[发明专利]一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统

说明书

技术领域

本发明涉及光谱测量技术，特指一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统。

背景技术

太赫兹波段通常是指频率在0.1THz-10THz(波长3mm-30μm)范围内的电磁波，该波段位于毫米波和红外线之间，近20年来由于激光技术以及电子学外差混频技术的发展使得太赫兹波的产生和探测技术得到快速进步，同时由于太赫兹波本身的独特性能，主要通过使用太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术，使太赫兹技术已广泛应用于物理学、天文学、生物化学、医学、电子通讯等多种学科：如利用生物大分子、DNA等的转动吸收谱位于太赫兹波段的特性来研究得到生化反应中的分子运动信息；利用宇宙中大量存在的太赫兹波段的宇宙背景辐射来进行天文观测；利用太赫兹波的强透射能力和低电离特性进行食品安全检测以及医学辅助成像等；随着研究进展，太赫兹技术将在更多的领域发挥巨大的应用。

为获取样品在太赫兹波段的透射谱和反射谱特性，现有的太赫兹时域光谱系统在使用中有很大的局限性：专利申请号200620025319的“基于光学整流的太赫兹时域光谱仪”，其使用飞秒激光器利用光学整流的方法产生太赫兹脉冲并且进行测量，在使用中的主要问题是：1、测量时间长，整个测量过程中需要不停改变光学延迟线的参数，而调整是通过步进电机的机械调整方式，所花时间太长；2、频谱分辨率受时域采样点数量影响，而时域采样点数量由光学延迟线的最小步长决定，导致频谱分辨率偏低；3、测量结果受激光源功率抖动影响较大。专利申请号200710018042.8的“利用光学差频产生可调谐窄带太赫兹波的装置”，其所使用的可调激光器是半导体型连续光源，虽然经过光纤放大器放大但是功率较小，且主激光器是脉冲型激光器，相差频后产生的太赫兹脉冲峰值功率仍然偏小。

本发明充分考虑实际频谱测量对于功率、频谱分辨率以及测量时间的要求，基于非线性光学差频原理生成高功率且稳定的太赫兹源，设计合理可行的光学与机械结构，利用计算机进行精准控制，使用高莱探测器对太赫兹波进行双光路测量，最终实现高精度快速自动化测量样品太赫兹波段透射谱和反射谱特性的目的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种自动测量样品太赫兹波段光谱特性的系统，解决了时域光谱测量系统的测量时间过长和频谱分辨率过低的问题，同时探测源的高功率显著提高了测量的信噪比从而提高了测量精度，并使用双光路测量的方法消除了功率抖动的影响。

整个太赫兹波谱特性测量系统的技术方案为：

测量样品在太赫兹波段光谱特性的系统原理示意图如图1所示，由主泵浦激光源1、可调谐激光源2、光学延迟线3、第一近红外衰减片4和第二红外衰减片7、第一起偏器5和第二起偏器8、第一缩束镜6和第二缩束镜9、反射镜10、分光棱镜11、非线性差频模块12、太赫兹波准直模块13、滤波片14、分束镜15、透射式样品模块16、反射式样品模块17、第一远红外衰减片18和第二远红外衰减片19、第一高莱探测器20和第二高莱探测器21、电机控制器22、数字示波器23和计算机24组成。计算机、可调谐激光源、电机控制器、电动平台、高莱探测器、数字示波器以电连接方式传递控制和数据信号。非线性差频模块、太赫兹波准直模块、锗滤波片、分束镜、透射式样品模块、反射式样品模块、远红外衰减片、高莱探测器装置封装在隔光并充满干燥氮气的结构内。

主泵浦激光源1、可调谐激光源2的作用是产生合适波长的两差频光束。

光学延迟线3的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的脉冲重叠时间至最佳。

第一近红外衰减片4和第二近红外衰减片7的作用是调节激光光束的能量。

第一起偏器5和第二起偏器8的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的偏振方向，其中主泵浦激光源1的偏振方向调整为o光(相对于非线性晶体12.1主光轴)，可调谐激光源2的偏振方向调整为e光(相对于非线性晶体12.1主光轴)。

第一缩束镜6和第二缩束镜9的作用是调节主泵浦激光源1和可调谐激光源2的光束直径。

反射镜10的作用是调整主泵浦激光源1的光束方向。

分光棱镜11的作用是将两路激光调整成共线方向。

非线性差频模块12的作用是将两激光光束在非线性晶体12.1中进行光学差频，得到太赫兹波的出射，其中电动平台12.2的作用是调整非线性晶体12.1的光轴方向，使得和入射激光束的夹角满足相位匹配条件，其中使用的非线性晶体12.1是GaSe，其尺寸为10mm×10mm×20mm(xyz，z轴为主光轴)。