基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹波谱测量设备与波谱测量方法，特别涉及一种通过散射效 应进行分光测量太赫兹波谱的设备及波谱测量方法。属于波谱探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着太赫兹波（指频段范围为0.05~50THZ，特别是0.1~10THZ的电磁波)产生与 探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展。太赫兹波谱测量 仪器是太赫兹波研究领域最重要的器件之一。使用太赫兹波谱测量仪器能获得被检测样品 的太赫兹反射或透射波谱，所获太赫兹波谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广泛应 用于生化检测、安全检查等诸多应用领域。
[0003] 文献1 (张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光电子学进展，2005年7月，35~38 页)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分 成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入 射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程 差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始 终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一 套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光 程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫 兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲 的频谱图。
[0004] 但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟装置。由于机械 装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、位置的偏移等）的改变，并且移动幅度 越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如Ins甚至Ins以上)的测量，从而直接限制了其频 谱分辨能力（典型值3-50GHZ)。另外，基于机械时间延迟装置的系统扫描速度比较慢，抗振 动能力差。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。
[0005] 文南犬2(A.Bartels，etc.，High_resolution THz spectrometer with kHz scan rates，0PITCS EXPRESS，Vol · 14，No · 1，pp · 430~437)披露了一种太赫兹时域光谱测量方 法，它是一种异步光学采样(Asynchronous Optical Sampling)时域光谱测量方法。在文献 2的方法中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光 器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量方法 需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2 的方法中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于 变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为A f，则在1/ A f的时间 间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高 信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变 换，得到太赫兹脉冲的时域谱。
[0006]如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去了机械时间延迟装置， 并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使系统能保持高的频谱分辨能力(典 型值：1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0. lms，多次扫描信噪比典型值： 60dB@60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激 光器的重复频率（由典型值80MHz提高到了 1GHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高 (1GHz重复频率的理论频谱分辨率为1GHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复 频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。而且，采用两台飞秒激光器 也提高了整个装置的成本。
[0007]因此，对于太赫兹波谱测量系统来说，要求其在波谱测量性能上同时满足宽频谱 和高频谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的体积较大、成本较高、对 振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于散射效应的太赫兹波 谱测量装置及太赫兹波谱测量方法。
[0009] 本发明采用的技术方案如下：
[0010] 基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，包括散射器件、散射控制器、探测器和计算 处理单元，待测太赫兹波经由散射器件后形成太赫兹频率的散射波，散射波在散射控制器 的不同控制条件作用下被探测器所接收;所述散射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成 不同的散射波强度角分布，所述散射控制器用来改变透过散射器件的太赫兹散射波在探测 器位置处的散射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下 被太赫兹波探测器所接收到的散射波强度互不相同；所述计算处理单元用来接收探测器的 测量结果，并进行数据分析和处理。
[0011]所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于散射器件之前的太赫兹波准直装置。
[0012] 进一步地，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个 透镜之间共同焦点处的小孔光阑，或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反 射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。
[0013] 所述散射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变 散射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散射器 件与探测器之间的相对位置或者放置角度。
[0014] 所述散射器件的表面不光滑，或者散射器件的折射率不均匀，使得太赫兹波发生 正向或反向散射；当所述探测器接收太赫兹波发生正向散射的散射波，所述探测器与入射 的太赫兹波分别在散射器件的两侧分布。当所述探测器接收太赫兹波发生反向散射的散射 波，所述探测器与入射的太赫兹波在散射器件的同侧分布。
[0015] 优选地，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述 本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度;所述散 射控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光 图案信号照射在所述本征半导体的表面。
[0016] 优选地，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述 本征半导体的表面粗糙，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波 传输方向呈固定角度;所述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射在 所述本征半导体的表面。
[0017] 优选地，所述散射器件包括对太赫兹波透明的薄膜，所述薄膜内部有半导体粉状 颗粒，所述薄膜的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度;所 述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射到半导体粉状颗粒上。
[0018] 优选地，所述散射器件包括太赫兹波电光晶体，所述电光晶体的表面粗糙;所述散 射控制器包括电极与电源，用于对电光晶体施加不同电场以控制电光晶体的折射率。
[0019] 所述散射控制器通过移动散射器件或者探测器，来控制散射器件与探测器之间的 相对位置或者放置角度。
[0020] 进一步地，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过 散射装置后的太赫兹散射波的传播方向发生变化;所述散射控制器通过光调制、电调制、机 械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常 数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与散射器件、探测器之间的相对位置或者放置角 度，从而使得探测器位置处的太赫兹散射波的场强分布发生变化。
[0021] 所述计算处理单元与所述散射控制器可以进行数据交换，在散射控制器每次控制 时，探测器自动记录数据，记录完成后，散射控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控 制参数，使得探测器测到另一个值。
[0022] 本发明基于散射效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0023] 步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为η个频宽为△ f的频段，或者将探 测的波长范围等分为η个波长间隔为△ λ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为 fl，f2，'"fn，或者各波段的中心波长记为λ?，λ2，'"λη;
[0024] 步骤2、令待测太赫兹波依次通过散射器件和探测器，并通过所述散射控制器的控 制，输出η个控制参数，在这η个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到η个不同的 测量值，用这η个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数 值，记为 Ρι，Ρ2，···Ρη;
[0025] 步骤3、通过求解矩阵方程（1)得到待测太赫兹波中各频分量f^fs，…匕的大小Ρ (fl)，P(f2)，…P(fn)，或者通过矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λχ，λ2，…λη的 大小Ρ(λ〇，Ρ(λ 2)，…Ρ(λη):
[0028]式中，Cij表不在散射控制器第j个控制参数下，频率为fi或者波长为λ?的太赫兹波 在发生散射与不发生散射的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比 值，这个值通过实验预先测得;其中，i = l，2···η，j = l，2···η;
[0029] 步骤4、对？出）少出），"子(匕)或者？(人1)少(\2)，"中(\11)进行曲线拟合，并经波谱 定标，得到待测太赫兹波的波谱曲线。
[0030] 进一步地，所述步骤2中，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，在所述η个 控制参数的作用下，散射控制器可以通过光调制、电调制、温度调制、机械调制或者以上调 制方法的组合，来改变散射器件或者折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、 电导率或者折射率，或者改变散射器件、折射器件、探测器三者之一的相对位置或者放置角 度，从而可以使得所述探测器探测到η个不同的测量值。
[0031] 进一步地，所述步骤3中，利用吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法 或者交替方向乘子法的数学优化方法求解矩阵方程。
[0032]优选地，在所述吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘 子法的方程中加入平滑因子项，通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的太赫兹波 谱曲线更加平滑。