一种太赫兹波束整形方法和装置与流程

本发明涉及太赫兹时域光谱探测技术领域，尤其涉及一种太赫兹波束整形方法和装置。

背景技术：

太赫兹时域光谱技术是上世纪80年代，最先由at&t贝尔实验室和ibm公司的t.j.waston研究中心发展起来的一种非常有效的相干探测技术，它能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息。太赫兹时域光谱技术作为一种新型的检测技术,可以快速无损地对样品进行表征，尤其对结构相似的物质具有很好的识别能力，因此被广泛应用于多个领域。

在太赫兹时域光谱系统中，太赫兹波由光电导天线产生后经光路扩束准直后在自由空间传播。太赫兹波是位于0.1thz～3thz频率范围的超宽带时域脉冲信号。

在实现本发明的过程中，本发明的发明人发现：在垂直于太赫兹波传播方向的平面上，太赫兹时域脉冲波束的能量分布为高斯线型，能量分布起伏较大，无法应用于需要较大面积能量均匀分布波束的测试情形，且现有技术中一直缺少对该脉冲能量分布进行整形的有效方案。

因此，针对以上不足，需要提供一种太赫兹波束整形方案，以解决太赫兹时域脉冲波束整形难题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决太赫兹时域脉冲波束由于能量分布起伏较大，无法应用于需要较大面积能量均匀分布波束的测试情形，且现有技术中一直缺少对该脉冲能量分布进行整形的有效方案的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种太赫兹波束整形方法。

本发明的太赫兹波束整形方法包括：基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数；所述波束参数包括太赫兹波束的能量分布；根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数；基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件；其中，所述优化后的波束整形器件能够将所述太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布。

可选地，所述波束整形器件为轴对称非球面透镜，且其满足：

h(x,y)＝∑αirⁱ；

其中，h(x,y)为轴对称非球面透镜上坐标(x,y)处的高度，rⁱ＝xⁱ+yⁱ，r为距离非球面透镜轴的径向距离，i＝1,…,n，n为对称非球面透镜的阶数，αi为系数。

可选地，所述太赫兹波束为超宽带太赫兹脉冲波束，所述波束整形器件采用在太赫兹频段无色散或低色散的材料，所述在太赫兹频段无色散或低色散的材料包括：聚四氟乙烯。

可选地，所述方法还包括：对经过所述优化后的波束整形器件后的太赫兹波束的能量分布进行仿真，并根据仿真结果确定所述波束整形器件的景深。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明还提供了一种太赫兹波束整形装置。

本发明的太赫兹波束整形装置包括：第一确定模块，用于基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数；所述波束参数包括太赫兹波束的能量分布；第二确定模块，用于根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数；仿真模块，用于基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件；其中，所述优化后的波束整形器件能够将所述太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布。

可选地，所述波束整形器件为轴对称非球面透镜，且其满足：

h(x,y)＝∑αirⁱ；

其中，h(x,y)为轴对称非球面透镜上坐标(x,y)处的高度，rⁱ＝xⁱ+yⁱ，r为距离非球面透镜轴的径向距离，i＝1,…,n，n为对称非球面透镜的阶数，αi为系数。

可选地，所述太赫兹波束为超宽带太赫兹脉冲波束，所述波束整形器件采用在太赫兹频段无色散或低色散的材料，所述在太赫兹频段无色散或低色散的材料包括：聚四氟乙烯。

可选地，所述仿真模块，还用于对经过所述优化后的波束整形器件后的太赫兹波束的能量分布进行仿真，并根据仿真结果确定所述波束整形器件的景深。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数，根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数，基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件这些步骤，能够设计得到对太赫兹波束进行整形的波束整形器，基于该波束整形器能够将太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布，从而解决了现有技术中的难题。

附图说明

图1是本发明实施例一中的太赫兹波束整形方法的主要流程示意图；

图2是本发明实施例二中的太赫兹波束整形方法的主要流程示意图；

图3是太赫兹波束能量分布示意图；

图4是太赫兹波束频谱示意图；

图5是整形后的太赫兹波束能量分布示意图；

图6是本发明实施例三中的太赫兹波束整形装置的主要模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1是本发明实施例一中的太赫兹波束整形方法的主要流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的太赫兹波束整形方法包括：

步骤s101、基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数；所述波束参数包括太赫兹波束的能量分布。

在该步骤中，可基于实验测量方式或者仿真拟合方式确定需要整形的太赫兹波束的能量分布(如图3所示)、以及太赫兹波束的频谱(如图4所示)等波束参数。其中，所述太赫兹波束可以为超宽带太赫兹脉冲。

步骤s102、根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数。

在该步骤中，可根据实际测量得到的太赫兹波束的能量分布，拟合得到对应的数学模型，然后根据能量分布数学模型设计波束整形器件的几何尺寸参数。例如，当选取透镜作为所述波束整形器时，可以波束能量经过透镜衰减后达到均匀分布为目的，确定透镜的厚度等几何尺寸参数。

步骤s103、基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件；其中，所述优化后的波束整形器件能够将所述太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布。

在本发明实施例中，考虑到太赫兹波束经过波束整形器件(例如透镜)后不同距离(即景深)上的波束分布有较大差别，因此在优化透镜几何参数时需要考虑景深因素。在该步骤中，可结合景深等因素设计仿真模型，并通过该仿真模型优化波束整形器件的几何尺寸参数。具体实施时，可采用virtuallabfusion等仿真软件进行建模仿真，并对透镜的几何尺寸参数进行优化，以最终确定透镜的几何尺寸参数。

在本发明实施例中，通过以上步骤能够设计得到对太赫兹波束进行整形的波束整形器，基于该波束整形器能够将太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布，从而解决了现有技术中一直缺少对该脉冲能量分布进行整形的有效方案的问题，满足了应用中对较大面积能量均匀分布波束的使用需求。

实施例二

图2是本发明实施例二中的太赫兹波束整形方法的主要流程示意图。如图2所示，本发明实施例提供的太赫兹波束整形方法包括：

步骤s201、基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数；所述波束参数包括太赫兹波束的能量分布。

在该步骤中，可基于实验测量方式或者仿真拟合方式确定需要整形的太赫兹波束的能量分布、以及太赫兹波束的频谱等波束参数。其中，所述太赫兹波束可以为超宽带太赫兹脉冲。

步骤s202、根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数。

在该步骤中，可根据实际测量得到的太赫兹波束的能量分布，拟合得到对应的数学模型，然后根据能量分布数学模型设计波束整形器件的几何尺寸参数。

在一个可选示例中，所述波束整形器件为轴对称非球面透镜，且其满足以下几何表达式：

h(x,y)＝∑αirⁱ；

其中，h(x,y)为轴对称非球面透镜上坐标(x,y)处的高度，rⁱ＝xⁱ+yⁱ，r为距离非球面透镜轴的径向距离，i＝1,…,n，n为对称非球面透镜的阶数，αi和n均为需要优化的几何参数。

在该步骤中，需要确定轴对称非球面透镜的几何表达式中的参数αi和n。进一步，为了达到所需精度，可尝试令阶数n的值取1到8，并对不同阶数的透镜的整形效果进行比较，并将整形效果最好的阶数作为最终的参数n的取值。

进一步，除了需要确定轴对称非球面透镜的几何尺寸参数之外，还需要确定轴对称非球面透镜的电参数。例如，对于超宽带太赫兹脉冲波束来说，由于需要考虑波束轴对称非球面透镜对波束的色散效应，因此可选取无色散或者色散小的材料作为轴对称非球面透镜的材料。比如，可选用聚四氟乙烯等材料作为透镜材料。

步骤s203、基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件；其中，所述优化后的波束整形器件能够将所述太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布。

在本发明实施例中，考虑到太赫兹波束经过波束整形器件(例如透镜)后不同距离(即景深)上的波束分布有较大差别，因此在优化透镜几何参数时需要考虑景深因素。景深，是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

在该步骤中，可结合景深等因素设计仿真模型，并通过该仿真模型优化波束整形器件的几何尺寸参数。具体实施时，可采用virtuallabfusion等仿真软件进行建模仿真，并对透镜的几何尺寸参数进行优化，以最终确定透镜的几何尺寸参数。

步骤s204、对经过所述优化后的波束整形器件后的太赫兹波束的能量分布进行仿真，并根据仿真结果确定所述波束整形器件的景深。

在该步骤中，可对经过波束整形器件后不同位置处的太赫兹波束的能量分布进行仿真。通过比较不同位置处的太赫兹波束的能量分布情况，确定能量分布均匀度最好的位置，进而确定所述波束整形器件的景深。

图5是经过波束整形器件后某一位置处的太赫兹波束能量分布示意图。如图5所示，通过采用以上步骤设计得到的波束整形器件，能够将入射的太赫兹波束由高斯波束整形为发散角较小、能量分布均匀度良好，景深范围较大的出射波束。

在本发明实施例中，通过以上步骤能够设计得到对太赫兹波束进行整形的波束整形器，基于该波束整形器能够将太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布，从而解决了现有技术中一直缺少对该脉冲能量分布进行整形的有效方案的问题，满足了应用中对较大面积能量均匀分布波束的使用需求。

实施例三

图6是本发明实施例三中的太赫兹波束整形装置的主要模块示意图。如图6所示，本发明实施例提供的太赫兹波束整形装置600包括：第一确定模块601、第二确定模块602、仿真模块603。

第一确定模块601，用于基于测量或仿真技术确定太赫兹波束的波束参数；所述波束参数包括太赫兹波束的能量分布。

具体来说，第一确定模块601可基于实验测量方式或者仿真拟合方式确定需要整形的太赫兹波束的能量分布、以及太赫兹波束的频谱等波束参数。其中，所述太赫兹波束可以为超宽带太赫兹脉冲。

第二确定模块602，用于根据所述太赫兹波束的波束参数初步确定波束整形器件的几何尺寸参数。

具体来说，第二确定模块602可根据实际测量得到的太赫兹波束的能量分布，拟合得到对应的数学模型，然后根据能量分布数学模型设计波束整形器件的几何尺寸参数。

在一个可选示例中，所述波束整形器件为轴对称非球面透镜，且其满足以下几何表达式：

h(x,y)＝∑αirⁱ；

其中，h(x,y)为轴对称非球面透镜上坐标(x,y)处的高度，rⁱ＝xⁱ+yⁱ，r为距离非球面透镜轴的径向距离，i＝1,…,n，n为对称非球面透镜的阶数，αi和n均为需要优化的几何参数。

在该可选示例中，第二确定模块602需要确定轴对称非球面透镜的几何表达式中的参数αi和n。进一步，为了达到所需精度，可尝试令阶数n的值取1到8，并对不同阶数的透镜的整形效果进行比较，并将整形效果最好的阶数作为最终的参数n的取值。

进一步，除了需要确定轴对称非球面透镜的几何尺寸参数之外，还需要确定轴对称非球面透镜的电参数。例如，对于超宽带太赫兹脉冲波束来说，由于需要考虑波束轴对称非球面透镜对波束的色散效应，因此可选取无色散或者色散小的材料作为轴对称非球面透镜的材料。比如，可选用聚四氟乙烯等材料作为透镜材料。

仿真模块603，用于基于仿真模型对所述波束整形器件的几何尺寸参数进行优化，以得到优化后的波束整形器件。其中，所述优化后的波束整形器件能够将所述太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布。

在本发明实施例中，考虑到太赫兹波束经过波束整形器件(例如透镜)后不同距离(即景深)上的波束分布有较大差别，因此在优化透镜几何参数时需要考虑景深因素。景深，是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

具体来说，仿真模块603可结合景深等因素设计仿真模型，并通过该仿真模型优化波束整形器件的几何尺寸参数。具体实施时，可采用virtuallabfusion等仿真软件进行建模仿真，并对透镜的几何尺寸参数进行优化，以最终确定透镜的几何尺寸参数。

仿真模块603，还可用于对经过所述优化后的波束整形器件后的太赫兹波束的能量分布进行仿真，并根据仿真结果确定所述波束整形器件的景深。

具体来说，仿真模块603可对经过波束整形器件后不同位置处的太赫兹波束的能量分布进行仿真。通过比较不同位置处的太赫兹波束的能量分布情况，确定能量分布均匀度最好的位置，进而确定所述波束整形器件的景深。

在本发明实施例的装置中，通过第一确定模块、第二确定模块以及仿真模块能够设计得到对太赫兹波束进行整形的波束整形器，基于该波束整形器能够将太赫兹波束的能量分布由高斯分布整形为均匀分布，从而解决了现有技术中一直缺少对该脉冲能量分布进行整形的有效方案的问题，满足了应用中对较大面积能量均匀分布波束的使用需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。