[发明专利]基于衍射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

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

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0.1THz到10THz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。

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。

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l ns甚至l 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。

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0.1ms，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l GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(l GHz重复频率的理论频谱分辨率为l 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。

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

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。

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。