專利名稱：一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測(cè)量技術(shù)，特指一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太赫茲波段通常是指頻率在0.1THz-10THz (波長3mm-30|nm)范圍內(nèi)的 電磁波，該波段位于毫米波和紅外線之間，近20年來由于激光技術(shù)以及電子 學(xué)外差混頻技術(shù)的發(fā)展使得太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)得到快速進(jìn)步，同時(shí)由 于太赫茲波本身的獨(dú)特性能，主要通過使用太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技 術(shù)，使太赫茲技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、天文學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子通訊 等多種學(xué)科如利用生物大分子、DNA等的轉(zhuǎn)動(dòng)吸收譜位于太赫茲波段的特 性來研究得到生化反應(yīng)中的分子運(yùn)動(dòng)信息；利用宇宙中大量存在的太赫茲波段 的宇宙背景輻射來進(jìn)行天文觀測(cè)；利用太赫茲波的強(qiáng)透射能力和低電離特性進(jìn) 行食品安全檢測(cè)以及醫(yī)學(xué)輔助成像等；隨著研究進(jìn)展，太赫茲技術(shù)將在更多的 領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用。
為獲取樣品在太赫茲波段的透射譜和反射譜特性，現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜 系統(tǒng)在使用中有很大的局限性專利申請(qǐng)?zhí)?00620025319的"基于光學(xué)整流 的太赫茲時(shí)域光譜儀"，其使用飛秒激光器利用光學(xué)整流的方法產(chǎn)生太赫茲脈 沖并且進(jìn)行測(cè)量，在使用中的主要問題是1、測(cè)量時(shí)間長，整個(gè)測(cè)量過程中 需要不停改變光學(xué)延遲線的參數(shù)，而調(diào)整是通過步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械調(diào)整方式，所 花時(shí)間太長；2、頻譜分辨率受時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)量影響，而時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)量由光學(xué)延遲線的最小步長決定，導(dǎo)致頻譜分辨率偏低；3、測(cè)量結(jié)果受激光源功率 抖動(dòng)影響較大。專利申請(qǐng)?zhí)?00710018042.8的"利用光學(xué)差頻產(chǎn)生可調(diào)諧窄帶 太赫茲波的裝置"，其所使用的可調(diào)激光器是半導(dǎo)體型連續(xù)光源，雖然經(jīng)過光 纖放大器放大但是功率較小，且主激光器是脈沖型激光器，相差頻后產(chǎn)生的太 赫茲脈沖峰值功率仍然偏小。
本發(fā)明充分考慮實(shí)際頻譜測(cè)量對(duì)于功率、頻譜分辨率以及測(cè)量時(shí)間的要 求，基于非線性光學(xué)差頻原理生成高功率且穩(wěn)定的太赫茲源，設(shè)計(jì)合理可行的 光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使用高萊探測(cè)器對(duì)太赫茲波進(jìn)行 雙光路測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)高精度快速自動(dòng)化測(cè)量樣品太赫茲波段透射譜和反射譜 特性的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 解決了時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間過長和頻譜分辨率過低的問題，同時(shí)探測(cè) 源的高功率顯著提高了測(cè)量的信噪比從而提高了測(cè)量精度，并使用雙光路測(cè)量 的方法消除了功率抖動(dòng)的影響。
整個(gè)太赫茲波譜特性測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)方案為
測(cè)量樣品在太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示，由主泵浦 激光源l、可調(diào)諧激光源2、光學(xué)延遲線3、近紅外衰減片4和7、起偏器5和 8、縮束鏡6和9、反射鏡IO、分光棱鏡ll、非線性差頻模塊12、太赫茲波準(zhǔn) 直模塊13、濾波片14、分束鏡15、透射式樣品模塊16、反射式樣品模塊17、 遠(yuǎn)紅外衰減片18和19、高萊探測(cè)器20和21、電機(jī)控制器22、數(shù)字示波器23 和計(jì)算機(jī)24組成。計(jì)算機(jī)、可調(diào)諧激光源、電機(jī)控制器、電動(dòng)平臺(tái)、高萊探 測(cè)器、數(shù)字示波器以電連接方式傳遞控制和數(shù)據(jù)信號(hào)。非線性差頻模塊、太赫茲波準(zhǔn)直模塊、鍺濾波片、分束鏡、透射式樣品模塊、反射式樣品模塊、遠(yuǎn)紅 外衰減片、高萊探測(cè)器裝置封裝在隔光并充滿干燥氮?dú)獾慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)。
主泵浦激光源1、可調(diào)諧激光源2的作用是產(chǎn)生合適波長的兩差頻光束。 光學(xué)延遲線3的作用是調(diào)節(jié)主泵浦激光源1和可調(diào)諧激光源2的脈沖重疊 時(shí)間至最佳。
近紅外衰減片4和7的作用是調(diào)節(jié)激光光束的能量。
起偏器5和8的作用是調(diào)節(jié)主泵浦激光源1和可調(diào)諧激光源2的偏振方向， 其中主泵浦激光源1的偏振方向調(diào)整為o光(相對(duì)于非線性晶體12. 1主光軸)， 可調(diào)諧激光源2的偏振方向調(diào)整為e光(相對(duì)于非線性晶體12. 1主光軸)。
縮束鏡6和9的作用是調(diào)節(jié)主泵浦激光源1和可調(diào)諧激光源2的光束直徑。
反射鏡10的作用是調(diào)整主泵浦激光源1的光束方向。
分光棱鏡11的作用是將兩路激光調(diào)整成共線方向。
非線性差頻模塊12的作用是將兩激光光束在非線性晶體12. 1中進(jìn)行光學(xué) 差頻，得到太赫茲波的出射，其中電動(dòng)平臺(tái)12.2的作用是調(diào)整非線性晶體12. 1 的光軸方向，使得和入射激光束的夾角滿足相位匹配條件，其中使用的非線性 晶體12. 1是GaSe，其尺寸為10mmX IO腿X20腿(xyz， z軸為主光軸)。
太赫茲波準(zhǔn)直模塊13的作用是準(zhǔn)直非線性差頻模塊12產(chǎn)生的太赫茲波 束，使得可以垂直入射樣品25。
鍺濾波片14的作用是將剩余的兩激光光束過濾掉，而將太赫茲波透射。
分束鏡15的作用是將太赫茲波分成等功率兩路， 一路進(jìn)入透射式樣品模 塊16或者反射式樣品模塊17， 一路進(jìn)入高萊探測(cè)器21進(jìn)行功率測(cè)量，使用雙 光路測(cè)量的方法消除功率抖動(dòng)影響。
透射式樣品模塊16的作用是對(duì)樣品25進(jìn)行透射譜測(cè)量的水平和垂直方向的位置控制。
反射式樣品模塊17的作用是對(duì)樣品25進(jìn)行反射譜測(cè)量的水平和垂直方向 的位置控制。
遠(yuǎn)紅外衰減片18的作用是調(diào)節(jié)太赫茲波的能量使得在高萊探測(cè)器20的探 測(cè)范圍內(nèi)。
遠(yuǎn)紅外衰減片19的作用是調(diào)節(jié)太赫茲波的能量使得在高萊探測(cè)器21的探 測(cè)范圍內(nèi)。
高萊探測(cè)器20的作用是測(cè)量太赫茲波的功率。 高萊探測(cè)器21的作用是測(cè)量太赫茲波的功率。
電機(jī)控制器22的作用是對(duì)非線性差頻模塊12、太赫茲波準(zhǔn)直模塊13、透 射式樣品模塊16、反射式樣品模塊17上的電動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制。
數(shù)字示波器23的作用是將高萊探測(cè)器20和高萊探測(cè)器21的探測(cè)結(jié)果進(jìn) 行直接顯示以及上傳給計(jì)算機(jī)24。
計(jì)算機(jī)24的作用是控制整個(gè)測(cè)量過程并進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，通過電機(jī)控制器 22控制電動(dòng)平臺(tái)的角度和位移參數(shù)，并對(duì)數(shù)字示波器23測(cè)量到的信息進(jìn)行處 理，從而得到樣品的透射譜或者反射譜。
由主泵浦激光源1、可調(diào)諧激光源2、光學(xué)延遲線3、近紅外衰減片4和7、 起偏器5和8、縮束鏡6和9、反射鏡10、分光棱鏡11、非線性差頻模塊12 實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧太赫茲波的產(chǎn)生；太赫茲波準(zhǔn)直模塊13、鍺濾波片14、分束鏡15、 透射式樣品模塊16或反射式樣品模塊17、遠(yuǎn)紅外衰減片18和19、高萊探測(cè) 器20和21實(shí)現(xiàn)樣品太赫茲波段的光譜特性測(cè)量；電機(jī)控制器22、數(shù)字示波器 23、計(jì)算機(jī)24根據(jù)測(cè)量要求進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)控制，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果計(jì)算并顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-1、 太赫茲源功率高，測(cè)量結(jié)果信噪比高，頻譜分辨率高；
2、 利用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)樣品進(jìn)行快速的光譜測(cè)量， 并可采用重復(fù)測(cè)量取平均值的方法提高測(cè)量精度；
3、 使用雙光路測(cè)量的方法消除了太赫茲功率抖動(dòng)對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。
4、 充干燥氮?dú)獗苊饬丝諝庵兴葘?duì)于測(cè)量的吸收影響，測(cè)量精度提高。


圖l為系統(tǒng)原理示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)l為主泵浦激光源、2為可調(diào)諧激光源、3為光學(xué)延遲線、4為 近紅外衰減片、5為起偏器、6為縮束鏡、7為近紅外衰減片、8為起偏器、9 為縮束鏡、IO為反射鏡、ll為分光棱鏡、12為非線性差頻模塊(12.1為非線 性晶體、12. 2為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái))、13為太赫茲波準(zhǔn)直模塊(13. 1為偏軸拋物面 反射鏡、13. 2為偏軸拋物面反射鏡、13. 3為電動(dòng)線性平移臺(tái))、14為鍺濾波片、 15為分束鏡、16為透射式樣品模塊(16.1為電動(dòng)線性平移臺(tái)、25為樣品)、 17為反射式樣品模塊(17. l為反射鏡、17.2為電動(dòng)線性平移臺(tái)、25為樣品)、 18為遠(yuǎn)紅外衰減片、19為遠(yuǎn)紅外衰減片、20為高萊探測(cè)器、21為高萊探測(cè)器、 22為電機(jī)控制器、23為數(shù)字示波器、24為計(jì)算機(jī)。圖l中粗線為光路，細(xì)線 為電路。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
由主泵浦激光源1出射的1064mn波長的脈沖激光依次經(jīng)光學(xué)延遲線3、 近紅外衰減片4、起偏器5、縮束鏡6后，與由主泵浦激光源1出射的355nm 波長激光泵浦的可調(diào)諧激光源2出射的1050nm-1080nm可調(diào)范圍的依次經(jīng)近紅 外衰減片7、起偏器8、縮束鏡9、反射鏡10調(diào)整后的脈沖激光在分光棱鏡11處調(diào)整成共線方向，然后通過非線性晶體12. 1 (電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12.2根據(jù)計(jì)算 機(jī)指令將非線性晶體12.1光軸方向轉(zhuǎn)至與激光光束為特定夾角)進(jìn)行光學(xué)差 頻，出射的光束依次通過太赫茲波準(zhǔn)直模塊13、鍺濾波片14、分束鏡15分成 兩路等功率的光束， 一路進(jìn)入透射式樣品模塊16 (透射過樣品25)或者進(jìn)入 反射式樣品模塊17 (先在反射鏡17. 1表面反射，然后在樣品25表面反射)， 然后經(jīng)遠(yuǎn)紅外衰減片18進(jìn)入高萊探測(cè)器20進(jìn)行測(cè)量，一路經(jīng)遠(yuǎn)紅外衰減片19 進(jìn)入高萊探測(cè)器21進(jìn)行測(cè)量，兩路測(cè)量信號(hào)傳給數(shù)字示波器23顯示，然后傳 給計(jì)算機(jī)24進(jìn)行軟件處理。計(jì)算機(jī)24給出系統(tǒng)參數(shù)指令，改變可調(diào)諧激光源 2的出射激光波長，通過電機(jī)控制器22控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12.2、電動(dòng)線性平移 臺(tái)13.3、電動(dòng)線性平移臺(tái)16. 1或者電動(dòng)線性平移臺(tái)17.2來改變非線性晶體 12.1、拋物面反射鏡13.2、樣品25的位置參數(shù)，然后進(jìn)行下一次的光譜特性
本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)一步描述如下 主要器件
a) 主泵浦激光器德國InnoLas公司生產(chǎn)的脈沖Nd:YAG激光器，型號(hào)為 SpitLight200/10，波長1064nm;
b) 可調(diào)諧激光器德國GWU公司生產(chǎn)的0P0激光器，型號(hào)為0P0 versaScan/120,調(diào)諧范圍412-2550nm，使用主泵浦激光器的355nm激光進(jìn)行泵 浦；
c) 起偏器美國Newport公司的偏振片，型號(hào)為05P309AR. 16，其工作 波段為960-1160nm;消光比為10000: 1;直徑為12. 7mm;
d) 分光棱鏡Thorlabs公司型號(hào)為BSOll的寬波段分束棱鏡，可用波段 為700-1100nm;e) 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)德國0wis公司的產(chǎn)品
f) 電動(dòng)線性平移臺(tái)德國0wis公司LTM型號(hào)
g) 分束鏡俄羅斯Tydex公司的THz波段分束鏡。
h) 高萊探測(cè)器俄羅斯Tydex公司所生產(chǎn)，有效探測(cè)口徑5mm，光譜范 圍15-2000fxm(0. 02-20THz),響應(yīng)速率30ms。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)，由主泵浦激光源(1)、可調(diào)諧激光源(2)、光學(xué)延遲線(3)、近紅外衰減片(4)(7)、起偏器(5)(8)、縮束鏡(6)(9)、反射鏡(10)、分光棱鏡(11)、非線性差頻模塊(12)、太赫茲波準(zhǔn)直模塊(13)、鍺濾波片(14)、分束鏡(15)、透射式樣品模塊(16)、反射式樣品模塊(17)、遠(yuǎn)紅外衰減片(18)(19)、高萊探測(cè)器(20)(21)、電機(jī)控制器(22)、數(shù)字示波器(23)和計(jì)算機(jī)(24)組成，其特征在于所述的測(cè)量系統(tǒng)具有非線性差頻模塊(12)，可以將主泵浦激光源(1)和可調(diào)諧激光源(2)的激光光束在非線性晶體(12.1)中進(jìn)行差頻從而產(chǎn)生高功率的太赫茲波；所述的測(cè)量系統(tǒng)具有透射式樣品模塊(16)和反射式樣品模塊(17)，可以對(duì)樣品(25)進(jìn)行太赫茲波段的透射或者反射特性的測(cè)量；所述的測(cè)量系統(tǒng)能夠根據(jù)所要測(cè)量頻率特性范圍自動(dòng)調(diào)整可調(diào)諧激光源(2)的波長從而改變太赫茲波的頻率；所述的測(cè)量系統(tǒng)用分束鏡(15)將太赫茲信號(hào)分成兩路信號(hào)，并用高萊探測(cè)器(20)(21)同時(shí)對(duì)兩路太赫茲信號(hào)進(jìn)行探測(cè)(雙光路探測(cè)消除功率抖動(dòng)影響)，用數(shù)字示波器(23)顯示并將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)(24)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的主泵浦激光源(1)是摻銣釔鋁石榴石型脈沖激光源，波 長固定在1064nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的可調(diào)諧激光源(2)是光學(xué)參量振蕩器脈沖型激光源，由 主泵浦激光源(1)的三倍頻355nm輸出激光泵浦，可調(diào)諧范圍在1050nm至 誦nm之間，步長小于0. lnm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)，其特征在于所述的非線性差頻模塊(12)由非線性晶體(12.1)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(12.2)組成，非線性晶體(12.1)固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(12.2)上，通過電 動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(12.2)的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制非線性晶體(12.1)與入射激光光束的夾角； 所述的非線性晶體(12.1)是GaSe。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的太赫茲波準(zhǔn)直模塊(13)由兩塊偏軸拋物面反射鏡(13. 1)、(13.2)、電動(dòng)線性平移臺(tái)(13.3)組成，拋物面反射鏡(13.1)位置固定， 拋物面反射鏡(13.2)固定在電動(dòng)線性平移臺(tái)(13.3)上，通過電動(dòng)線性平移 臺(tái)(13.3)來調(diào)整拋物面反射鏡(13.2)在水平面上的位置從而保證太赫茲波 垂直入射樣品(25);所述的太赫茲波準(zhǔn)直模塊(13)之后有鍺濾波片(14)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的透射式樣品模塊(16)由電動(dòng)線性平移臺(tái)(16.1)、樣品(25)組成，樣品(25)固定在電動(dòng)線性平移臺(tái)(16.1)上，通過電動(dòng)線性平 移臺(tái)(16.1)來控制樣品(25)在水平面和豎直面上的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的反射式樣品模塊(17)由反射鏡(17.1)、電動(dòng)線性平移 臺(tái)(17.2)、樣品(25)組成，反射鏡(17.1)位置固定，樣品(25)固定在 電動(dòng)線性平移臺(tái)(17.2)上，通過電動(dòng)線性平移臺(tái)(17.2)來控制樣品(25) 在水平面和豎直面上的位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)， 其特征在于所述的非線性差頻模塊(12)、太赫茲波準(zhǔn)直模塊(13)、鍺濾波 片(14)、分束鏡(15)、透射式樣品模塊(16)、反射式樣品模塊(17)、遠(yuǎn)紅外衰減片(18) (19)、高萊探測(cè)器(20) (21)和樣品(25)都封裝在充滿干 燥氮?dú)獾拿荛]結(jié)構(gòu)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自動(dòng)測(cè)量樣品太赫茲波段光譜特性的系統(tǒng)，具有頻譜分辨率高，測(cè)量速度快，測(cè)量結(jié)果信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以對(duì)樣品進(jìn)行太赫茲波段的掃描成像。該發(fā)明基于非線性光學(xué)差頻原理生成高功率且穩(wěn)定的太赫茲源，設(shè)計(jì)合理可行的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使用高萊探測(cè)器對(duì)太赫茲波進(jìn)行雙光路測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)高精度快速自動(dòng)化測(cè)量樣品太赫茲波段透射譜和反射譜特性的目的。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101551273SQ20091005179
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者云 侯, 儲(chǔ)君浩, 寧 戴, 沈?qū)W民, 彪 王, 嶸 舒, 陸金星, 黃志明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所