[发明专利]基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法。待测太赫兹波经由散射器件后形成太赫兹频率的散射波，散射波在散射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；散射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的散射波强度角分布，散射控制器用来改变透过散射器件的太赫兹散射波在探测器位置处的散射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下被探测器所接收到的散射波强度互不相同；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。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具有体积较小、易于制作、成本相对低廉，且频率分辨率高、光谱测量范围宽等优点。

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波谱测量设备与波谱测量方法，特别涉及一种通过散射效应进行分光测量太赫兹波谱的设备及波谱测量方法。属于波谱探测技术领域。

背景技术

随着太赫兹波(指频段范围为0.05～50THz，特别是0.1～10THz的电磁波)产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展。太赫兹波谱测量仪器是太赫兹波研究领域最重要的器件之一。使用太赫兹波谱测量仪器能获得被检测样品的太赫兹反射或透射波谱，所获太赫兹波谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广泛应用于生化检测、安全检查等诸多应用领域。

文献1(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)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的频谱图。

但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟装置。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lns甚至lns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。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。

文献2(A.Bartels，etc.，High-resolution THz spectrometer with kHz scanrates,0PITCS EXPRESS,Vol.14，No.1，pp.430～437)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它是一种异步光学采样(Asynchronous Optical Sampling)时域光谱测量方法。在文献2的方法中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量方法需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2的方法中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Δf，则在1/Δf的时间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的时域谱。