基于衍射效應(yīng)的太赫茲波譜測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲波譜測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，尤其涉及一種基于衍射效應(yīng) 的太赫茲波譜測(cè)量裝置及波譜測(cè)量方法，屬于遠(yuǎn)紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波(THz波)或稱為太赫茲射線(THz射線)是從上個(gè)世紀(jì)80年代中后期，才被 正式命名的，在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱為遠(yuǎn)紅外射線。太赫茲波一般是指頻率在O.lTHz到 1 OTHz范圍的電磁波，波長大概在0.03mm到3mm范圍，介于微波與紅外波范圍之間。太赫茲波 的主要特性在于：（1)太赫茲波光子有較低的能量，不會(huì)在生物組織中引起光損傷及光化電 離；（2)由于物質(zhì)的太赫茲光譜包含有豐富的物理和化學(xué)信息，如生物大分子的振動(dòng)均在太 赫茲波段有很多特征峰，所以可以用來探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分；（3)太赫茲頻段是可以自由利 用的頻段，以太赫茲信號(hào)為寬帶信息載體，可承載的信道比微波的多得多。正由于太赫茲波 的這些優(yōu)點(diǎn)，它在通訊、傳感、檢測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 太赫茲波有很廣闊的應(yīng)用前景，因此需要有儀器可以進(jìn)行太赫茲波譜分析。目前 常用的太赫茲波譜測(cè)量技術(shù)是太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)。太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)目前已經(jīng)開始商 業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)生產(chǎn)商用太赫茲時(shí)域波譜儀，主要是美國，歐洲和日 本的廠家。太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的太赫茲 電場(chǎng)，通過對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換獲得太赫茲頻域的波譜信息。進(jìn)而可以通過特征頻 率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。其中一個(gè)應(yīng)用是可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制 藥廠的流水線上安裝一臺(tái)太赫茲波譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo) 準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避 免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。
[0004] 但是，現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域波譜儀及其波譜復(fù)原方法有很多缺點(diǎn)，如文獻(xiàn)(張興寧 等，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》，2005年7月，35~38頁)所披露的設(shè)備和 技術(shù)。首先，現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域波譜儀體積較大，在測(cè)量過程中需要通過光學(xué)平移臺(tái)改變飛 秒激光的脈沖延時(shí)時(shí)間從而得到太赫茲波的時(shí)域信號(hào)，再通過傅里葉變換得到太赫茲波的 頻域信號(hào)。因?yàn)闇y(cè)量過程中需要用到飛秒激光器、光學(xué)平移裝置、各種反射鏡等體積較大的 裝置，使得整個(gè)裝置體積較大，不夠便攜，而且太赫茲波的不可見性也使得光路搭建困難， 整個(gè)裝置的成本較高。其次，由于機(jī)械裝置的移動(dòng)不可避免地導(dǎo)致光路(包括光斑的大小、 位置的偏移等）的改變，并且移動(dòng)幅度越大，改變?cè)酱?，使其難以進(jìn)行寬時(shí)間窗(如1 ns甚至 1 ns以上）的測(cè)量，從而直接限制了其頻譜分辨能力(典型值3-50GHZ)。另外，基于機(jī)械時(shí)間 延遲裝置的系統(tǒng)掃描速度比較慢，抗振動(dòng)能力差。
[0005] 也有人基于異步光學(xué)采樣的太赫茲時(shí)域光譜方法免去機(jī)械時(shí)間延遲裝置，并有效 地解決了掃描速度與頻譜分辨率之間的矛盾，使系統(tǒng)能保持高的頻譜分辨能力（典型值： 1GHz)的同時(shí)保持高的掃描速度(單次掃描典型時(shí)間0. lms，多次掃描信噪比典型值:60dB@ 60s)。但是，這種方法為了保證測(cè)量帶寬并解決頻率穩(wěn)定性問題，大幅提高了飛秒激光器的 重復(fù)頻率（由典型值80MHz提高到了1 GHz)，使其頻譜分辨力無法得到進(jìn)一步的提高（1 GHz 重復(fù)頻率的理論頻譜分辨率為1 GHz)。此外，為了提高探測(cè)帶寬，必須提高激光器重復(fù)頻率 的穩(wěn)定性，而進(jìn)一步提高重復(fù)頻率的穩(wěn)定性是相當(dāng)困難的。
[0006] 因此，對(duì)于太赫茲波譜測(cè)量系統(tǒng)來說，要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化、低成本、高分辨率、寬 光譜、快速測(cè)量，用現(xiàn)有的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的體積較大、成本較高、對(duì) 振動(dòng)敏感、分辨率不高、光譜測(cè)量范圍較窄等技術(shù)問題，提供一種基于衍射效應(yīng)的太赫茲波 譜測(cè)量裝置及太赫茲波譜測(cè)量方法。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 基于衍射效應(yīng)的太赫茲波譜測(cè)量裝置，包括衍射器件、衍射控制器、探測(cè)器和計(jì)算 處理單元，待測(cè)太赫茲波經(jīng)由衍射器件后形成太赫茲頻率的衍射波，衍射波在衍射控制器 的不同控制條件作用下，被探測(cè)器所接收;所述衍射器件可令不同頻率的入射太赫茲波形 成不同的衍射波強(qiáng)度角分布，所述衍射控制器用來改變透過衍射器件的太赫茲衍射波在探 測(cè)器位置處的衍射場(chǎng)分布，使得固定頻率的入射太赫茲波在衍射控制器不同控制條件作用 下被太赫茲波探測(cè)器所接收到的衍射波強(qiáng)度互不相同；所述計(jì)算處理單元用來接收探測(cè)器 的測(cè)量結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。
[0010]所述太赫茲波譜測(cè)量裝置還包括設(shè)置于衍射器件之前的太赫茲波準(zhǔn)直裝置。
[0011] 進(jìn)一步地，所述太赫茲波準(zhǔn)直裝置包括兩個(gè)共焦的太赫茲波透鏡以及設(shè)置于兩個(gè) 透鏡之間共同焦點(diǎn)處的小孔光闌；或者所述太赫茲波準(zhǔn)直裝置包括兩個(gè)共焦的太赫茲波反 射鏡以及設(shè)置于兩個(gè)反射鏡之間共同焦點(diǎn)處的小孔光闌。
[0012] 所述衍射控制器通過光調(diào)制、電調(diào)制、機(jī)械調(diào)制或者以上調(diào)制方法的組合，來改變 衍射器件中介質(zhì)的形狀、尺寸、分布、結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)、電導(dǎo)率或者折射率，或者改變衍射器 件與探測(cè)器之間的相對(duì)位置或者放置角度，從而使得探測(cè)器位置處的太赫茲波衍射波的場(chǎng) 強(qiáng)分布發(fā)生變化。
[0013] 優(yōu)選地，所述衍射器件包括等離子體頻率小于太赫茲波頻率的本征半導(dǎo)體，所述 本征半導(dǎo)體的表面與太赫茲波傳輸方向垂直或者與太赫茲波傳輸方向呈固定角度;所述衍 射控制器包括激光器和空間光調(diào)制器，激光器發(fā)出的激光通過空間光調(diào)制器呈現(xiàn)出的激光 圖案信號(hào)照射在所述本征半導(dǎo)體的表面。
[0014] 優(yōu)選地，所述衍射器件包括寬頻可控液晶陣列，所述衍射控制器通過電場(chǎng)控制液 晶陣列不同部位液晶分子的排列，使得寬頻太赫茲波在液晶陣列不同部位的透射率各不相 同，在透射率高的位置處透射出衍射波。
[0015]優(yōu)選地，所述衍射器件包括金屬平板或者金屬薄膜，在金屬平板或者金屬薄膜上 有序或者無序分布有一個(gè)或者多個(gè)可以透過太赫茲波的衍射孔或衍射縫;所述衍射控制器 可以移動(dòng)金屬平板、金屬薄膜或者探測(cè)器，控制金屬平板或者金屬薄膜與探測(cè)器之間的相 對(duì)位置或者放置角度。
[0016]進(jìn)一步地，所述衍射器件與探測(cè)器之間還設(shè)有折射器件，折射器件可以使得透過 衍射裝置后的太赫茲衍射波的傳播方向發(fā)生變化;所述衍射控制器通過光調(diào)制、電調(diào)制、機(jī) 械調(diào)制或者以上調(diào)制方法的組合，來改變折射器件中介質(zhì)的形狀、尺寸、分布、結(jié)構(gòu)、介電常 數(shù)、電導(dǎo)率或者折射率，或者改變折射器件與衍射器件、探測(cè)器之間的相對(duì)位置或者放置角 度，從而使得探測(cè)器位置處的太赫茲波衍射波的場(chǎng)強(qiáng)分布發(fā)生變化。
[0017] 所述計(jì)算處理單元與所述衍射控制器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在衍射控制器每次控制 時(shí)，探測(cè)器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，記錄完成后，衍射控制器自動(dòng)進(jìn)行下一次控制，即輸出另一個(gè)控 制參數(shù)，使得探測(cè)器測(cè)到另一個(gè)值。
[0018] 本發(fā)明基于衍射效應(yīng)的太赫茲波譜測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟1、將所述探測(cè)器所能探測(cè)的頻率范圍等分為η個(gè)頻寬為△ f的頻段，或者將探 測(cè)的波長范圍等分為η個(gè)波長間隔為△ λ的波段，n為大于3的整數(shù)，各頻段的中心頻率記為 fl，f2，…f m或者各波段的中心波長記為λι，λ2，…λη ;
[0020] 步驟2、令待測(cè)太赫茲波依次通過衍射器件和探測(cè)器，并通過所述衍射控制器的控 制，輸出η個(gè)控制參數(shù)，在這η個(gè)控制參數(shù)的作用下，可以使得所述探測(cè)器探測(cè)到η個(gè)不同的 測(cè)量值，用這η個(gè)控制參數(shù)下所述探測(cè)器所探測(cè)到的值分別減去環(huán)境噪聲后，得到一組數(shù) 值，記為 Ρι，Ρ2，···Ρη;
[0021] 步驟3、通過求解矩陣方程(1)得到待測(cè)太赫茲波中各頻率分量&32，一匕的大??？ (fl)，P(f2)，…P(fn)，或者通過矩陣方程(2)得到待測(cè)太赫茲波中各波長分量λχ，λ2，…λ η的 大小Ρ(λ〇，Ρ(λ2)，…Ρ(λη):
[0022]
[0023] 譜曲線更加平滑。
[0029] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0030] (1)本發(fā)明中的太赫茲波譜測(cè)量方案完全避開采用傅里葉變換的方法，不需要昂 貴的儀器搭建復(fù)雜的光路。只需要一個(gè)簡單的無序結(jié)構(gòu)光學(xué)元件就可以對(duì)各個(gè)波長的太赫 茲波形成不同的衍射光場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)波譜復(fù)原，因此整個(gè)裝置的成本較低。
[0031] (2)本發(fā)明通過解方程組復(fù)原太赫茲波譜的方法使得光譜復(fù)原范圍以及分辨率也 不再受機(jī)械裝置移動(dòng)范圍和飛秒激光器重復(fù)頻率的限制，因此分辨率較高、光譜復(fù)原范圍 較寬。
[0032] (3)本發(fā)明的太赫茲波譜測(cè)量裝置相比現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域波譜測(cè)量裝置體積較 小，便攜性大大提尚。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明采用的太赫茲波譜頻率劃分方法，圖中橫坐標(biāo)表示頻率;縱坐標(biāo)是歸 一化太赫茲波譜強(qiáng)度；
[0034] 圖2為本發(fā)明波譜測(cè)量裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖，其中實(shí)心箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸方向， 虛線箭頭表示可能存在的數(shù)據(jù)傳輸方向；
[0035] 圖3為實(shí)施例1的太赫茲波譜測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4(a)、(b)、（c)、（d)為四種激光光斑在半導(dǎo)體表面的分布圖樣；
[0037]圖5為準(zhǔn)直裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖6為實(shí)施例2的太赫茲波譜測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示