CN218847408U - 一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，用于检测样品信息，包括壳体、发射组件、接收组件，以及设置在壳体内、连接发射组件和接收组件的检测光路，壳体设置有检测孔，检测孔处设置有检测部，检测光路经过检测部，检测部包括第一聚焦透镜和中空的限位结构，第一聚焦透镜设置在检测孔中，限位结构连接壳体、包围检测孔且抵接样品表面，使第一聚焦透镜与样品表面之间的距离等于聚焦透镜的焦距。本实用新型可以保证第一聚焦透镜的焦点准确落在样品表面，使太赫兹波聚焦于样品表面，无需凭个人经验调试，从而确保每次检测的一致性；减少了所需的光学器件，压缩了检测光路，缩小了设备的体积；可手持使用，灵活便捷，实用性强。

Description

一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置及系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹光纤光谱仪领域，更具体地，涉及一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置及系统。

背景技术

太赫兹波是介于红外线和毫米波之间的一个特殊频段，通常频率在0.1THz到10THz(1THz＝10¹²Hz)之间。太赫兹波在电磁波谱的位置比较特殊导致其有许多独特性质，大分子的振动和转动能级大多在太赫兹的波段内，而大分子，尤其是生物和化学大分子具有本身物性的物质基团，因而太赫兹光纤光谱仪能通过对特征频率的分析获取样品的物质结构和物性，分析和准确鉴定样品。在太赫兹光谱仪检测系统中，光纤飞秒激光器发出两束飞秒激光，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；泵浦光经光纤传输到发射天线上，在偏置电压的作用下产生太赫兹波，太赫兹波经透射和/或反射后携带待测样品的信息被太赫兹探测器所接收，通过波谱分析技术可以得到样品的折射率、吸收系数、介电常数等物理信息。样品的检测结果的波形是利用延迟装置通过改变穿过样品的不同时刻的太赫兹脉冲电场强度的泵浦光和探测光的光程差来测量的。

传统的自由空间太赫兹光谱仪适用于实验室，具有较大的搭建空间，存在不便移动、检测成本高的缺点，不能满足实际生产的需求。现有的太赫兹光纤光谱仪检测探头及检测系统是一种更为实用的、集成化的太赫兹光谱检测设备，但仍存在尺寸大、稳定性差、操作不方便的问题。此外，在使用检测探头的过程中，探头与样品表面的距离往往仅凭个人经验确定，无法保证每次检测时光束聚焦使焦点位置准确落在样品表面，容易产生误差，导致每次检测的一致性较差，检测结果不准确。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置及系统，用于解决检测时光束聚焦使焦点位置无法准确落在样品表面的问题。

本实用新型采取的技术方案是一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，用于检测样品信息，包括壳体、发射组件、接收组件，以及设置在所述壳体内、连接发射组件和接收组件的检测光路，所述壳体设置有检测孔，所述检测孔处设置有检测部，所述检测光路经过检测部，所述检测部包括第一聚焦透镜和中空的限位结构，所述第一聚焦透镜设置在检测孔中，所述限位结构连接壳体、包围检测孔且抵接样品表面，使所述第一聚焦透镜与样品表面之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。

所述发射组件用于产生并发射太赫兹波，所述接收组件用于接收太赫兹波并将太赫兹光谱信号转换为电流信号，所述检测光路连接发射组件和接收组件，所述检测光路经过检测部，太赫兹波由所述发射组件产生并发射，从检测孔处进入检测部，穿过第一聚焦透镜，到达样品表面并发生反射；携带样品信息的太赫兹波穿过第一聚焦透镜，最后由所述接收组件接收并将太赫兹光谱信号转换为电流信号。所述第一聚焦透镜用于聚焦太赫兹波，使太赫兹波在第一透镜的焦点处汇聚成光斑。所述限位结构起到限制第一聚焦透镜与样品表面之间距离的作用，使用时只要将所述限位结构抵接样品表面，即可保证第一聚焦透镜的焦点准确落在样品表面，使太赫兹波聚焦于样品表面，无需凭个人经验调试，从而确保每次检测的一致性，减少误差。所述限位结构连接壳体、包围检测孔且抵接样品表面，使太赫兹波在所述限位结构内完成反射，可以减少环境因素对太赫兹波的影响，提高检测结果的准确性。

进一步地，所述检测光路包括输入光路和输出光路，所述输入光路中设置有输入镜组，所述输出光路中设置有输出镜组；所述检测光路中还设置有分光器件，所述输入光路从发射组件出发依次经过输入镜组、分光器件、第一聚焦透镜到达样品表面。所述输入镜组和输出镜组起到改变检测光路作用。所述输入光路是指从发射组件到样品表面的部分检测光路，所述输出光路是指从样品表面到接收组件的部分检测光路。太赫兹波在输入镜组中发生透射和/或反射后经过分光器件，所述分光器件用于将太赫兹波分成两束，一束穿过分光器件进入检测部；另一束反射到壳体内的结构件被损耗。

进一步地，所述分光器件为分束镜，所述分束镜有一透射面和一反射面，所述反射面与第一聚焦透镜相对，所述输入光路穿过透射面，所述输出光路在反射面处反射，所述输入光路和输出光路至少在分束镜和样品表面之间重合。太赫兹波在透射面分成两束，一束穿过透射面和第一聚焦透镜到达样品表面，另一束反射到壳体内的结构件被损耗；从样品表面反射的太赫兹波穿过第一聚焦透镜，到达所述分束镜的反射面，在反射面反射进入输出镜组。所述输入光路和输出光路至少在分束镜和样品表面之间重合，通过在同一分束镜发生输入光路的透射和输出光路的反射，减少了所需的光学器件，压缩了检测光路，从而缩小了设备的体积。

进一步地，所述输入镜组包括第二聚焦透镜和反射镜，所述第二聚焦透镜正对发射组件，所述发射组件、第二聚焦透镜、反射镜依次共线设置。所述第二聚焦透镜使发射组件发出的太赫兹波由发散光束聚焦成平行光束，所述反射镜用于改变输入光路的方向。所述输入镜组结构简单，所需光学器件较少，缩短了光程，降低了太赫兹波的损耗。

进一步地，所述输出镜组包括第三聚焦透镜，所述第三聚焦透镜正对接收组件，所述接收组件、第三聚焦透镜、分束镜依次共线设置。所述第三聚焦透镜使发射组件发出的太赫兹波由发散光束聚焦成平行光束。所述输出镜组结构简单，进一步优化了检测光路。

进一步地，所述发射组件内设置有发射天线；所述接收组件内设置有接收天线，所述接收天线与输出光路之间设置有硅透镜。在偏置电压和飞秒激光的作用下，所述发射天线产生太赫兹波。携带样品信息的太赫兹波到达接收天线，通过硅透镜聚焦到接收天线的芯片上，在飞秒激光的作用下，将太赫兹光谱信号转化为电流信号，经前置放大器和锁相放大器处理后，转化为太赫兹电压信号。

进一步地，所述壳体为盒状，所述发射组件和接收组件并列设置在壳体一侧，所述检测孔设置在与接收组件相邻的一侧。盒状壳体外形规整，便于携带。所述发射组件和接收组件并列设置在壳体一侧，便于安装且方便调整发射天线和接收天线的位置，使收发的太赫兹信号较强。

所述壳体为盒状，所述发射组件、第二聚焦透镜、反射镜依次共线设置，所述接收组件、第三聚焦透镜、分束镜依次共线设置，所述发射组件和接收组件并列设置在壳体一侧，所述检测孔设置在与接收组件相邻的一侧。壳体内部光学器件布局合理，压缩了检测光路，进一步缩小了设备的体积。

进一步地，所述限位结构为中空的锥形探嘴。中空的锥形探嘴与样品的接触面较小，可以适用于较不平整的样品表面；其形状适应内部的检测光路，在尽量缩小体积、便于携带的同时也不阻碍太赫兹波。

优选地，所述锥形探嘴材质为聚四氟乙烯。

进一步地，所述壳体连接有筒状手柄，所述筒状手柄通过中空的锥形连接结构连接在壳体设置有发射组件和接收组件的一侧。所述筒状手柄方便手持，所述中空的锥形连接结构可以充分利用空间收纳连接发射组件和接收组件的电线和光纤，保证连接的稳定性，进一步优化整体结构。

进一步地，所述壳体表面设置有显示屏，用于显示样品信息。

进一步地，所述壳体内设置有结构件，所述结构件有若干个安装固定孔位，用于固定各种光学器件，可以调节发射天线和接收天线的相对角度；通过螺钉加固，可以保证设备整体的稳定性。

本技术方案中，一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，包括上述的太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，还包括激光器、激光分束器、第一耦合器、第二耦合器和光学延迟组件；所述激光器产生飞秒激光，所述激光分束器将飞秒激光分为泵浦光和探测光，所述第一耦合器将泵浦光耦合进发射组件的发射天线，所述第二耦合器将经过光学延迟组件的探测光耦合进接收组件的接收天线，所述光学延迟组件用于改变探测光的光程。所述太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置体积小、方便移动、可手持使用，使用时无需移动太赫兹光纤光谱仪检测系统中的其他组件，灵活便捷，实用性强。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：可以保证第一聚焦透镜的焦点准确落在样品表面，使太赫兹波聚焦于样品表面，无需凭个人经验调试，从而确保每次检测的一致性，减少误差；可以减少环境因素对太赫兹波的影响，提高检测结果的准确性；减少了所需的光学器件，压缩了检测光路，从而缩小了设备的体积；可手持使用，灵活便捷，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的立体结构图。

图3为本实用新型实施例1的结构分解图。

图4为本实用新型实施例1中太赫兹光纤光谱仪检测系统的结构示意图。

附图标识说明：壳体010，筒状手柄012，锥形连接结构013，显示屏014，发射组件020，接收组件030，检测光路040，输入光路041，输出光路042，检测部050，第一聚焦透镜051，锥形探嘴052，第二聚焦透镜060，反射镜070，第三聚焦透镜080，分束镜090，透射面091，反射面092，激光器100，激光分束器110，第一耦合器120，第二耦合器130，光学延迟组件140，样品150。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，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；对于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。

实施例1

如图1-3所示，本实施例中，一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，用于检测样品信息，包括壳体010、发射组件020、接收组件030，以及设置在壳体010内、连接发射组件020和接收组件030的检测光路040，壳体010设置有检测孔，检测孔处设置有检测部，检测光路040经过检测部，检测部包括第一聚焦透镜051和中空的限位结构，第一聚焦透镜051设置在检测孔中，限位结构连接壳体010、包围检测孔且抵接样品150表面，使第一聚焦透镜051与样品150表面之间的距离等于聚焦透镜的焦距。

发射组件020用于产生并发射太赫兹波，接收组件030用于接收太赫兹波并将太赫兹光谱信号转换为电流信号，检测光路040连接发射组件020和接收组件030，检测光路040经过检测部，太赫兹波由发射组件020产生并发射，从检测孔处进入检测部，穿过第一聚焦透镜051，到达样品150表面并发生反射；携带样品信息的太赫兹波穿过第一聚焦透镜051，最后由接收组件030接收并将太赫兹光谱信号转换为电流信号。第一聚焦透镜051用于聚焦太赫兹波，使太赫兹波在第一透镜的焦点处汇聚成光斑。限位结构起到限制第一聚焦透镜051与样品150表面之间距离的作用，使用时只要将限位结构抵接样品150表面，即可保证第一聚焦透镜051的焦点准确落在样品150表面，使太赫兹波聚焦于样品150表面，无需凭个人经验调试，从而确保每次检测的一致性，减少误差。限位结构连接壳体010、包围检测孔且抵接样品150表面，使太赫兹波在限位结构内完成反射，可以减少环境因素对太赫兹波的影响，提高检测结果的准确性。

如图1、3所示，本实施例中，检测光路040包括输入光路041和输出光路042，输入光路041是指从发射组件020到样品150表面的部分检测光路040，输出光路042是指从样品150表面到接收组件030的部分检测光路040。输入光路041中设置有输入镜组，输出光路042中设置有输出镜组，输入镜组和输出镜组起到改变检测光路040作用，太赫兹波在输入镜组和输出镜组中发生透射和/或反射。检测光路040中还设置有分束镜090，分束镜090有一透射面091和一反射面092，反射面092与第一聚焦透镜051相对。输入光路041从输入镜组穿过透射面091，输出光路042在反射面092处反射，输入光路041和输出光路042至少在分束镜090和样品150表面之间重合。太赫兹波在透射面091分成两束，一束穿过透射面091和第一聚焦透镜051到达样品150表面，另一束反射到壳体010内的结构件被损耗；从样品150表面反射的太赫兹波穿过第一聚焦透镜051，到达分束镜090的反射面092，在反射面092反射进入输出镜组。输入光路041和输出光路042至少在分束镜090和样品150表面之间重合，通过在同一分束镜090发生输入光路041的透射和输出光路042的反射，减少了所需的光学器件，压缩了检测光路040，从而缩小了设备的体积。

如图1、3所示，本实施例中，输入镜组包括第二聚焦透镜060和反射镜070，第二聚焦透镜060正对发射组件020，发射组件020、第二聚焦透镜060、反射镜070依次共线设置。第二聚焦透镜060使发射组件020发出的太赫兹波由发散光束聚焦成平行光束，反射镜070用于改变输入光路041的方向。输出镜组包括第三聚焦透镜080，第三聚焦透镜080正对接收组件030，接收组件030、第三聚焦透镜080、分束镜090依次共线设置。第三聚焦透镜080使发射组件020发出的太赫兹波由发散光束聚焦成平行光束。输入镜组和输出镜组结构简单，所需光学器件较少，优化了检测光路，缩短了光程，降低了太赫兹波的损耗。

本实施例中，发射组件020内设置有发射天线(图未示)；接收组件030内设置有接收天线(图未示)，接收天线与输出光路042之间设置有硅透镜(图未示)。在偏置电压和飞秒激光的作用下，发射天线产生太赫兹波。携带样品信息的太赫兹波到达接收天线，通过硅透镜聚焦到接收天线的芯片上，在飞秒激光的作用下，将太赫兹光谱信号转化为电流信号，经前置放大器和锁相放大器处理后，转化为太赫兹电压信号。

如图1-3所示，本实施例中，壳体010为盒状，发射组件020和接收组件030并列设置在壳体010一侧，检测孔设置在与接收组件030相邻的一侧。盒状壳体010外形规整，便于携带。发射组件020和接收组件030并列设置在壳体010一侧，便于安装且方便调整发射天线和接收天线的位置，使收发的太赫兹信号较强。

壳体010为盒状，发射组件020、第二聚焦透镜060、反射镜070依次共线设置，接收组件030、第三聚焦透镜080、分束镜090依次共线设置，发射组件020和接收组件030并列设置在壳体010一侧，检测孔设置在与接收组件030相邻的一侧。壳体010内部光学器件布局合理，压缩了检测光路，进一步缩小了设备的体积。

如图2、3所示，本实施例中，限位结构为中空的锥形探嘴052。中空的锥形探嘴052与样品的接触面较小，可以适用于较不平整的样品150表面；其形状适应内部的检测光路040，在尽量缩小体积、便于携带的同时也不阻碍太赫兹波。锥形探嘴052材质为聚四氟乙烯。

如图2、3所示，本实施例中，壳体010连接有筒状手柄012，筒状手柄012通过中空的锥形连接结构013连接在壳体010设置有发射组件020和接收组件030的一侧。筒状手柄012方便手持，中空的锥形连接结构013可以充分利用空间收纳连接发射组件020和接收组件030的电线和光纤，保证连接的稳定性，进一步优化整体结构。

如图2、3所示，本实施例中，壳体010表面设置有显示屏014，用于显示样品信息。壳体010内设置有结构件，结构件有若干个安装固定孔位，用于固定各种光学器件，可以调节发射天线和接收天线的相对角度；通过螺钉加固，可以保证设备整体的稳定性。

如图4所示，本实施例中，一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，包括上述的太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，还包括激光器100、激光分束器110、第一耦合器120、第二耦合器130和光学延迟组件140；激光器100产生飞秒激光，激光分束器110将飞秒激光分为泵浦光和探测光，第一耦合器120将泵浦光耦合进发射组件020的发射天线，第二耦合器130将经过光学延迟组件140的探测光耦合进接收组件030的接收天线，光学延迟组件140用于改变探测光的光程。太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置体积小、方便移动、可手持使用，使用时无需移动太赫兹光纤光谱仪检测系统中的其他组件，灵活便捷，实用性强。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书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权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，用于检测样品信息，包括壳体、发射组件、接收组件，以及设置在所述壳体内、连接发射组件和接收组件的检测光路，所述壳体设置有检测孔，其特征在于，所述检测孔处设置有检测部，所述检测光路经过检测部，所述检测部包括第一聚焦透镜和中空的限位结构，所述第一聚焦透镜设置在检测孔中，所述限位结构连接壳体、包围检测孔且抵接样品表面，使所述第一聚焦透镜与样品表面之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述检测光路包括输入光路和输出光路，所述输入光路中设置有输入镜组，所述输出光路中设置有输出镜组；所述检测光路中还设置有分光器件，所述输入光路从发射组件出发依次经过输入镜组、分光器件、第一聚焦透镜到达样品表面。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述分光器件为分束镜，所述分束镜有一透射面和一反射面，所述反射面与第一聚焦透镜相对，所述输入光路穿过透射面，所述输出光路在反射面处反射，所述输入光路和输出光路至少在分束镜和样品表面之间重合。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述输入镜组包括第二聚焦透镜和反射镜，所述第二聚焦透镜正对发射组件，所述发射组件、第二聚焦透镜、反射镜依次共线设置。

5.根据权利要求3所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述输出镜组包括第三聚焦透镜，所述第三聚焦透镜正对接收组件，所述接收组件、第三聚焦透镜、分束镜依次共线设置。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述发射组件内设置有发射天线；所述接收组件内设置有接收天线，所述接收天线与输出光路之间设置有硅透镜。

7.根据权利要求6所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述壳体为盒状，所述发射组件和接收组件并列设置在壳体一侧，所述检测孔设置在与接收组件相邻的一侧。

8.根据权利要求1所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述限位结构为中空的锥形探嘴。

9.根据权利要求2所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，其特征在于，所述壳体连接有筒状手柄，所述筒状手柄通过中空的锥形连接结构连接在壳体设置有发射组件和接收组件的一侧。

10.一种太赫兹光纤光谱仪检测系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的一种太赫兹光纤光谱仪小型手持式检测探头装置，还包括激光器、激光分束器、第一耦合器、第二耦合器和光学延迟组件；所述激光器产生飞秒激光，所述激光分束器将飞秒激光分为泵浦光和探测光，所述第一耦合器将泵浦光耦合进发射组件的发射天线，所述第二耦合器将经过光学延迟组件的探测光耦合进接收组件的接收天线，所述光学延迟组件用于改变探测光的光程。

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