太赫茲源波長測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種太赫茲源波長測量裝置及方法，屬于光學測量與計量技術領域。其特點是，用太赫茲源、太赫茲光譜標定器、太赫茲反射光學系統、太赫茲法珀干涉腔體、太赫茲信號采集探測系統和計算機構建了太赫茲源波長測試裝置，實現對(0.3～10)THz波段范圍內太赫茲源波長參數的準確測試，解決了目前多種太赫茲源波長參數準確測試的難題，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
太赫茲源波長測量裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于光學計量技術領域，主要涉及一種太赫茲源測試裝置，尤其涉及一種 太赫茲源波長測量裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著太赫茲技術的飛速發展，國內外研制出了太赫茲自由電子激光器、太 赫茲量子級聯激光器、〇. 34THZ肖特基太赫茲源、0.22THZ返波管、行波管、光電導天線等多 種太赫茲源。太赫茲源是推動太赫茲科學技術迅速發展的關鍵所在，是太赫茲技術研究的 一個基礎和前提，在很大程度上決定了太赫茲技術的應用前景和發展潛力，是太赫茲技術 能否轉化為現實生產力的關鍵環節。波長參數是表征太赫茲源性能的關鍵指標，對太赫茲 成像系統目標識別概率和太赫茲通信信號檢測靈敏度具有重大影響。因此，迫切需要對太 赫茲源波長參數進行準確測量，為太赫茲成像系統、太赫茲通信系統、太赫茲源的研制和應 用提供量值保障。
[0003] 太赫茲輻射在電磁波譜中位于紅外和微波之間，所處位置特殊，并且具有紅外和 微波不具備的特性，因此成熟的適用于紅外和微波的光譜儀和波長計不能滿足太赫茲源波 長測試的需求。而且，目前的太赫茲源波長測試設備大多處于實驗室階段，無法廣泛開展太 赫茲源波長參數測試工作。另外，目前的太赫茲源波長測試設備無法實現(0.3~10)THz波 段太赫茲源的全覆蓋，且無法判斷測試結果的準確性。因此，必須建立覆蓋(0.3~10)THz波 段、可實現波長參數準確測量的太赫茲源波長測試裝置。本發明可解決該問題。
[0004] 華中科技大學設計了基于法珀干涉儀測量太赫茲波波長的方法，該方法采用兩個 平行放置的金屬網柵構成法珀干涉儀，通過采集法珀干涉儀兩金屬網柵的間距所對應的透 射光強，進行曲線擬合，得出相鄰兩個光強峰值的間距，從而計算出太赫茲波波長。這種方 法具有以下幾點不足:一、局限于不低于180μπι的太赫茲波段;二、只適用于單色性較好的太 赫茲輻射源波長的計算;三、采用手動方式控制金屬網柵間距，導致測量誤差大、效率低； 四、無法判斷測得的波長值的準確性。
[0005] 目前尚未看到有可覆蓋(0.3~10)ΤΗζ波段并實現波長參數準確測量的太赫茲源 波長測量裝置。
【發明內容】
[0006] 為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種太赫茲源波長測量裝置及方法， 該裝置基于八套覆蓋不同波段的太赫茲法珀干涉腔體，共同組成可覆蓋(0.3~10)ΤΗζ波段 的太赫茲源波長測量裝置，并且通過太赫茲光譜標定器，驗證實現了太赫茲源波長參數的 準確測量。
[0007] 本發明的技術方案為：
[0008] 所述一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:包括太赫茲源、太赫茲反射光學系 統、太赫茲信號采集探測系統和計算機；
[0009] 所述太赫茲源產生太赫茲輻射；
[0010] 所述太赫茲反射光學系統包括三個離軸拋物面鏡和太赫茲法珀干涉腔體組;太赫 茲源產生的太赫茲輻射經第一離軸拋物面鏡反射準直平行進入太赫茲法珀干涉腔體；
[0011] 所述太赫茲法珀干涉腔體組由八套覆蓋不同波段的太赫茲法珀干涉腔體組成，八 套覆蓋不同波段的太赫茲法珀干涉腔體共同覆蓋了 0.3~ΙΟΤΗζ波段;根據所測太赫茲源波 長將相應的一套太赫茲法珀干涉腔體移入光路中；每套太赫茲法珀干涉腔體包括一個電動 平移臺和兩只具備對太赫茲輻射反射和透射雙重功能的金屬網格平面鏡，兩只金屬網格平 面鏡平行放置，其中一只金屬網格平面鏡位置固定，另一只金屬網格平面鏡安裝在電動平 移臺，且能夠沿軸向移動進行光程調制；
[0012] 太赫茲法珀干涉腔體出射的太赫茲輻射經第二離軸拋物面鏡會聚后，又被第三離 軸拋物面鏡準直變成平行太赫茲輻射，進入太赫茲信號采集探測系統；
[0013] 所述太赫茲信號采集探測系統包括斬波器、高萊太赫茲探測器和鎖相放大器;斬 波器將第三拋物面鏡準直后的平行太赫茲輻射調制成周期變化的方波，高萊太赫茲探測器 接收方波信號后送入鎖相放大器；
[0014] 所述計算機控制電動平移臺的移動距離和精度，設置斬波器的斬波頻率，接收和 處理鎖相放大器的輸出信號得到太赫茲源波長值。
[0015] 進一步的優選方案，所述一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:還包括有太赫 茲光譜標定器;太赫茲光譜標定器包括一氧化碳氣體室和太赫茲氣體激光器，根據所測太 赫茲源波長將一氧化碳氣體室或太赫茲氣體激光器移入光路中；太赫茲光譜標定器處于第 一離軸拋物面鏡與太赫茲法珀干涉腔體之間;太赫茲源發出的太赫茲輻射經離軸拋物面鏡 反射準直平行后穿過太赫茲光譜標定器到達太赫茲法珀干涉腔體。
[0016] 進一步的優選方案，所述一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:一氧化碳氣體 室兩端用聚四氟乙烯窗口密封。
[0017] 利用上述裝置進行太赫茲源波長測量的方法，其特征在于：移動位置可移動的金 屬網格平面鏡;通過測量得到位置可移動的金屬網格平面鏡的掃描長度L以及太赫茲法珀 干涉腔體產生的干涉條紋的變化量△ m;根據公式
[0018]
[0019] 計算得到被測太赫茲源波長值λ，其中n為兩只金屬網格平面鏡間介質的折射率。
[0020] 進一步的優選方案，所述一種太赫茲源波長測量方法，其特征在于:將太赫茲輻射 穿過太赫茲光譜標定器后出現的吸收光譜與太赫茲光譜標定器已知的特征吸收光譜進行 比對，判斷對太赫茲源的波長測量是否準確。
[0021] 有益效果
[0022] 本發明的整體技術效果體現在：1)本發明裝置采用八組太赫茲法珀干涉腔體覆蓋 不同的太赫茲波段，實現(0.3~10)ΤΗζ范圍內太赫茲源波長參數的測試;2)本發明裝置優 選帶有太赫茲光譜標定器，太赫茲源發出的太赫茲輻射經過太赫茲光譜標定器出現吸收光 譜，將出現的吸收光譜與太赫茲光譜標定器已知的特征吸收光譜進行比對，判斷測得的波 長值是否準確。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明太赫茲源波長測試裝置的構成示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及優選實施例對本發明作進一步的詳述。
[0025] 如圖1所示，太赫茲源波長測試裝置的優選實例主要包括太赫茲源1、太赫茲光譜 標定器2、太赫茲反射光學系統3、太赫茲信號采集探測系統4和計算機5。
[0026] 太赫茲源1采用飛秒激光器激發光電導天線方式產生寬波段太赫茲輻射。
[0027] 太赫茲光譜標定器2包括一氧化碳氣體室2-1和太赫茲氣體激光器2-2, 一氧化碳 氣體2-1在(0.3~2.5)THz波段具有國際公認的特征吸收光譜;太赫茲氣體激光器2-2的不 同介質分子在(2.5~10)THz波段具有已知的特征吸收光譜。太赫茲源1發出的太赫茲輻射 經離軸拋物面鏡3-1反射進入太赫茲光譜標定器2,太赫茲輻射穿過太赫茲光譜標定器2后 會出現吸收光譜，將出現的吸收光譜與太赫茲光譜標定器2已知的特征吸收光譜進行比對， 判斷對太赫茲源1的波長測試是否準確。一氧化碳氣體室2-1兩端用聚四氟乙烯窗口密封， 聚四氟乙烯窗口在整個太赫茲波段具有高達90%以上的透過率，對太赫茲波的損耗很小， 一氧化碳氣體室2-1充入的是具有一定壓強的一氧化碳氣體，在充入一氧化碳氣體之后米 用盲板和0型圈將一氧化碳氣體室2-1密封以保持穩定的氣壓。太赫茲氣體激光器2-2采用 愛丁堡公司生產的FIRL100太赫茲氣體激光器。
[0028]太赫茲反射光學系統3包括第一離軸拋物面鏡3-1、位置固定的金屬網格平面鏡3-2、位置可移動的金屬網格平面鏡3-3、一維電動平移臺3-4、第二離軸拋物面鏡3-5、第三離 軸拋物面鏡3-6;位置固定的金屬網格平面鏡3-2和位置可移動的金屬網格平面鏡3-3平行 放置，構成太赫茲法珀干涉腔體。太赫茲法珀干涉腔體組分為覆蓋不同波長范圍的八套太 赫茲法珀干涉腔體，根據所測太赫茲源波長將相應的一套太赫茲法珀干涉儀移入光路中； 金屬網格平面鏡3-2和3-3具備對太赫茲波的反射和透射雙重功能，位置可移動的金屬網格 平面鏡3-3固定在一維電動平移臺3-4上，通過一維電動平移臺3-4控制其移動進行光程調 制。太赫茲波透過固定的金屬網格平面鏡3-2后在兩個金屬網格平面鏡之間進行多次反射， 形成了多光束干涉，從位置可移動的金屬網格平面鏡3-3透射的多光束干涉信號送入太赫 茲信號采集探測系統4，波長值按照以下公式計算：
[0029]
⑴
[0030]其中，λ為被測太赫茲源波長值，η為兩只金屬網格平面鏡間介質的折射率，L = cU-dm為位置可移動的金屬網格平面鏡3-3的掃描長度，cU為位置可移動的金屬網格平面鏡3-3 移動后兩只金屬網格平面鏡的間距，dm為位置可移動的金屬網格平面鏡3-3尚未移動時兩 只金屬網格平面鏡的間距，Amin/-m為產生的干涉條紋數變化量，π/為位置可移動的金屬 網格平面鏡3-3移動后太赫茲法珀干涉腔體產生的干涉條紋數，m為位置可移動的金屬網格 平面鏡3-3尚未移動時太赫茲法珀干涉腔體產生的干涉條紋數。根據金屬網格平面鏡的設 計參數，太赫茲波長測量分為覆蓋八個不同太赫茲波段的八組太赫茲法珀干涉腔體，每組 對應兩只金屬網格平面鏡，根據波段范圍將對應的兩只金屬網格平面鏡組移入干涉儀腔體 中，八組太赫茲法珀干涉腔體實現(0.3~10)THz波段的覆蓋。
[0031] 第一離軸拋物面鏡3-1、第二離軸拋物面鏡3-5和第三離軸拋物面鏡3-6材料為超 硬鋁，表面鍍制金反射膜，在ITHz處反射率大于99.5%，第一離軸拋物面鏡3-1和第二離軸 拋物面鏡3-5通光孔徑為50.8mm，焦距為101.6mm;第三離軸拋物面鏡3-6通光孔徑為 12.7mm，焦距為25.4mm。位置固定的金屬網格平面鏡3-2和位置可移動的金屬網格平面鏡3-3通光孔徑為50.6mm，反射率為95 %~97%，形成的干涉條紋精細度為30~100。一維電動平 移臺3-4掃描速度為0.0 lmm/s，掃描時間為800s，時間分辨率為0.3μπι。
[0032] 太赫茲信號采集探測系統4包括斬波器4-1、高萊太赫茲探測器4-2和鎖相放大器 4-3。太赫茲源1發出的太赫茲輻射經第一離軸拋物面鏡3-1準直平行后穿過太赫茲光譜標 定器2到達太赫茲法珀干涉腔體，太赫茲法珀干涉腔體出射的太赫茲輻射經第二離軸拋物 面鏡3-5會聚后，又被第三離軸拋物面鏡3-6準直后變成平行太赫茲輻射，斬波器4-1將第三 拋物面鏡3-6準直后的平行太赫茲輻射調制成周期變化的方波，高萊太赫茲探測器4-2接收 方波信號后送入鎖相放大器4-3。斬波器4-1采用美國斯坦福公司生產的SR540光學斬波系 統，斬波調制頻率范圍為40Hz~3.7kHz，調制頻率穩定精度為0.05Hz;高萊太赫茲探測器4-2采用俄羅斯Tydex公司成產的型號為GC-1T的高萊太赫茲探測器，光譜范圍為(0.02~20) THz，響應速度為30ms，窗口材料為高密度聚乙烯;鎖相放大器4-3采用美國斯坦福公司生產 的SR830數字鎖相放大器，時間常數為10ys至30ks。
[0033] 計算機5具有控制一維電動平移臺3-4移動距離和精度、設置斬波器4-1的斬波頻 率、實現數據采集處理的功能。計算機5接收和處理鎖相放大器4-3的輸出信號得到太赫茲 源波長值。
【主權項】
1. 一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:包括太赫茲源、太赫茲反射光學系統、太 赫茲信號采集探測系統和計算機； 所述太赫茲源產生太赫茲福射； 所述太赫茲反射光學系統包括Ξ個離軸拋物面鏡和太赫茲法巧干設腔體組;太赫茲源 產生的太赫茲福射經第一離軸拋物面鏡反射準直平行進入太赫茲法巧干設腔體； 所述太赫茲法巧干設腔體組由八套覆蓋不同波段的太赫茲法巧干設腔體組成，八套覆 蓋不同波段的太赫茲法巧干設腔體共同覆蓋了 0.3~lOTHz波段;根據所測太赫茲源波長將 相應的一套太赫茲法巧干設腔體移入光路中；每套太赫茲法巧干設腔體包括一個電動平移 臺和兩只具備對太赫茲福射反射和透射雙重功能的金屬網格平面鏡，兩只金屬網格平面鏡 平行放置，其中一只金屬網格平面鏡位置固定，另一只金屬網格平面鏡安裝在電動平移臺， 且能夠沿軸向移動進行光程調制； 太赫茲法巧干設腔體出射的太赫茲福射經第二離軸拋物面鏡會聚后，又被第Ξ離軸拋 物面鏡準直變成平行太赫茲福射，進入太赫茲信號采集探測系統； 所述太赫茲信號采集探測系統包括斬波器、高萊太赫茲探測器和鎖相放大器;斬波器 將第Ξ拋物面鏡準直后的平行太赫茲福射調制成周期變化的方波，高萊太赫茲探測器接收 方波信號后送入鎖相放大器； 所述計算機控制電動平移臺的移動距離和精度，設置斬波器的斬波頻率，接收和處理 鎖相放大器的輸出信號得到太赫茲源波長值。2. 根據權利要求1所述一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:還包括有太赫茲光譜 標定器;太赫茲光譜標定器包括一氧化碳氣體室和太赫茲氣體激光器，根據所測太赫茲源 波長將一氧化碳氣體室或太赫茲氣體激光器移入光路中；太赫茲光譜標定器處于第一離軸 拋物面鏡與太赫茲法巧干設腔體之間;太赫茲源發出的太赫茲福射經離軸拋物面鏡反射準 直平行后穿過太赫茲光譜標定器到達太赫茲法巧干設腔體。3. 根據權利要求2所述一種太赫茲源波長測量裝置，其特征在于:一氧化碳氣體室兩端 用聚四氣乙締窗口密封。4. 利用權利要求2所述裝置進行太赫茲源波長測量的方法，其特征在于:移動位置可移 動的金屬網格平面鏡;通過測量得到位置可移動的金屬網格平面鏡的掃描長度LW及太赫 茲法巧干設腔體產生的干設條紋的變化量Am;根據公式計算得到被測太赫茲源波長值λ，其中η為兩只金屬網格平面鏡間介質的折射率。5. 根據權利要求4所述一種太赫茲源波長測量方法，其特征在于:將太赫茲福射穿過太 赫茲光譜標定器后出現的吸收光譜與太赫茲光譜標定器已知的特征吸收光譜進行比對，判 斷對太赫茲源的波長測量是否準確。
【文檔編號】G01J9/02GK105973481SQ201610531988
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】趙寶珍, 解琪, 李宏光, 楊鴻儒, 馬世幫, 孫宇楠, 汪建剛
【申請人】西安應用光學研究所