太赫兹时域光谱仪的制作方法

本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种太赫兹时域光谱仪。

背景技术：

太赫兹时域光谱仪可以通过测试待测样品的透射波或者测试待测样品的反射波两种方式来测试待测样品的特性。目前用的比较多的是透射模式，太赫兹波的优点是可以透过很多物质，更好的测试物质的指纹吸收谱。对于反射模式，可以用来测试样品的内部分层结构，对于不均匀的物体，其内部存在分层，会形成不同时延的反射脉冲。

对于目前的太赫兹时域光谱仪测试反射波和透射波需要更改光路或者使用三个太赫兹天线，导致太赫兹时域光谱仪比较复杂，使用不便。

技术实现要素：

基于此，有必要针对测试反射波和透射波的太赫兹时域光谱仪比较复杂，使用不便的问题，提供一种太赫兹时域光谱仪。

一种太赫兹时域光谱仪，包括：

激光器，用于产生激光；

第一分光镜，用于将所述激光分为泵浦光和探测光；

时间延迟设备，设置于所述探测光的光路上，所述时间延迟设备用于调节所述探测光相对于所述泵浦光的时间延迟；

第二分光镜，用于将所述探测光分为第一探测光和第二探测光；

第一太赫兹天线，用于在所述泵浦光的作用下发射第一太赫兹波，并探测该第一太赫兹波被待测样品所反射的太赫兹波和所述第一探测光；

第二太赫兹天线，用于探测所述第一太赫兹波透射所述待测样品后的太赫兹波和所述第二探测光；

第一处理模块，用于根据所述第一太赫兹天线测得的光谱信号对所述待测样品进行反射信号分析；以及

第二处理模块，用于根据所述第二太赫兹天线测得的光谱信号对所述待测样品进行透射信号分析。

上述太赫兹时域光谱仪，由于第二分光镜将探测光分为第一探测光和第二探测光，且第一太赫兹天线可以接收到第一探测光，第二太赫兹天线可以接收到第二探测光。在第一太赫兹天线发射第一太赫兹波后，第二太赫兹天线能够接收到第一太赫兹波由待测样品透射的太赫兹波，第一太赫兹天线还可以接收由待测样品反射的太赫兹波。即第一太赫兹天线接收到待测样品反射的太赫兹波和第一探测光，第二太赫兹天线接收到待测样品透射的太赫兹波和第二探测光。第一处理模块处理第一太赫兹天线测得的光谱信号，得到反射光谱。第二处理模块处理第二太赫兹天线测得的光谱信号，得到透射光谱。因此，上述太赫兹光谱仪在设计好后，不需要更改光路或者增加太赫兹天线，就可以方便地测得待测样品的反射光谱和透射光谱，便于全面地分析待测样品的特性，结构简单，使用方便。

在其中一个实施例中，所述第二分光镜还将所述泵浦光分为第一泵浦光和第二泵浦光；所述第一太赫兹天线设置于所述第一泵浦光的光路上；所述第二太赫兹天线设置于所述第二泵浦光的光路上；所述太赫兹时域光谱仪还包括控制器，所述控制器控制所述第一太赫兹天线在所述第一泵浦光的作用下发射所述第一太赫兹波，并控制所述第二太赫兹天线不发射太赫兹波；或者，所述控制器控制所述第二太赫兹天线在所述第二泵浦光的作用下发射第二太赫兹波，并控制所述第一太赫兹天线不发射太赫兹波。

在其中一个实施例中，所述第一泵浦光到达所述第一太赫兹天线时所述激光的光程与所述第二泵浦光到达所述第二太赫兹天线时所述激光的光程相等；所述第一探测光到达所述第一太赫兹天线时所述激光的光程与所述第二探测光到达所述第二太赫兹天线时所述激光的光程相等。

在其中一个实施例中，所述第二太赫兹天线接收到由所述待测样品透射的波与所述第二太赫兹天线接收的所述第二探测光的光程差在第一预设范围内变化；所述第一太赫兹天线与所述第二太赫兹天线之间的距离在第二预设范围内；所述第一太赫兹天线与所述第二太赫兹天线的连线的中点为所述待测样品的位置。

在其中一个实施例中，太赫兹时域光谱仪还包括位置调节设备，所述位置调节设备与所述时间延迟设备连接，所述位置调节设备用于驱动所述时间延迟设备在所述探测光的方向上往复运动，以使得所述第二太赫兹天线接收到由所述待测样品透射的波与所述第二太赫兹天线接收的所述第二探测光的光程差在预设范围内变化。

在其中一个实施例中，太赫兹时域光谱仪还包括第一电压模块和第二电压模块，所述控制器通过控制所述第一电压模块是否为所述第一太赫兹天线提供偏置电压，以控制所述第一太赫兹天线是否发射所述第一太赫兹波；所述控制器通过控制所述第二电压模块是否为所述第二太赫兹天线提供偏置电压，以控制所述第二太赫兹天线是否发射所述第二太赫兹波。

在其中一个实施例中，太赫兹时域光谱仪还包括第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一处理模块与所述第一电压模块均通过所述第一定向耦合器与所述第一太赫兹天线连接，且所述第一处理模块与所述控制器连接；所述第二处理模块与所述第二电压模块均通过所述第二定向耦合器与所述第二太赫兹天线连接，且所述第二处理模块与所述控制器连接。

在其中一个实施例中，所述时间延迟设备包括时间延迟反射镜组，所述探测光先经过所述时间延迟反射镜组再入射至所述第二分光镜。

在其中一个实施例中，太赫兹时域光谱仪还包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述第一太赫兹天线和待测样品之间，所述第一聚焦透镜将所述第一太赫兹波聚焦至所述待测样品上；所述第二聚焦透镜设置于所述第二太赫兹天线和所述待测样品之间，所述第二聚焦透镜将所述待测样品透射的太赫兹波聚焦于所述第二太赫兹天线上。

在其中一个实施例中，所述激光器是飞秒脉冲激光器。

附图说明

图1为一实施例的太赫兹时域光谱仪的光路示意图；

图2为一实施例的第二太赫兹天线的光谱示意图；

图3为一实施例的太赫兹时域光谱仪的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1为一实施例的太赫兹时域光谱仪的光路示意图。一种太赫兹时域光谱仪，包括激光器1、第一分光镜3、时间延迟设备4、第二分光镜8、第一太赫兹天线11、第二太赫兹天线12、第一处理模块13和第二处理模块14。使用太赫兹时域光谱仪可以检测待测样品15的特性。待测样品15，比如刀片，管壁，药品等。

激光器1用于产生激光。激光作为太赫兹时域光谱仪的光源。本实施例中，激光器1是飞秒脉冲激光器1。激光器1产生飞秒脉冲激光。本实施方式中所描述的光程，均指由激光源产生的激光到达某一器件的光程。

第一分光镜3设置于激光的光路上，将激光分为泵浦光和探测光。泵浦光可用于使第一太赫兹天线11或第二太赫兹天线12产生太赫兹信号。探测光作为测试光。由于激光为脉冲激光，泵浦光和探测光也均为脉冲光波。

时间延迟设备4设置于探测光的光路上，时间延迟设备4用于调节探测光相对于泵浦光的时间延迟。

第二分光镜8设置于探测光的光路上，第二分光镜8用于将探测光分为第一探测光和第二探测光。

第一太赫兹天线11和第二太赫兹天线12，第一太赫兹天线11设置于第一探测光的光路上，第二太赫兹天线12设置于第二探测光的光路上。第一太赫兹天线11在泵浦光的作用下发射第一太赫兹波。第一太赫兹天线11还用于探测第一太赫兹波经由待测样品15反射的太赫兹波和第一探测光。由于泵浦光为脉冲光波，第一太赫兹天线11可以在相邻的两个泵浦光脉冲之间的时间间隙接收由待测样品15反射的太赫兹波。可以设计待测样品15和第一太赫兹天线11的距离为适当值，以使得由第一太赫兹天线11反射的太赫兹波返回至第一太赫兹天线11的时间恰好在两个相邻的泵浦光脉冲之间的时间间隙内。第一探测光和待测样品15反射的太赫兹波是相干波。第一太赫兹天线11测得第一探测光和待测样品15反射的太赫兹波便可以测出反射光谱。

第二太赫兹天线12用于探测第一太赫兹波经由待测样品15透射的太赫兹波和第二探测光。第二太赫兹天线12还接收第二探测光。同理，第二探测光和待测样品15透射的太赫兹波是相干波。第二太赫兹天线12测得第二探测光和待测样品15透射的太赫兹波便可以测出待测样品15对第一太赫兹波的吸收光谱。

第一处理模块13和第二处理模块14，第一处理模块13与第一太赫兹天线11连接。第一处理模块13用于根据第一太赫兹天线11测得的光谱信号对待测样品15进行反射信号分析。由上可知，第一太赫兹天线11测得的光谱信号为第一探测光与待测样品15反射的太赫兹波的相干波。由该相干波的光谱得到待测样品15对第一太赫兹波的反射光谱，进而可以分析待测样品15的相关特性。比如，对于不均匀的待测样品15，其内部存在分层，第一太赫兹波经过待测样品15反射，会形成不同时延的反射脉冲。由此便可检测待测样品15的均匀性。

第二处理模块14与第二太赫兹天线12连接，第二处理模块14用于根据第二太赫兹天线12测得的光谱信号对待测样品15进行透射信号分析。第二太赫兹天线12测得的光谱信号为第二探测光与待测样品15透射的太赫兹波的相干波。由该相干波的光谱即透射光谱便可以得到待测样品15对第一太赫兹波的吸收特性，进而可以分析待测样品15的特性。

上述太赫兹时域光谱仪，由于第二分光镜8将探测光分为第一探测光和第二探测光，且第一太赫兹天线11可以接收到第一探测光，第二太赫兹天线12可以接收到第二探测光。在第一太赫兹天线11发射第一太赫兹波至待测样品15后，第二太赫兹天线12能够接收到待测样品15透射的太赫兹波，第一太赫兹天线11还可以接收由待测样品15反射的太赫兹波。即第一太赫兹天线11接收到待测样品15反射的太赫兹波和第一探测光，第二太赫兹天线12接收到待测样品15透射的太赫兹波和第二探测光。第一处理模块13处理第一太赫兹天线11测得的光谱信号，得到反射光谱。第二处理模块14处理第二太赫兹天线12测得的光谱信号，得到透射光谱。因此，上述太赫兹光谱仪在设计好后，不需要更改光路或者增加太赫兹天线，就可以方便地测得待测样品15的反射光谱和透射光谱，便于全面地分析待测样品15的特性，结构简单，使用方便。

如图1所示，激光器1与第一分光镜3的光路上可以设置反射镜2，以灵活设置两者之间的位置。例如，激光由激光器1出射，经过了两个反射镜2到达第一分光镜3。并且，激光相继入射至两个反射镜2的入射角为45°，即一个反射镜的入射角与出射角之间的夹角为90°，这样，更方便灵活设置两者之间的相对位置。类似地，第一分光镜3和时间延迟设备4的光路上、第一分光镜3与第二分光镜8的光路上、时间延迟设备4和第二分光镜8的光路上、第二分光镜8与第一太赫兹天线11的光路上及第二分光镜8与第二太赫兹天线12的光路上也可以设置反射镜2。本实施例中，第二分光镜8之前的光路上的反射镜2的入射角均为45°，以使得各光学器件的位置比较规则。

时间延迟设备4包括时间延迟反射镜组5，探测光先经过时间延迟反射镜组5再入射至第二分光镜8。时间延迟反射镜组5为直角反射镜。探测光入射直角反射镜时的方向与经过直角反射镜后的传输方向相反。然后，经过直角反射镜后的探测光再由第一反射镜6反射至第二分光镜8。假设由直角反射镜反射至第一反射镜6的光波的光程为l1。l1为x1到x2之间的值。其中，x1和x2为正数。

如图1所示，本实施例中，第二分光镜8设置于泵浦光的光路上，第二分光镜8将泵浦光分为第一泵浦光和第二泵浦光。即第二分光镜8设置于探测光和泵浦光的光路上，在将探测光分为第一探测光和第二探测光的情况下，也将泵浦光分为第一泵浦光和第二泵浦光。本实施例中，探测光和泵浦光分别以45°的入射角入射至第二分光镜8的两个相对的面上。第一探测光垂直于探测光，第二探测光平行与探测光。第一泵浦光平行于泵浦光，第二泵浦光垂直于泵浦光。

本实施例中，第一太赫兹天线11和第二太赫兹天线12是两个相同的太赫兹天线。第一太赫兹天线11可以接收太赫兹波，也可以发射太赫兹波。第二太赫兹天线12可以接收太赫兹波，也可以发射太赫兹波。第一太赫兹天线11设置于第一泵浦光的光路上。第二太赫兹天线12设置于第二泵浦光的光路上。即第一太赫兹天线11可以在第一泵浦光的作用下发射第一太赫兹波。第二太赫兹天线12可以在第二泵浦光的作用下发射第二太赫兹波。如前述，本实施例中，在第一太赫兹天线11发射第一太赫兹波的情况下就可以测得待测样品15的反射光谱和透射光谱，无需使得第二太赫兹天线12也发射第二太赫兹波。在其它实施例中，也可以由第二太赫兹天线12发射第二太赫兹波，这样，由第一太赫兹天线11和第二太赫兹天线12同时测量待测样品15两个方向的反射光谱，更精确地测量待测物质的特性，具体情况可视需求设置。

本实施例中，待测样品15设置于第一太赫兹天线11与第二太赫兹天线12的连线的中点。并且，第二分光镜8至第一太赫兹天线11的光路与第二分光镜8至第二太赫兹天线12的光路轴对称。假设第一太赫兹天线11与第二太赫兹天线12的距离为l2。第一太赫兹天线11与第二太赫兹天线12之间的距离在第二预设范围内，以使的第一太赫兹天线11接收到的第一探测光和由待测样品15反射回的太赫兹波相干性较好。本实施例中，l2的范围为：l2∈[2x1，2x2]。

第一泵浦光到达第一太赫兹天线11时激光的光程与第二泵浦光到达第二太赫兹天线12时激光的光程相等。本实施例中，假设第一泵浦光到达第一太赫兹天线11的光程为l0。第一探测光到达第一太赫兹天线11时激光的光程与第二探测光到达第二太赫兹天线12时激光的光程相等。即由图1所示的光路，可得当第一探测光到达第一太赫兹天线11时，激光器1出射的激光的总光程l3为：

l3＝l0+2l1(1)

同理，当第二探测光到达第二太赫兹天线12时，激光器1出射的激光的总光程l4为：

l4＝l0+2l1(2)

当第一太赫兹天线11由待测样品15反射回的太赫兹波时，激光器1出射的激光的总光程l5为：

l5＝l0+l2(3)

因此，由式(1)和(3)可得，当第一太赫兹天线11由待测样品15反射回太赫兹波时，第一太赫兹天线11接收到的两相干波的光程差δl为:

δl＝2l1-l2(4)

同理，对于第二太赫兹天线12，当第二太赫兹天线12接收到由待测样品15透射的太赫兹波时，第二太赫兹天线12第二太赫兹天线12接收到的两相干波的光程差等于δl。

图2为一实施例的第二太赫兹天线12的光谱示意图。本实施例中，第二太赫兹天线12接收到由待测样品15透射的波sa(t)与第二太赫兹天线12接收的第二探测光f(t)的光程差在预设范围内变化。由δl的表达式可知，假设l1是个变量，且变化范围为在x1到x2之间，l2不变，则第二太赫兹天线12接收到由待测样品15透射的波sa(t)与第二探测光f(t)的光程差在一范围内变化，此范围为第一预设范围。在测试过程中，可以均匀地调节l1的大小，即使得l1在x1到x2之间均匀变化。如图2所示，与此同时，第二探测光f(t)的相位随时间均匀变化。在此过程中，第二太赫兹天线12接收到的两相干波(由待测样品15透射的太赫兹波sa(t)和第二探测光f(t))叠加便可得出透射光谱sf(t)。同理，在测试过程中，因为均匀地调节l1的大小，第一探测光的相位也在均匀变化。在此过程中，第一太赫兹天线11接收到的两相干波叠加便可得出反射光谱。

太赫兹光谱仪还包括位置调节设备(未示出)，位置调节设备与时间延迟设备4连接，位置调节设备用于驱动时间延迟设备4在探测光的方向上往复运动，以使得第二太赫兹天线12接收到由待测样品15透射的波与第二太赫兹天线12接收的第二探测光的光程差在第一预设范围内变化。位置调节设备可以是步进电机或者音圈电机。

需要说明的是，在其它实施例中，也不局限于调节l1的大小。要想第二太赫兹天线12接收到由待测样品15透射的波与第二太赫兹天线12接收的第二探测光的光程差在第一预设范围内变化，也可以调节l2的大小，可使具体情况灵活选择调节方式。

太赫兹时域光谱仪还包括第一聚焦透镜16和第二聚焦透镜17，第一聚焦透镜16设置于第一太赫兹天线11和待测样品15之间，第一聚焦透镜16将第一太赫兹波聚焦至待测样品15上。根据光路可逆原理，第一聚焦透镜16也可以将待测样品15反射回的太赫兹波经过第一聚焦透镜16聚焦至第一太赫兹天线11。第二聚焦透镜17设置于第二太赫兹天线12和待测样品15之间，第二聚焦透镜17将待测样品15透射的太赫兹波聚焦于第二太赫兹天线12上。这样，将光束会聚再传播并测试，可使得测试时光能量尽可能强，从而可以使得待测样品15的反射光谱和透射光谱的测试效果较好。

图3为一实施例的太赫兹时域光谱仪的示意图。本实施例中，太赫兹时域光谱仪还包括控制器20，控制器20控制第一太赫兹天线11在第一泵浦光的作用下发射第一太赫兹波，并控制第二太赫兹天线12不发射太赫兹波。或者，控制器20控制第二太赫兹天线12在第二泵浦光的作用下发射第二太赫兹波，并控制第一太赫兹天线11不发射太赫兹波。太赫兹时域光谱仪中，第一太赫兹天线11和第二太赫兹天线12有一个发射太赫兹波就可以测量待测样品15的透射太赫兹光谱和反射太赫兹光谱。由于整个系统的对称性，第一太赫兹天线11和第二太赫兹天线12的工作原理相同。

太赫兹时域光谱仪还包括第一电压模块24和第二电压模块(未示出)，控制器20通过控制第一电压模块24是否为第一太赫兹天线11提供偏置电压，以控制第一太赫兹天线11是否发射第一太赫兹波。具体地，第一太赫兹天线11接收到第一泵浦光的同时，控制器20控制第一电压模块24为第一太赫兹天线11提供偏置电压，则第一太赫兹天线11即可发射第一太赫兹波。也即第一泵浦光和偏置电压是第一太赫兹天线11能够产生第一太赫兹波的两个条件。因此，控制器20通过控制第一电压模块24即可控制第一太赫兹天线11是否产生第一太赫兹波。控制器20通过控制第二电压模块是否为第二太赫兹天线12提供偏置电压，以控制第二太赫兹天线12是否发射第二太赫兹波。与第一太赫兹天线11同样的道理，控制器20通过控制第二电压模块即可控制第一太赫兹天线11是否产生第二太赫兹波。

太赫兹时域光谱仪还包括第一定向耦合器22和第二定向耦合器(未示出)，第一处理模块13与第一电压模块24均通过第一定向耦合器22与第一太赫兹天线11连接，且第一处理模块13与控制器20连接。第二处理模块14与第二电压模块均通过第二定向耦合器与第二太赫兹天线12连接，且第二处理模块14与控制器20连接。具体地，第一定向耦合器22的作用是可以隔离第一电压模块24跟第一处理模块13，使第一电压模块24给第一太赫兹天线11供电，但是不会影响到第一处理模块13，第一太赫兹天线11探测到的信号可以耦合到第一处理模块13。这样，可以使得第一电压模块24的电压信号和第一太赫兹天线11的测得的相干信号之间不至于相互干扰，从而使得检测结果准确。对于第二定向耦合器也是同样的道理，也有类似的效果。第二太赫兹天线12、第二定向耦合器、第二电压模块、第二处理模块14及控制器之间的连接关系类似于图3中的第一太赫兹天线11与其相关器件的连接关系。

需要说明的是，太赫兹时域光谱仪中，激光器1与第一太赫兹天线11或第二太赫兹天线12之间的光路不局限于本实施方式，也可以灵活变换光路，只要能实现太赫兹时域光谱仪的功能即可。

以上所述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。

以上所述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。