基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹波谱测量装置及其测量方法，尤其涉及一种基于衍射效应 的太赫兹波谱测量装置及波谱测量方法，属于远红外探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波(THz波)或称为太赫兹射线(THz射线)是从上个世纪80年代中后期，才被 正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波一般是指频率在O.lTHz到 1 OTHz范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm范围，介于微波与红外波范围之间。太赫兹波 的主要特性在于：（1)太赫兹波光子有较低的能量，不会在生物组织中引起光损伤及光化电 离；（2)由于物质的太赫兹光谱包含有丰富的物理和化学信息，如生物大分子的振动均在太 赫兹波段有很多特征峰，所以可以用来探索物质的结构成分；（3)太赫兹频段是可以自由利 用的频段，以太赫兹信号为宽带信息载体，可承载的信道比微波的多得多。正由于太赫兹波 的这些优点，它在通讯、传感、检测领域有广阔的应用前景。
[0003] 太赫兹波有很广阔的应用前景，因此需要有仪器可以进行太赫兹波谱分析。目前 常用的太赫兹波谱测量技术是太赫兹时域波谱技术。太赫兹时域波谱技术目前已经开始商 业化运作，世界范围内已经有多家企业生产商用太赫兹时域波谱仪，主要是美国，欧洲和日 本的厂家。太赫兹时域波谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的太赫兹 电场，通过对时域信号进行傅立叶变换获得太赫兹频域的波谱信息。进而可以通过特征频 率对物质结构、物性进行分析和鉴定。其中一个应用是可以作为药品质量监管。设想一下制 药厂的流水线上安装一台太赫兹波谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标 准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避 免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。
[0004] 但是，现有的太赫兹时域波谱仪及其波谱复原方法有很多缺点，如文献(张兴宁 等，太赫兹时域光谱技术，《激光与光电子学进展》，2005年7月，35~38页)所披露的设备和 技术。首先，现有的太赫兹时域波谱仪体积较大，在测量过程中需要通过光学平移台改变飞 秒激光的脉冲延时时间从而得到太赫兹波的时域信号，再通过傅里叶变换得到太赫兹波的 频域信号。因为测量过程中需要用到飞秒激光器、光学平移装置、各种反射镜等体积较大的 装置，使得整个装置体积较大，不够便携，而且太赫兹波的不可见性也使得光路搭建困难， 整个装置的成本较高。其次，由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、 位置的偏移等）的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如1 ns甚至 1 ns以上）的测量，从而直接限制了其频谱分辨能力(典型值3-50GHZ)。另外，基于机械时间 延迟装置的系统扫描速度比较慢，抗振动能力差。
[0005] 也有人基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去机械时间延迟装置，并有效 地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使系统能保持高的频谱分辨能力（典型值： 1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0. lms，多次扫描信噪比典型值:60dB@ 60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激光器的 重复频率（由典型值80MHz提高到了1 GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高（1 GHz 重复频率的理论频谱分辨率为1 GHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复频率 的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。
[0006] 因此，对于太赫兹波谱测量系统来说，要求同时实现小型化、低成本、高分辨率、宽 光谱、快速测量，用现有的技术很难实现。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的体积较大、成本较高、对 振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于衍射效应的太赫兹波 谱测量装置及太赫兹波谱测量方法。
[0008] 本发明采用的技术方案如下：
[0009] 基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置，包括衍射器件、衍射控制器、探测器和计算 处理单元，待测太赫兹波经由衍射器件后形成太赫兹频率的衍射波，衍射波在衍射控制器 的不同控制条件作用下，被探测器所接收;所述衍射器件可令不同频率的入射太赫兹波形 成不同的衍射波强度角分布，所述衍射控制器用来改变透过衍射器件的太赫兹衍射波在探 测器位置处的衍射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在衍射控制器不同控制条件作用 下被太赫兹波探测器所接收到的衍射波强度互不相同；所述计算处理单元用来接收探测器 的测量结果，并进行数据分析和处理。
[0010]所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于衍射器件之前的太赫兹波准直装置。
[0011] 进一步地，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个 透镜之间共同焦点处的小孔光阑；或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反 射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。
[0012] 所述衍射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变 衍射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射器 件与探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹波衍射波的场 强分布发生变化。
[0013] 优选地，所述衍射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述 本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度;所述衍 射控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光 图案信号照射在所述本征半导体的表面。
[0014] 优选地，所述衍射器件包括宽频可控液晶阵列，所述衍射控制器通过电场控制液 晶阵列不同部位液晶分子的排列，使得宽频太赫兹波在液晶阵列不同部位的透射率各不相 同，在透射率高的位置处透射出衍射波。
[0015]优选地，所述衍射器件包括金属平板或者金属薄膜，在金属平板或者金属薄膜上 有序或者无序分布有一个或者多个可以透过太赫兹波的衍射孔或衍射缝;所述衍射控制器 可以移动金属平板、金属薄膜或者探测器，控制金属平板或者金属薄膜与探测器之间的相 对位置或者放置角度。
[0016]进一步地，所述衍射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过 衍射装置后的太赫兹衍射波的传播方向发生变化;所述衍射控制器通过光调制、电调制、机 械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常 数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与衍射器件、探测器之间的相对位置或者放置角 度，从而使得探测器位置处的太赫兹波衍射波的场强分布发生变化。
[0017] 所述计算处理单元与所述衍射控制器可以进行数据交换，在衍射控制器每次控制 时，探测器自动记录数据，记录完成后，衍射控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控 制参数，使得探测器测到另一个值。
[0018] 本发明基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为η个频宽为△ f的频段，或者将探 测的波长范围等分为η个波长间隔为△ λ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为 fl，f2，…f m或者各波段的中心波长记为λι，λ2，…λη ;
[0020] 步骤2、令待测太赫兹波依次通过衍射器件和探测器，并通过所述衍射控制器的控 制，输出η个控制参数，在这η个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到η个不同的 测量值，用这η个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数 值，记为 Ρι，Ρ2，···Ρη;
[0021] 步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频率分量&32，一匕的大小？ (fl)，P(f2)，…P(fn)，或者通过矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λχ，λ2，…λ η的 大小Ρ(λ〇，Ρ(λ2)，…Ρ(λη):
[0022]
[0023] 谱曲线更加平滑。
[0029] 相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0030] (1)本发明中的太赫兹波谱测量方案完全避开采用傅里叶变换的方法，不需要昂 贵的仪器搭建复杂的光路。只需要一个简单的无序结构光学元件就可以对各个波长的太赫 兹波形成不同的衍射光场分布，从而实现波谱复原，因此整个装置的成本较低。
[0031] (2)本发明通过解方程组复原太赫兹波谱的方法使得光谱复原范围以及分辨率也 不再受机械装置移动范围和飞秒激光器重复频率的限制，因此分辨率较高、光谱复原范围 较宽。
[0032] (3)本发明的太赫兹波谱测量装置相比现有的太赫兹时域波谱测量装置体积较 小，便携性大大提尚。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明采用的太赫兹波谱频率划分方法，图中横坐标表示频率;纵坐标是归 一化太赫兹波谱强度；
[0034] 图2为本发明波谱测量装置的基本结构示意图，其中实心箭头表示数据传输方向， 虚线箭头表示可能存在的数据传输方向；
[0035] 图3为实施例1的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；
[0036] 图4(a)、(b)、（c)、（d)为四种激光光斑在半导体表面的分布图样；
[0037]图5为准直装置结构示意图；
[0038] 图6为实施例2的太赫兹波谱测量装置的结构示