太赫兹吸收谱的测试样品架、切换式测试系统和测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电测量领域，特别是指一种太赫兹吸收谱的测试样品架、切换式测试系统和测试方法。
【背景技术】
[0002]近年来太赫兹技术快速发展，在安全检测、航空航天、生命科学、化学等领域应用日趋广泛。
[0003]目前的太赫兹时域谱仪(THz TDS)的结构是由Bell实验室D.H.Auston等人于1984年首先采用的。图1为现有的太赫兹时域光谱仪的光路结构示意图，如图1中所示，现有的太赫兹时域光谱仪由飞秒激光器1、分光镜2、发射器3、2个离轴抛物面镜4、测试样品
5、光程调节台6、反射镜7、探测器8、锁相放大器9、计算机10等组成，实际上测试样品5被放置在样品架(图1中未不出)上。飞秒激光器I发出的激光束经分光镜2分成两束:其一束作为泵浦激光脉冲打击发射器3后激发出太赫兹波，太赫兹波经离轴抛物面镜4准直后照射到测试样品5上，穿过测试样品5后的太赫兹波经另一离轴抛物面镜4会聚到探测器8 ;飞秒激光器I发出的另一束激光作为探测激光脉冲，经光程调节台6、反射镜7投射到探测器8上。在探测器8中，探测激光脉冲在太赫兹波的调制下转换成电信号，这个反映太赫兹波电场强度的电信号经锁相放大器9提高信噪比后，被采集到计算机10内。
[0004]目前国内也有部分对太赫兹吸收谱测量方式的改进方案。申请号为201110050929.1，发明名称为《用于太赫兹光谱测量的样品承载装置及其使用方法》的文献中提出采用聚乙烯制备的样品盒，由于此材料的太赫兹吸收很少，可以作为样品容器，放置固体、液体或气体样品。
[0005]申请号为201220576555.7，发明名称为《一种用于太赫兹光谱测试的样品承载装置》的文献中提出了一套包含弹簧片的夹板系统，能够方便地安放片状样品，能够保证光路垂直投射到样品表面上。
[0006]申请号为201210373275.0，发明名称为《高速太赫兹波调制装置及其方法》的文献中阐述了一种半柱形高阻硅、平面透镜及反射薄膜组成的调制装置。
[0007]申请号为201010291976.0，发明名称为《透射式不依赖参考光的太赫兹光谱分析方法》的文献中提出不使用参考信号所包含的信息，仅对样品信号相位谱求取二阶导数，这能够粗略反映一些峰值的位置点，对不太精确的定性分析是适用的。
[0008]目前，太赫兹吸收谱的传统测试方法包括两个阶段:(I)人工或自动移动样品架，将样品放入太赫兹光路中，然后用太赫兹时域谱仪扫描各时域点，获得完整的样品时域谱。
(2)人工或自动移动样品架，将样品移出太赫兹光路，然后用太赫兹时域谱仪扫描各时域点，获得完整的参考时域谱。完成上述两阶段测试、测得两列时域谱后，对时域谱进行傅立叶变换、除法对比等一系列信号处理，计算出样品在频域中的太赫兹吸收谱。但是，这种测试方法存在着一些问题，即无论样品时域谱还是参考时域谱，扫描测试一遍都将花费数分钟时间，其间，受密闭样品室内压力、温度、湿度、光程定位的准确性、激光强度漂移等因素影响，在长时段的测试过程中，太赫兹波强度经常出现起伏，这样，参考时域谱在一定程度上就丧失了可比性和参考价值，最终导致样品吸收谱的重复性、一致性变差，甚至出现不合理的负值。
[0009]上述专利文献虽然均涉及到太赫兹测试中的样品装置，但是，前三条专利文献中提出的方案都不是为了解决太赫兹波强度起伏的问题，第四条专利回避了太赫兹波强度起伏的问题且所得到的结果失去了一定的精度。事实上，太赫兹波强度起伏的原因很多，例如样品室抽真空或氮气吹扫压力的变化导致透镜的应力变形，样品室内水分、温度的变化，光程调节台位置的精确重复性，泵浦激光束、探测激光束强度的漂移等等。目前来看，这些因素还无法被识别确认，更无法被精确控制。现有技术中也没有提出能够解决由于测试过程中太赫兹波强度起伏所造成的测量结果不够准确的问题的有效方案，因此，有必要通过完善测试方法、改进测试系统相关部件结构等措施来克服这些问题。
【发明内容】
[0010]为了解决现有的太赫兹吸收谱测量方法是参考时域谱、样品时域谱分别独立测取，这样长时段测试过程中由于太赫兹波强度的起伏造成测试所得的样品吸收谱的重复性、一致性变差，甚至出现不合理的负值的问题，本发明提供一种太赫兹吸收谱的测试样品架、切换式测试系统和测试方法，改进了太赫兹时域谱测试系统中的有关部件的结构，并相应地改变了测试方法，可以减少测试过程中太赫兹波强度起伏对太赫兹吸收谱的影响。
[0011 ] 本发明提供的一种太赫兹吸收谱的测试样品架，包括可旋转的转盘，所述转盘开有大小一致的样品孔和参考孔，所述样品孔和参考孔中心均位于以所述转盘的旋转轴为中心的同一圆周上；所述样品孔用于放置待测试的样品。
[0012]其中，所述测试样品架还包括可升降支座和步进电机；所述可升降支座具有一个高度可调节的支座平台；所述步进电机设置于所述可升降支座的支座平台上，所述步进电机具有一可旋转的输出轴；所述转盘的中心具有一与所述步进电机的输出轴的截面形状一致的开孔，所述步进电机的输出轴嵌套于所述转盘的中心开孔内，所述转盘与所述步进电机的输出轴固定连接，所述转盘能以该输出轴为中心随所述步进电机的输出轴作旋转运动。
[0013]其中，所述转盘上的样品孔和参考孔在以所述转盘的旋转轴为中心的同一圆周上对称设置。
[0014]本发明提供的一种太赫兹吸收谱的切换式测试系统，包括:飞秒激光器、分光镜、发射器、两个离轴抛物面镜、样品架、光程调节台、反射镜、探测器、锁相放大器和计算机，其中，所述样品架为上述太赫兹吸收谱的测试样品架，且所述样品架的转盘位置设置为:所述转盘旋转过程中，所述发射器发出的太赫兹波经所述离轴抛物面镜汇聚后的光束刚好穿过所述样品孔和参考孔所处圆周上。
[0015]其中，所述光程调节台的步进周期Ts，所述转盘旋转过程中样品孔到参考孔的切换时间T1，参考孔到样品孔的切换时间T2，发射器的方波偏置电压周期Tb，飞秒激光器的激光脉冲重复周期?；，锁相放大器时间常数Tp之间满足以下关系:
[0016]Ts= T !+T2
[0017]Min^, T2)?Tb
[0018]Tb?Tr
[0019]TpOMin(T1J2)
[0020]其中，Min (T1, T2)表示!\和T 2二者的最小值。
[0021]其中，所述锁相放大器时间常数Tp之取值为满足条件TpOMinCT1, T2)的最大值。
[0022]本发明还提供一种太赫兹吸收谱的切换式测试方法，包括步骤:
[0023]S1:设置权利要求5所述的太赫兹吸收谱的切换式测试系统，并将待测试的样品放于所述样品孔内；
[0024]S2:预先设定光程调节台的起始位置、终止位置和移动步长；
[0025]S3:将所述光程调节台置于起始位置，令N = I ;
[0026]S4:转动所述样品架的转盘，将参考孔置于所述太赫兹吸收谱的切换式测试系统的太赫兹光路中，读取当前锁相放大器的输出信号，并将其保存为参考时域谱的第N个数据点；
[0027]S5:转动所述样品架的转盘，将样品孔置于所述太赫兹吸收谱的切换式测试系统的太赫兹光路中，读取当前锁相放大器的输出信号，并将其保存为样品时域谱的第N个数据点；
[0028]S6:判断当前光程调节台是否到达预先设定的终止位置，若是，则分别根据保存的参考时域谱的所有数据点和样品时域谱的所有数据点得到参考时域谱和样品时域谱，计算出当前待测试的样品在频域中的太赫兹吸收谱，结束测试流程；否则，将光程调节台按照预先设定的移动步长移动一步，令N = N+1并返回执行S4。
[0029]其中，所述S2中预先设定光程调节台的起始位置、终止位置和步长的方法为:
[0030]以一预定步长扫描当参考孔置于所述太赫兹吸收谱的切换式测试系统的太赫兹光路中时得到的参考信号，找到使参考信号取最大值时的光程调节台位置，然后以此位置为基准将所述光程调节台的光程差减小5ps，得到光程调节台的起始位置；
[0031]以一预定步长扫描当样品孔置于所述太赫兹吸收谱的切换式测试系统的太赫兹光路中时得到的样品信号，找到样品信号二次回波时的光程调节台位置，然后以此位置为基准将所述光程调节台的光程差增大5ps，得到光程调节台的终止位置；
[0032]根据预期的时域谱时间分辨率，乘以光速作为光程调节台的移动步长。
[0033]其中，所述步骤S2还包括:预先设定所述样品架的电机转速，使得所述转盘旋转过程中样品孔到参考孔的切换时间为T1，参考孔到样品孔的切换时间为T2;并预先设置发射器的方波偏置电压周期为Tb，飞秒激光器的激光脉冲重复周期为?；，锁相放大器时间常数为Tp，且上述时间和周期的取值与光程调节台的步进周期Ts之间满足关系:
[0034]Ts= T !+T2
[0035]Min^, T2)?Tb
[0036]Tb?Tr
[0037]TpOMin(T11T2)
[0038]其中，Min (T1, T2)表示!\和T 2二者的最小值。
[0039]其中，所述锁相放大器时间