一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计及其测试方法与流程

本发明涉及一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计及其测试方法，可用于技术领域。

背景技术：

太赫兹(terahertz，thz)波是频率在0.1-10thz(1thz＝10¹²hz，对应波长是3000-30μm)之间的电磁波。由于thz波具有独特优势：较低的光子能量，适合对生物组织进行活体检查；很多凝聚态物质和生物大分子的骨架振动和转动能级、许多分子间弱的相互作用(氢键等)都处于thz频带；许多非金属、非极性材料对thz波的吸收较小，具有高透性；与可见光和红外线相比，thz波同时具有极高的方向性和较强的云雾穿透能力，能实现gbit/s以上的无线传输速率，受环境噪声干扰小等，使得处于当今世界交叉学科前沿的thz科学技术，在安全检查、生物医学、无损探测、高速通信诸多领域具有重要的应用前景。作为thz系统的关键核心器件thz探测器，对其性能的提升和研发新型thz探测器至关重要。

当前各类thz探测器中，非相干探测仅能探测thz强度，相干探测需要本地振荡信号源；而另一种对thz超短脉冲的时域测量常采用光电导天线采样或利用非线性晶体的电光探测方法；thz近场探测，一般还需探针。以上主要都以电学探测为主，所需电路系统结构复杂，成本昂贵，应用范围受到一定限制，且许多性能指标已接近理论极限。基于热效应的高莱探测器(golaycell)可以通过光学方法间接地测量thz辐射，其响应波段宽，且能在室温下工作，但使用时为确保其气室中气体的稳定性，位置相对固定，最大探测功率也比较低，例如目前tydex公司的一款基于golay的thz功率计仅达10μw，且反应时间长，一般只用于辐射变化缓慢的场合。目前急需一种成本低，结构简单，有广泛市场的新型thz探测器。受益于可见光波段高灵敏的探测技术，可把thz辐射转换为可见光，通过分析可见光的变化特性得到thz波的频率、振幅、相位和偏振等多参量相关特性。因此，通过光学方法测量thz辐射，仍有很大的空间可以开拓。近年来，已经出现了使用胆甾型液晶(clc)的替代热检测技术。keilmann和renk首次展示了用于337μm辐射的clc成像仪。woolard等人报道了一种用于太赫兹量子级联激光器的clc成像仪，但两者都是单频thz辐射，实用性能低。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计及其测试方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计，所述可视化太赫兹功率计包括随thz强度的改变产生肉眼可见颜色区域变化的胶囊型胆甾相液晶薄膜，所述胶囊型胆甾相液晶薄膜包括三层结构，由上往下依次为丙烯酸树脂膜、胆甾相液晶和炭黑。

优选地，所述胆甾相液晶分散在有机溶剂中，直接涂覆在丙烯酸树脂层上。

优选地，所述炭黑粘附在胆甾相液晶的背面。

优选地，所述胆甾相液晶的直径为10～20μm的液滴胶囊。

本发明还揭示了一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计的测试方法，该方法包括如下步骤：

s1：采用热释电探测器对太赫兹计的辐射功率进行校准；

s2：采用智能装置对不同thz功率下的图像进行图像拍摄；

s3：利用imagej软件对s2步骤得到的基于色调的cclcf图像进行分析处理，对所得图像的色调值进行提取，对色调值进行量化分析，即得到量化颜色变化的图像，通过cclcf颜色变化的区域来量化thz波强度得到与thz功率的对应关系。

优选地，在所述s2步骤中，所述智能装置为带有蓝牙的智能装置。

优选地，在所述s3步骤中，所述软件为imagej软件。

优选地，在所述s3步骤中，thz场阈值约为0.07mw，此时可以产生肉眼可见的颜色变化，当大于该阈值时，颜色变化直径与thz功率具有近似线性的关系。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

利用温度敏感的clc的热致变色效应和热扩散效应，通过cclcf颜色变化的区域来量化thz波强度，且这种变化肉眼可见，因此不需要任何额外的电子设备、电源或连接电缆，这种设备结构简单，便于制备携带。

在高thz功率密度下，热色效应和热扩散效应始终同时存在于clc中。因此，该设备不受颜色变化饱和的限制。这种热检测技术具有稳定、实用、易于研究的特点。

制备的cclcf薄膜具有柔韧性和压力不敏感性，因此易于扩展操作，制备方法简便、高效，在室温下使用方便、有效，器件性能稳定，各项指标均达到太赫兹光子器件的实用要求。

本发明为一种能实现测量非常高的thz功率密度的太赫兹波功率计，该功率计可以在较宽的频率范围内检测thz强度，在thz成像、生物传感和检测等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计cclcf的示意图。

图2为本发明的温度对cclcf的thz吸收光谱的影响图。

图3为本发明的基于cclcf对一种太赫兹源的功率进行测试的测试系统图。

图4为本发明的基于cclcf对一种太赫兹源的功率进行测试示意图，thz光束通过离轴抛物面镜(pm)被聚焦到cclcf上。

图5为本发明的基于cclcf对一种太赫兹源的功率进行测试示意图，测量的thz瞬态波形和其傅立叶频谱特性。

图6为本发明的使用带有蓝牙的智能手机相机在不同太赫兹强度下拍摄的示意图。

图7为本发明的显示不同太赫兹波辐照时间下的颜色变化情况。

图8为本发明的显示不同太赫兹波辐照时间下的颜色变化情况。

图9为本发明的当太赫兹辐射1秒时，thz功率与瞬态颜色变化面积之间的关系图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计，所述可视化太赫兹功率计包括随thz强度的改变产生肉眼可见颜色区域变化的胶囊型胆甾相液晶薄膜，所述胶囊型胆甾相液晶薄膜10包括三层结构，由上往下依次为丙烯酸树脂膜1、胆甾相液晶2和炭黑3。所述胶囊型胆甾相液晶薄膜简称为cclcf(capsulizedcholestericliquidcrystalfilm)。

所述胆甾相液晶分散在有机溶剂中，直接涂覆在丙烯酸树脂层上，所述炭黑粘附在胆甾相液晶的背面，所述胆甾相液晶的直径为10～20μm的液滴胶囊。

本发明还揭示了一种基于胆甾相液晶的可视化太赫兹功率计的测试方法，该方法包括如下步骤：

s1：采用热释电探测器对太赫兹计的辐射功率进行校准；

s2：采用智能装置对不同thz功率下的图像进行图像拍摄；在所述s2步骤中，所述智能装置为带有蓝牙的智能装置。

s3：利用imagej软件对s2步骤得到的基于色调的cclcf图像进行分析处理，对所得图像的色调值进行提取，对色调值进行量化分析，即得到量化颜色变化的图像，通过cclcf颜色变化的区域来量化thz波强度得到与thz功率的对应关系。在所述s3步骤中，所述软件为imagej软件，thz场阈值约为0.07mw，此时可以产生肉眼可见的颜色变化，当大于该阈值时，颜色变化直径与thz功率具有近似线性的关系。

clc具有螺旋结构的固有自组织能力，其螺距取决于温度，而选择性反射波长取决于螺距。太赫兹辐射会引起clc温度的升高，从而改变螺距。因此，利用太赫兹辐射的局部吸收产生的热量来提高cclcf的温度。此时，cclc的螺距缩短，同时导致肉眼可见的颜色变化和面积的增加。特别是当太赫兹辐射被聚焦时，高thz功率密度下很清楚地显示出颜色变化的扩散现象。通过分析图像，进而测量thz辐射。胆甾相液晶简称为clc，英文名称为：cholestericliquidcrystal。

本发明利用cclcf在不同的thz功率下有不同响应的特性，实现了thz功率的定量可视化。具体实现技术方案为：

设计制备胆甾相液晶薄膜cclcf，该结构由三层组成，中间层是封装成直径10μm～20μm的clcs液滴，将其分散在有机溶剂中并直接涂覆在丙烯酸树脂层上，为方便观察颜色的变化，将炭黑层从背面粘附到中间层上以形成完整的cclcf结构，其尺寸大小设计为1.5cm×2.5cm。

为实现thz功率的定量可视化，必须使用温度超灵敏的胆甾相液晶clc。如图2所示，图2为温度对cclcf的thz吸收光谱的影响图，图2中的纵坐标表示吸收率，横坐标表示频率。cclcf热致变色液晶对温度超灵敏，图2中的曲线表示不同温度下的thz吸收谱，整个thz吸收区域为0-3thz。如图2所示，在23.8℃的室温下，反射光为绿色，当温度达到25.5℃时颜色变为蓝色即饱和色，此时的温度仅增加了1.7℃。温度为25.5℃时cclcf对thz的吸收率略大于温度为23.8℃时的吸收率，表明cclcf对thz吸收几乎与温度无关。thz吸收光谱的振荡是由cclcf的多次反射引起的干涉效应，太赫兹辐射会引起clc温度的升高，从而改变螺距。因此，可以通过测量反射波长来检测thz功率。同时由thz波引起clc的颜色变化可通过肉眼直接观察到。而且在高thz功率密度下，利用clc中的热扩散效应能够不受颜色饱和的限制，尤其适用于探测高功率thz波。

具体测试系统如附图3所示，该测试系统包括光栅30、透镜l1、透镜l2、离轴抛物面镜pm1、pm2、pm3、linbo3晶体50、滤光片60和thz偏振器70。该系统用于产生thz源，胶囊型胆甾相液晶薄膜用于测得该系统的功率。

thz源由飞秒激光器泵浦linbo3晶体，采用倾斜波前法产生。飞秒激光器legendelite(图中未显示)，中心波长为800nm，光功率为4w，脉冲宽度100fs，重复频率为1khz。飞秒激光泵浦脉冲通过光栅，透镜l1-l2入射到铌酸锂晶体，从铌酸锂晶体中产生的thz通过离轴抛物面镜pm1、pm2、pm3聚焦。胶囊型胆甾相液晶薄膜放置于焦点处进行测试。黑色聚丙烯滤光片用于阻挡多余的泵浦激光和伴随thz产生的其他辐射。通过旋转thz偏振器可改变thz的源强度。采用带有无线蓝牙技术的智能手机相机拍摄图像，不仅方便，而且还能实现移动检测。因为cclcf对温度的敏感特性，需要将温度控制在一定的室温下，这里cclcf的初始温度为23.8℃。

图4为thz瞬态波形图，图4的纵坐标表示thz电场强度，横坐标表示时间。图4表示为thz光束通过离轴抛物面镜(pm)被聚焦到cclcf上。用thz相机(irv-t0831，nec)获得的thz光束光斑大约300μm。采用工业热释电探测器(thz-5b-mt，gentec-eo)对太赫兹辐射功率进行校准和测量，得到系统中最大平均thz功率(pmax)为2.6mw。因此，最大thz功率密度可高达4.0×10³mw/cm²。图5表示为测量的thz瞬态波形和其傅立叶频谱特性，从图5可直观看出光谱范围主要集中在0-1thz之间，图5的纵坐标表示thz强度，横坐标表示频率。

实施例1：

本实施例为在热平衡状态下，thz功率大小和响应时间与cclcf颜色变化直径的关系。如图6显示了不同thz功率下的直接可视化，图像显示由于thz强度的增加而出现明显的温度增长和热扩散，颜色变化直径增大。为便于图像分析，利用imagej软件对基于色调的cclcf图像进行处理。图7表示在热平衡状态下，颜色变化的直径随太赫兹功率的增加而增大，图7给出了稳态下，颜色变化直径与thz功率之间的关系。图7的纵坐标表示颜色变化区域的直径，横坐标表示thz功率。可检测的thz场阈值约为0.07mw，此时可以产生肉眼可见的颜色变化。当大于阈值时，直径与thz功率具有近似线性的关系。即使thz功率密度超过4.0×10³mw/cm²，薄膜仍能很好地工作。响应时间与thz功率之间的关系如图8所示，图8的纵坐标表示颜色变化区域的直径，横坐标表示时间。图8表示在1.3mw和2.6mw的太赫兹辐射下，变化颜色的直径随着响应时间的增加而增大，从图8中可以看到在热平衡状态下cclcf在不同的thz功率下有不同的响应。热扩散在高thz功率下比在低thz功率时快，但稳定直径大得多，因此响应时间较慢。在thz功率最大为2.6mw时，达到平衡需要大约30秒，而在1.3mw时，稳定时间约为15秒。插图所示的是在2、5、28和30秒的辐射时间下，由相机拍摄的2.6mw以下的图像，直观地表明了直径变化随响应时间的增加。

实施例2：

本实施例为在瞬态状态下，太赫兹辐射1秒时，thz功率与瞬态颜色变化面积的关系。具体的结构设计如附图1所示，制备方式与实施例1相同。瞬态检测可以通过在热平衡之前的一个时间点的测量而快速获得thz功率。通过旋转线栅改变thz功率，并检测区域的颜色变化。当线栅偏振器θ＝0°时(与thz波的偏振平行)，没有thz透射。然后，将偏振器角度改变为40°、60°和80°，从用智能手机拍摄的插图中获得辐射图像。图9的纵坐标表示thz功率，横坐标表示颜色变化区域的面积。图9为当太赫兹辐射1秒时，thz功率与瞬态颜色变化面积之间的关系图，从图9可以看到，cclcf面积变化对不同的太赫兹功率明显不同。这里是基于数字值为122的色调进行的图像分析。基于这种快速测量方法不仅得到thz强度与颜色变化的面积成正比的关系，还获得了thz功率与颜色变化面积近似抛物线关系的定量评价。

该设备和测试方法都比较简便高效，尤其能够探测强thz波功率，利用clc的热色效应和热扩散效应来量化由thz吸收引起的颜色变化区域尺寸的增加。该设备不受颜色变化饱和的限制，并且稳定实用，不需要任何额外的组件来测量温度。

本技术方案其利用胶囊型胆甾相液晶薄膜(cclcf)的热致变色效应和热扩散效应，在不同功率的thz波辐照下，通过量化肉眼可见的cclcf颜色变化区域，探测thz波强度，从而实现了一种可视化的thz波功率计。这种新型thz功率计具有柔性可弯曲、成本低、便于携带等特性，可用于thz成像，thz生物传感和thz检测等领域，具有广泛的应用前景。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。