[发明专利]太赫兹频谱校准系统及方法

说明书

本发明涉及一种太赫兹频谱校准系统，包括激光光源、太赫兹波产生单元、探测单元、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具，该系统利用太赫兹波在标准量具内多次反射形成的周期性的标准量具振荡，对太赫兹时域光谱进行频率校准，并且，该系统通过引入准直光路，利用同源的准直光实现太赫兹波光路间接校准，使得太赫兹波与标准量具垂直，减小由非垂直入射引起的频谱误差，有效提高系统的准确性和可靠性。本发明还提供了一种太赫兹频谱校准方法，通过太赫兹频谱校准系统进行频谱校准，利用反向输入太赫兹光路的准直光调整太赫兹光路，使标准量具与太赫兹波垂直，减小标准量具对太赫兹倾斜角引起的频谱误差。

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹频谱校准系统及方法。

背景技术

太赫兹波通常是指波长从30微米到3毫米，频率从0.1到10太赫兹的电磁波。太赫兹波介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。因为太赫兹波处于光子学与电子学的过渡区域，所以它能够提供可见光或者微波等传统检测方式不能提供的信息，因此它在物理学、化学和生物医学等领域有着重大的应用前景。

在太赫兹波研究领域，太赫兹时域光谱技术是一项相当重要且用途广泛的技术。这项技术的原理是，首先将太赫兹脉冲和取样探测脉冲在探测器中混合，然后通过延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲之间的时间差，这个时间差能引起第三方参量的变化——如太赫兹脉冲感生双折射、太赫兹脉冲感生电流或者太赫兹脉冲感生二次谐波，探测这些第三方参量就可以探测出太赫兹脉冲波形，然后通过对太赫兹脉冲波形作傅里叶变换，就能得到太赫兹波的频谱信息。太赫兹时域光谱技术不仅能够提供太赫兹脉冲的飞秒量级的时间分辨波形，还可以提供相应的频域相位分布，测量得到物质的复折射率，为探索太赫兹脉冲和物质相互作用提供了更多的信息。太赫兹脉冲能够引起众多物理、化学和生物物质的旋转共振和振动共振，所以它们在太赫兹波段都具有特征吸收谱，通过这些特征吸收谱，可以判断物质的种类。

然而，太赫兹时域光谱通常受频率误差的影响。频率误差来源于时域波形的畸变，形成因素包括：延迟线位置误差、太赫兹或者探测脉冲的啁啾以及空间光变形导致的太赫兹泵浦脉冲和可见光探测脉冲光重合偏焦。畸变的时域波形通过傅里叶变换之后，这些因素对频率的影响往往会被放大，且导致的频率误差难以定量衡量。

目前，可通过水吸收线来衡量太赫兹频谱误差，但是，尽管水蒸气在太赫兹波段有几条已知窄吸收线，它们的相对振幅随着环境变化很大，如压力和湿度，这使其很难作为定量衡量标准。另一方面，很多线有双峰或者三峰，因此需要系统有很高分辨率才能分辨出峰值和线形。在2THz以上的水线非常密集，且太赫兹时域光谱在此频段的信噪比和动态范围急剧恶化，使得通过密集的水吸收峰来对频谱定标更具挑战性。也可用其他气体作为太赫兹频谱的衡量标准，如一氧化碳(CO)气体。一氧化碳在0.2-3THz之间有强烈的吸收线，吸收线间隔为114GHz，其频谱值已被详尽的研究和记录。HF、HCl和N₂O也可以作为校准频谱的标准，但是气体作为校准材料，存在不宜保存且频谱分辨率不可调的问题，仍然不是理想的频谱校准方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决目前进行太赫兹频谱校准时，误差容易受到环境干扰，可靠范围较窄，或作为衡量标准的物质不宜保存，谱线分辨率不可调的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹频谱校准系统，包括：激光光源、太赫兹波产生单元、探测单元、太赫兹光路、准直光路、透射反射片、分光元件和标准量具；

所述激光光源用于产生同源的泵浦光束和探测光束；所述太赫兹波产生单元用于接收泵浦光束以产生同源太赫兹波；所述太赫兹光路用于传输太赫兹波，使太赫兹波以45°角入射所述透射反射片并反射后，在所述探测单元聚焦；所述标准量具为固体平板；