测量太赫兹光束参数的方法与流程

本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及测量太赫兹光束参数的方法。

背景技术：

太赫兹光谱成像技术是目前应用最广泛、技术最成熟的一项太赫兹应用技术。它的基本工作原理是：首先测量没有经过样品调制的太赫兹时域波形作为参考信号，然后将需要成像的样品放置在太赫兹传输光路的焦点上，太赫兹波通过样品后被探测器接收得到样品信号。样品一般放置在二维平移台上，每移动一个位置即可获得一个样品信号，样品信号对应着一个二维矩阵数值，经过处理后这个二维矩阵可以转化为灰度图像，即实现太赫兹二维成像。与传统成像技术的最大不同之处在于太赫兹光谱成像中每个图像的像素点同时包含样品的振幅信息和相位信息，从而可以实现对样品空间分布、厚度分布、折射率分布、吸收系数分布等的重构。尤其对某些具有“太赫兹指纹谱”的物质如毒品、炸药、病毒等，太赫兹光谱成像的优势更为突出。

但是传统的测量太赫兹光束参数的方法的测试方法复杂，精度低，不能准确的测量出太赫兹光束的聚焦腰斑半径和聚焦深度，从而导致不能准确对样品信号进行分析。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种测试方法简单、精度高的测量太赫兹光束参数的方法。

一种测量太赫兹光束参数的方法，包括：

获得待测太赫兹光束；

控制所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内移动，并测得所述太赫兹光束在焦平面内的腰斑半径，其中，所述掩膜片所在的平面与所述太赫兹光束的焦平面共面，所述掩膜片用于切割所述太赫兹光斑；

控制所述掩膜片从所述太赫兹光束的焦平面沿所述太赫兹光束传播的方向移动，所述掩膜片每移动一次记录对应的光轴移动量，其中，所述光轴移动量为所述掩膜片到所述焦点位置处的距离；在所述光轴移动量的位置处测量所述掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径；

当在所述光轴移动量的位置处测量的太赫兹光束的半径等于所述腰斑半径的倍时，计算所述聚焦深度。

在其中一个实施例中，控制所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内移动，并测得所述太赫兹光束在焦平面内的腰斑半径的具体步骤包括：

在沿所述太赫兹光束传播方向上依次设置所述掩膜片和固定的功率计，所述功率计用于采集所述太赫兹光束的功率值；

控制所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内移动，使所述掩膜片切割所述太赫兹光斑，且所述掩膜片每移动一次对应采集一次所述太赫兹光束的功率值；

一一对应记录所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内的移动量和所述功率值，并计算所述腰斑半径。

在其中一个实施例中，一一对应记录所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内的移动量和所述功率值，并计算在所述焦点位置处的太赫兹光束的半径的具体步骤包括：

一一对应记录所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内的移动量和所述功率值；

根据所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内的移动量和所述功率值，绘制所述掩膜片在所述太赫兹光束的焦平面内的移动量和所述功率值的对应曲线图；

根据所述对应曲线图，获得在所述腰斑半径。

在其中一个实施例中，根据所述对应曲线图，获得在所述腰斑半径步骤后还包括：

根据第一拟合函数对所述腰斑半径进行验证。

在其中一个实施例中，当在所述光轴移动量的位置处测量的太赫兹光束的半径等于所述太赫兹光束在焦平面内的腰斑半径的倍时，计算所述腰斑半径的具体步骤包括：

一一对应记录所述掩膜片的光轴移动量和在所述光轴移动量处所述掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径；

查询所述掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径等于在所述腰斑半径的倍时所对应的光轴移动量；

根据所述光轴移动量的大小，获得所述太赫兹光束的聚焦深度。

在其中一个实施例中，获得所述太赫兹光束的聚焦深度的步骤后还包括：

根据第二拟合函数对所述太赫兹光束的聚焦深度进行验证。

在其中一个实施例中，所述掩膜片为刀片，所述刀片固定在位移平台上。

在其中一个实施例中，采用控制螺旋测微器的方式控制所述位移平台在所述太赫兹光束焦点所在的平面内等间距移动；

采用控制步进电机的方式控制所述位移平台沿所述太赫兹光束传播的方向等间距移动。

在其中一个实施例中，所述位移平台在所述太赫兹光束焦点所在的平面内每移动0.05毫米，所述功率计对应采集所述太赫兹光束的功率值。

在其中一个实施例中，所述位移平台沿所述太赫兹光束传播的方向每移动1毫米，控制所述刀片在所述刀片所在的平面内移动，并计算所述刀片所在的平面内的太赫兹光束的半径。

通过上述简单的测量太赫兹光束参数的方法，可以快捷方便的测量出影响太赫兹光谱成像空间分辨率的焦点腰斑半径以及聚焦深度，其测得腰斑半径及聚焦深度的精度高、误差小。

附图说明

图1为一实施例测量太赫兹光束参数的方法流程图；

图2为一实施例太赫兹光谱成像原理示意图；

图3为图1中步骤S120的具体方法流程图；

图4为一实施例用于测量太赫兹光束聚焦腰斑半径的装置示意图；

图5为图1中步骤S140的具体方法流程图.

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对发明进行更全面的描述。附图中给出了发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

太赫兹光谱成像技术是目前应用最广泛、技术最成熟的一项太赫兹应用技术。太赫兹光谱成像中每个图像的像素点同时包含样品的振幅信息和相位信息，从而可以实现对样品空间分布、厚度分布、折射率分布、吸收系数分布等的重构。在太赫兹光谱成像技术中有两个重要参数：太赫兹光束的聚焦腰斑半径和聚焦深度。其中，腰斑半径是指光束在焦平面上的光斑半径；聚焦深度是指光束半径小于(d₀为聚焦腰斑的直径)的那段光束传输距离。腰斑半径决定了图像的空间分辨率，腰斑半径越小太赫兹光谱成像的空间分辨率越高。聚焦深度则决定了样品在光轴方向的可移动距离，聚焦深度越大所允许的样品厚度越厚、样品的轴向移动距离越大。当样品厚度或轴向移动距离超过聚焦深度，则太赫兹光谱成像的空间分辨率迅速衰减。

如图1所示的为一实施例测量太赫兹光束参数的方法的流程图，测量太赫兹光束参数的方法，包括如下步骤：

步骤S110：获得待测太赫兹光束。

如图2所示的为太赫兹光谱成像原理示意图，其中包括用于产生激励光源的飞秒脉冲激光器1通过分束片2；把激励光源一分为二，其中一路是泵浦光，另一路作为探测光。在泵浦光传播的光路中还设有用于实现泵浦脉冲光的调制的斩波器3。通过斩波器3调制后的泵浦光依次通过反射镜4、用于调节泵浦光与探测光延时的延时线装置5、反射镜6后进入太赫兹辐射装置7，太赫兹辐射装置7外辐射太赫兹脉冲。探测光通过反射镜13转折光路后进入太赫兹探测装置12，对太赫兹光场进行探测。该光路中还包括用于收集和聚焦太赫兹光场的抛物面镜8、9、10、11，其中，待测样品放置在太赫兹光束的聚焦点上。光路中的反射镜4、6、13，用于改变光路，压缩空间，其反射镜的数量和位置可以根据具体的实际需要来设定，并不限于此。

步骤S120：控制掩膜片在太赫兹光束的焦平面内移动，并测得太赫兹光束在焦平面内的腰斑半径，其中，掩膜片所在的平面与太赫兹光束的焦平面共面，掩膜片用于切割太赫兹光斑。

在测量太赫兹光束参数的过程中，将其掩膜片12放置在太赫兹光束的焦点位置，即用掩膜片12取代样品来测量太赫兹光束的腰斑半径和聚焦深度。

步骤S121：在沿太赫兹光束传播方向上依次设置掩膜片和固定的功率计，功率计用于采集太赫兹光束的功率值。

参考图3，在沿太赫兹光束传播方向上依次设置掩膜片12和固定的功率计13。在本实施例中，掩膜片12为刀片，刀片固定在位移平台14上。刀片12大约1mm厚，安装在三维或二维的位移平台14装置上，通过控制位移平台14的运动从而控制刀片12的运动。功率计13固定设置在位移平台14的后侧，用于探测太赫兹光束的功率值，其功率计13的探测面需要足够大，足以全部采集太赫兹光束。

步骤S123：控制掩膜片在太赫兹光束的焦平面内移动，使掩膜片切割太赫兹光斑，且掩膜片每移动一次对应采集一次太赫兹光束的功率值。

在本实施例中，其太赫兹光束的光斑截面为圆形。采用控制螺旋测微器的方式控制位移平台14在太赫兹光束焦点所在的平面内(焦平面)等间距移动。参考图3，通过螺旋测微器控制位移平台14在太赫兹光束焦平面内的x方向运动，z方向保持不动。由于刀片12固定在位移平台14上，其位移平台14的运动就是带到刀片12运动，其刀片12在x方向，就会切割相应距离的太赫兹光束，相当于，移动刀片12就会遮挡部分或全部的太赫兹光束。其位移平台14在x方向每前进0.05mm，功率计13对应采集太赫兹光束的一个功率值。其位移平台14在x方向所前进的移动量可以根据实际情况而设定，并不限于0.05mm。

步骤S125：一一对应记录掩膜片在太赫兹光束的焦平面内的移动量和功率值，并计算腰斑半径。

其位移平台14在x方向每前进0.05mm，功率计13对应采集太赫兹光束的一个功率值。一一对应记录刀片12在太赫兹光束的焦平面内的移动量和功率值，并根据刀片12在太赫兹光束的焦平面内的移动量和功率值，绘制刀片12在太赫兹光束的焦平面内的移动量和功率值的对应曲线图。

根据对应曲线图，其功率值会随着刀片12在x方向的位移量发生变化，用最大功率值所对应的位移量减去最大功率值的一半所对应的位移量就能获得在腰斑半径。

根据对应曲线图，获得在腰斑半径步骤后还包括：

步骤S127：根据第一拟合函数对腰斑半径进行验证。

为了减少误差，可以对获得的腰斑半径进行验证，具体的可以通过第一拟合函数进行校准：

式中，

式中p(x)为随x方向变化测量的功率，d＝为待测太赫兹光束的直径，其中，d＝d₀，可以将测量得到的太赫兹光束的腰斑半径的二倍和功率值带入第一拟合函数中进行验证。

在其他实施例中，太赫兹光束的光斑的截面为椭圆形。在控制刀片12在太赫兹光束焦平面内的x方向运动，并获得在长轴x方向的光斑半径后，继续可以通过螺旋测微器控制位移平台14在太赫兹光束焦平面内的y方向运动，z方向保持不动。其位移平台14在y方向每前进0.05mm，功率计13对应采集太赫兹光束的一个功率值。一一对应记录刀片12在太赫兹光束的焦平面内的移动量和功率值，并计算在短轴y方向的光斑半径。同时还可以通过上述第一拟合函数对测得的光斑半径的二倍和对应的功率值进行验证。

步骤S130：控制掩膜片从太赫兹光束的焦平面沿太赫兹光束传播的方向移动，掩膜片每移动一次记录对应的光轴移动量，其中，光轴移动量为掩膜片到焦点位置处的距离；在光轴移动量的位置处测量掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径。

采用控制步进电机的方式控制位移平台14沿太赫兹光束传播的方向(z方向)等间距移动。位移平台14沿太赫兹光束传播的方向每移动1毫米，则停止沿z方向运动，而是控制刀片12在刀片所在的平面内移动，也即重复上述步骤S122和步骤S123，并计算刀片12所在的平面内的太赫兹光束的半径。其步进电机的移动量也可以根据实际的需求来设定，并不限于1mm。

步骤S140：当在光轴移动量的位置处测量的太赫兹光束的半径等于腰斑半径的倍时，计算太赫兹光束的聚焦深度。

通过多次控制移动平台14在z方向运动，每前进移动1mm，则重复上述步骤，测得刀片12所在平面内的太赫兹光束的半径。

步骤S141：一一对应记录掩膜片的光轴移动量和在光轴移动量处掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径。并根据掩膜片14的光轴移动量和在光轴移动量处掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径绘制相应的光轴移动量-太赫兹光束的半径的曲线图。

步骤S143：查询掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径等于在腰斑半径的倍时所对应的光轴移动量。

根据绘制的光轴移动量-太赫兹光束的半径的曲线图，在该曲线图中，查询掩膜片所在平面内的太赫兹光束的半径等于在腰斑半径的倍时所对应的光轴移动量，并将该光轴移动量标记出来。

步骤S145：根据光轴移动量的大小，获得太赫兹光束的聚焦深度。

根据聚焦深度的定义(光束直径小于的那段光束的传输距离)及标记处的光轴移动量，从而计算出太赫兹光束的聚焦深度。

获得太赫兹光束的聚焦深度的步骤后还包括：

步骤S147：根据第二拟合函数对太赫兹光束的聚焦深度进行验证。

为了进一步使数据准确可靠，可以通过第二拟合函数(理论计算公式)进行判定：

式中d₀为光束的腰斑直径(腰斑半径的二倍)，λ为光束的波长，将测得的腰斑半径和聚焦深度带入上述公式进行验证。

通过上述测量太赫兹光束参数的方法，通过上述简单的方式方法可以快捷方便的测量出影响太赫兹光谱成像空间分辨率的焦点腰斑半径以及聚焦深度，其测得腰斑半径及聚焦深度的精度高、误差小。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。