一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，属于光学测试技术领域，包括依次设置的飞秒激光器、分束器、太赫兹发生器、棱镜、太赫兹接收器和信号处理系统，所述棱镜为轴截面为等腰梯形的道威棱镜，所述道威棱镜采用高折射率的高阻硅材料制成，所述分束器与太赫兹接收器之间还设置有反射镜。本发明通过采用轴截面为等腰梯形的道威棱镜，只需将棱镜平行放在光路中就可以快速搭建用于样本太赫兹光谱探测的衰减全反射系统，不需要棱镜支架支撑，也不需要整体光路调整，可大幅度减少搭建时间和材料耗费，同时棱镜表面全部覆盖倏逝波，可显著降低被测样品用量，利于降低使用成本。
【专利说明】
一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统
技术领域
[0001] 本发明属于光学测试技术领域，具体涉及一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰 减全反射系统。
【背景技术】
[0002] 太赫兹(Terahertz，THz)波是指波段介于微波和红外的电磁辐射，频率在0.1THZ-lOTHz之间（lTHz = 1012Hz)，波长在30M1-3000M1之间。相较微波，太赫兹波长和脉冲较短，具 有较高的时间和空间分辨率。同时其光子能量较小（lTHz处光子能量约为4meV)，不会对物 质产生破坏作用，相较X线更为安全。特别是生物分子的骨架振动及构型弯曲，转动等低频 振动模式在太赫兹波能量范围内，太赫兹光谱包含生物物质丰富的物理和化学信息，已被 广泛应用于包括核酸、蛋白质，细菌，细胞和癌组织成像等生物学领域。
[0003] 传统太赫兹光谱仪以透射方式测量生物样本的波谱信息时，一方面受样本含水量 较高影响，通常需要将组织、细菌等样本通过真空冻干或石蜡包埋等方式减弱水对透射太 赫兹信号的衰减，对于包括氨基酸在内的生物大分子通常与聚乙烯粉末(太赫兹波段几乎 透明）混合压片进行透射测量。以上方法无法研究生物样本在体内溶液环境下的自然特征， 给太赫兹波技术应用于生物研究带来较大限制。另一方面，太赫兹波长（1THZ处为300WH)远 大于细菌（1-2WH)、细胞（lOwii左右）的直径，传统太赫兹检测技术受衍射极限限制，存在探 测尺度失匹配，难以精确响应细胞间的差异信号等缺点。
[0004] 太赫兹波衰减全反射是指入射太赫兹波在棱镜内部发生全内反射时会在界面处 产生倏逝波，该倏逝波穿过界面一定深度与界面附近物质作用后再返回，反射光会携带界 面附近物质的太赫兹波谱信息，从而实现了对亚波长大小的生物样品进行太赫兹光谱探测 的技术。由公式（1)可知，太赫兹衰减全反射系统的倏逝波穿透深度在数十微米，具备能探 测界面附近样本波谱信息，不需要对样品进行任何处理，穿透深度与细胞层厚度匹配，可排 除细胞外水的干扰，实现非标记、实时、原位探测等优点，该技术已广泛应用于碳水化合物 溶液氢键网络、蛋白质糖基化作用、生物大分子溶液和细胞内水化动力学的光谱学研究中。
[0006]目前各种基于太赫兹光谱仪搭建的衰减全反射系统所使用的棱镜的纵切面均为 三角形或是不规则多边形。这一方面需要采购专门的棱镜支架，改造太赫兹光谱仪透射模 式中平行入射光以一定角度的斜入射光，需对整体光路进行调整，无法实现便捷搭建衰减 全反射系统的目的。另一方面不规则多边形的棱镜因体积相对较大，较为耗费制作材料，棱 镜表面倏逝波局限分布于部分区域，在应用于不同生物分子(蛋白质、核酸)溶液探测分析 时，无效样本用量相对较多，特别易造成较为稀有、丰度较低生物大分子溶液的浪费。同时 由于内部光程较长，需要对光路时延进行大范围调整。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明针对现有技术的上述缺陷提供一种基于道威棱镜快速搭建的太 赫兹衰减全反射系统，该系统中的棱镜的纵切面为等腰梯形;采用可使平行入射光在底边 界面实现全反射的高折射率材料制成;将其三个通光面抛光，只需将棱镜平行放在光路中 就可以实现在传统太赫兹光谱仪透射模式上快速搭建用于样本太赫兹光谱探测的衰减全 反射系统，大幅度减小棱镜体积，同时棱镜表面全部覆盖倏逝波，显著降低被测样品用量。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] -种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，包括依次设置的飞秒激光 器、分束器、太赫兹发生器、棱镜、太赫兹接收器和信号处理系统，所述棱镜为轴截面为等腰 梯形的道威棱镜，所述道威棱镜采用高折射率的高阻硅材料制成，所述分束器与太赫兹接 收器之间还设置有反射镜，所述太赫兹发生器、太赫兹接收器均由一体设置的光电导天线 和超半球娃透镜组成，
[0010] 激光分束器，将飞秒激光器产生的光束分解为两束激光，一束用作栗浦光束，经过 延迟线作用于太赫兹发生器;一束用作相干探测光束，经过反射镜作用于太赫兹接收器， [0011]太赫兹发生器，用于产生太赫兹波，
[0012] 太赫兹接收器，用于探测太赫兹波，
[0013] 信号处理系统，用于太赫兹波的产生和探测控制，以及样品太赫兹波信号的采集 及分析。
[0014] 进一步，所述飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器。
[0015] 进一步，所述反射镜的外表面采用金属镀层。
[0016] 进一步，所述分束器与太赫兹发生器之间设置有用于调整栗浦光路时间的时延装 置。
[0017] 进一步，所述太赫兹发生器与太赫兹接收器之间设置有可在三维空间移动的平移 台，所述道威棱镜的梯形上底置放于所述平移台上。
[0018] 进一步，所述高阻硅材料的折射率大于1.9、每厘米的电阻大于10kn。
[0019]进一步，所述等腰梯形的腰与下底之间的夹角为20°~70°。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 本发明通过采用轴截面为等腰梯形的道威棱镜，只需将棱镜平行放在光路中就可 以快速搭建用于样本太赫兹光谱探测的衰减全反射系统，不需要棱镜支架支撑，也不需要 整体光路调整，可大幅度减少搭建时间和材料耗费，同时棱镜表面全部覆盖倏逝波，可显著 降低被测样品用量，利于进一步降低使用成本。
[0022] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和 获得。
【附图说明】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0024]图1本发明太赫兹衰减全反射系统的示意图；
[0025] 图2为道威棱镜的正视图；
[0026] 图3为图2的俯视图；
[0027] 图4为采用本发明测量1.5%牛血清白蛋白溶液和水的时域光谱峰值对比曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0029] 如图1所示，一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，包括依次设置 的飞秒激光器1、激光分束器2、太赫兹发生器5、道威棱镜6、太赫兹接收器8和信号处理系统 9,飞秒激光器1具体选择钛蓝宝石飞秒激光器作为栗浦和探测激光;道威棱镜6具体为轴截 面为等腰梯形、采用高阻硅材料制成的太赫兹棱镜，且将三个通光面抛光，可增加其透光能 力，由于高阻硅在太赫兹波段的吸收极小，而折射率较大，所以优选每厘米长度的电阻大于 10kQ的高阻硅材料，激光分束器2与太赫兹接收器8之间还设置有反射镜3，
[0030] 激光分束器2,将飞秒激光器产生的光束分解为两束激光，一束用作相干探测光 束，作用于设置在分束器与太赫兹接收器之间的反射镜;一束用作栗浦光束，作用于太赫兹 发生器；
[0031]太赫兹接收器8和太赫兹发生器5均由探测太赫兹波的光电导天线、超半球硅透镜 组成；
[0032] 信号处理系统9,用于太赫兹波的产生和探测控制，以及样品太赫兹波信号的采集 及分析。
[0033] 由于铝、银、金等金属对太赫兹波的反射率都高达99%，所以反射元件的金属镀层 可以为金属材质中的任意一种，本发明中所用的反射镜、离轴抛物镜等反射元件都采用金 属材料镀层。
[0034] 进一步，激光分束器2与太赫兹发生器5之间设置有用于调整栗浦光路时间的时延 装置4，具体的，时延装置4如图所示由三个反射镜组成，当然，可根据具体延时需要，增加反 射镜数量，同时，也可以是其他的任意形式的现有技术。
[0035] 进一步，太赫兹发生器5与太赫兹接收器8之间设置有可在三维空间移动的平移台 7,道威棱镜的梯形上底置放于平移台7上，一方面可对道威棱镜形成支撑，另一方面可以调 整道威棱镜在系统中的具体位置，使其具有更好的机动性。
[0036] 进一步，本实施例中等腰梯形的腰与下底之间的夹角为20°~70°，更优选的是 45。。
[0037]具体实施例
[0038]确定参数:根据常规太赫兹光谱仪在透射方式下聚焦入射光斑大小及发生太赫兹 在棱镜发生全反射所需角度条件确定棱镜尺寸，并确保太赫兹入射光斑大小与棱镜侧面 (cl面)匹配，如图2、3所示，各参数如下：
[0039] 角度a为45° ;角度0为56.9° ;角度?为11.9° ;a长度为lcm;b长度为5cm;c长度为 2 ? 83cm; h长度为2cm; 1长度为2cm; c长度为2 ? 83cm，1长度为2cm。
[0040]搭建过程:在太赫兹光谱仪透射测量模式下，直接放置太赫兹道威棱镜于平移台 中央位置，使其前后侧面方向与太赫兹透射光路保持一致。根据光路改变适当调整光路时 延，针对本棱镜光路时延定为增加500ps，即实现太赫兹衰减全反射光谱测量平台搭建，整 个过程耗时1分钟以内，搭建后的太赫兹衰减全反射系统见图1所示。
[0041] 测量过程:针对生物大分子溶液样本测量，用移液枪吸取200此样本滴于道威棱镜 上表面，并使其覆盖整个表面，利用信号处理系统获取并储存衰减全反射光谱时域信号。本 实施例以1.5 %牛血清白蛋白溶液和水溶液测量，其太赫兹衰减全反射时域峰值对比见图 4，探测到牛血清白蛋白溶液的时域峰值低于水溶液时域峰值，相差约4.7 %，这与相关文献 报道较为一致，证明整个搭建的太赫兹衰减全反射系统能够用于生物光谱探测，具备改装 过程耗时短，样本用量少的优点。
[0042] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特征在于:包括依次设置 的飞秒激光器、分束器、太赫兹发生器、棱镜、太赫兹接收器和信号处理系统，所述棱镜为轴 截面为等腰梯形的道威棱镜，所述道威棱镜采用高折射率的高阻硅材料制成，所述分束器 与太赫兹接收器之间还设置有反射镜，所述太赫兹发生器、太赫兹接收器均由一体设置的 光电导天线和超半球娃透镜组成， 激光分束器，将飞秒激光器产生的光束分解为两束激光，一束用作栗浦光束，经过延迟 线作用于太赫兹发生器;一束用作相干探测光束，经过反射镜作用于太赫兹接收器， 太赫兹发生器，用于产生太赫兹波， 太赫兹接收器，用于探测和接收太赫兹波， 信号处理系统，用于太赫兹波的产生和探测控制，以及样品太赫兹波信号的采集及分 析。2. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器。3. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述反射镜的外表面采用金属镀层。4. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述分束器与太赫兹发生器之间设置有用于调整栗浦光路时间的时延装置。5. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述太赫兹发生器与太赫兹接收器之间设置有可在三维空间移动的平移台，所述 道威棱镜的梯形上底置放于所述平移台上。6. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述高阻硅材料的折射率大于1.9、每厘米的电阻大于IOkQ。7. 根据权利要求1所述的一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射系统，其特 征在于:所述等腰梯形的腰与下底之间的夹角为20°~70°。
【文档编号】G01N21/3586GK105928898SQ201610234800
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】府伟灵, 赵祥, 黄庆, 罗阳, 杨翔, 张阳, 刘跃平, 徐含青, 刘羽, 杨柯
【申请人】中国人民解放军第三军医大学第附属医院, 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院