方法对容器或包装内的物品成分进行判别。
本实施例提供的太赫兹光谱仪的易燃易爆物品识别算法的过程为：
首先利用主成分分析进行数据降维，实现数据的特征提取；
利用人工智能算法(例如可采用线性判别分析或支持向量机算法设计)，对物品安全与否进行判别。
由于无需进行傅里叶变换转换到频域再分析，因而可以减少物质判别的时间。
请参阅图10和图11，以检测饮料成分为例，说明本实施例利用太赫兹时域光谱技术危险品识别的方法。太赫兹脉冲611在空气、液体瓶602和液体601 中传播时，分别在空气与瓶外壁603接触处、瓶内壁604与液体601接触处发生两次反射。反射率的菲涅尔公式为：
其中n1、n2为相接触的两种材料的折射率，θ角为入射角。
第一次测量太赫兹脉冲611在空气、液体瓶602和空气界面上传播，可以获得第一反射脉冲612，从而可以测量出液体瓶602的材料的介电常数和厚度；当得到液体瓶602的材料参数后，再进行一次在空气、液体瓶602的瓶内壁604 和液体601界面的测量，可以获得第二反射脉冲613，通过数据处理后可以得到液体601的介电常数。
不同的液体601在反射不同形状的太赫兹脉冲。对不同液体的反射脉冲形状进行主成分分析，计算得到其累积方差值，累积方差公式如下：
其中，N为校准样品集中样品的数量，是样品的第i个参考值，是样品的第i个预测值。对累积方差值进行阈值判断，超过阈值则为危险品。
应当理解的是，本实施例提供的太赫兹光谱仪还可应用于其他技术领域，并不仅限于上述的情形。
以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹光谱仪，其特征在于：包括用于与外部激光系统连接的色散补偿系统、光分束器、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸系统、用于产生和接收太赫兹波的检测系统和用于对测试数据进行分析的数据处理系统，所述色散补偿系统通过光纤与所述光分束器连接，所述光分束器通过光纤同时与所述光纤拉伸系统、所述检测系统连接，所述光纤拉伸系统通过光纤与所述检测系统连接，同时所述检测系统与所述数据处理系统连接。
2.如权利要求1所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述色散补偿系统包括用于调整所述激光传输方向的光纤环形机构，用于对所述激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅，所述光纤环形机构设有用于与光纤连接的输入端，所述光纤用于传输所述激光，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅均与所述光纤环形机构连接，且所述激光依次通过所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅后从所述光纤环形机构中出射，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅的色散补偿量的绝对值不相等。
3.如权利要求1所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述检测系统包括用于产生太赫兹波的光电导发射天线、用于接收所述太赫兹波的光电导接收天线和用于对所述太赫兹波进行聚焦的光学组件，所述光电导发射天线与所述光分束器连接，所述光电导接收天线与所述光纤拉伸系统连接且所述光电导接收天线与所述数据处理系统连接。
4.如权利要求3所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述光学组件包括用于将所述光电导发射天线产生的太赫兹波聚焦在待检测样品上的第一透镜组和用于将经过所述待检测样品后的太赫兹波聚焦在所述光电导接收天线的第二透镜组。
5.如权利要求3所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述光纤拉伸系统包括用于对激光进行分束的第一耦合器、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器、用于将光信号转换为电信号的光电探测器和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置，所述光分束器与所述第一耦合器通过光纤连接，所述第一耦合器同时与两个所述光纤拉伸器通过光纤连接，两个所述光纤拉伸器均与所述第二耦合器通过光纤连接，所述第二耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述光电探测器与所述显示装置连接。
6.如权利要求5所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述光纤拉伸器包括伸缩杆、可驱动所述伸缩杆进行伸缩的电机和用于缠绕光纤的伸缩部，所述伸缩杆的一端与所述电机连接，所述伸缩杆的另一端与所述伸缩部连接并可带动所述伸缩部扩张或收缩，所述光纤缠绕在所述伸缩部的外表面。
7.如权利要求3所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述光电导接收天线与所述数据处理系统之间还设有锁相放大模块。
8.如权利要求7所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述锁相放大模块包括用于将输入信号放大的信号通道、用于提供与所述输入信号同相位的参考信号的参考通道、相敏检波器以及低通滤波器，所述信号通道和所述参考通道均与所述相敏检波器连接，所述相敏检波器与所述低通滤波器连接。
9.如权利要求8所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述信号通道包括与所述光电导接收天线连接的锁相放大器，所述锁相放大器与所述相敏检波器连接；
所述参考通道包括依次连接的方波信号源和移相器，所述移相器与所述相敏检波器连接。
10.如权利要求7～9任一项所述的太赫兹光谱仪，其特征在于：所述数据处理系统包括数据处理模块和计算机，所述数据处理模块通过网线与所述计算机连接，所述数据处理模块与所述锁相放大模块连接。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108254336A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-07-06 | 深圳市华讯方舟太赫兹科技有限公司 | 一种太赫兹光谱仪 |
| WO2019183953A1 (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-03 | 深圳市华讯方舟太赫兹科技有限公司 | 一种光纤拉伸装置及光纤延迟扫描系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518000 Shenzhen, Baoan District, Xixiang, Guangdong Xixiang street, thirty-seventh fields, 430 estate. Patentee after: Shenzhen Zhongtou Huaxun Terahertz Technology Co.,Ltd. Patentee after: CHINA COMMUNICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 518000 Shenzhen, Baoan District, Xixiang, Guangdong Xixiang street, thirty-seventh fields, 430 estate. Patentee before: SHENZHEN CCT THZ TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: CHINA COMMUNICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20210630 Granted publication date: 20181109 |
|
| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20230421 Granted publication date: 20181109 |
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| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230713 Address after: 518000 Shenzhen, Baoan District, Xixiang, Guangdong Xixiang street, thirty-seventh fields, 430 estate. Patentee after: Shenzhen Zhongtou Huaxun Terahertz Technology Co.,Ltd. Address before: 518000 Shenzhen, Baoan District, Xixiang, Guangdong Xixiang street, thirty-seventh fields, 430 estate. Patentee before: Shenzhen Zhongtou Huaxun Terahertz Technology Co.,Ltd. Patentee before: CHINA COMMUNICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |