一种太赫兹精细谱探测仪的制作方法

本发明涉及光谱分析仪领域，更具体地，涉及一种用于物质的太赫兹精细谱探测仪。

背景技术：

物质的太赫兹谱包含了物质丰富的物理和化学信息，研究物质的太赫兹谱不仅对研究基础物理相互作用有意义，而且有助于实现物质的定性鉴别和定量分析。早期包括目前大部分物质的太赫兹谱测试都采用太赫兹时域光谱仪（terahertztime-domainspectroscopy,thz-tds），这种系统可用于确定探测物质的复介电常数，提供物质的静态特性。thz-tds的一个重要优势是其宽谱特性，可以用于透射和反射成像。如图1所示系统是一种典型的透射式thz-tds系统，该系统工作时，飞秒激光器发出的飞秒激光由分光镜分为两束，其中一束激光照射到光电导开关来产生太赫兹波，产生的太赫兹波通过离轴抛面镜聚焦后入射到样品上，另一束激光经光学延迟线反射后入射到电光晶体上实现对透射过样品的太赫兹波幅值和相位的采样，采样后的信号经偏振光探测器和锁相放大器后由计算机进行数据处理，最终获得样品的透射谱。由于thz-tds系统是对记录的时域波形进行傅里叶变换到频率，其谱分辨率受到光学延迟线精度的制约，通常在ghz量级，只能实现特征谱的粗测，如果某细胞或分子的特征谱线呈现窄线宽特性，可能会出现丢失现象。

因此，有必要设计一种新的探测仪，用于提高谱分辨率的量级，并用于实现物质太赫兹精细谱的测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有thz-tds系统的谱分辨率低的问题，设计一种太赫兹精细谱探测仪，该仪器基于固态电子学系统，通过太赫兹倍频链阵列产生连续太赫兹波，可以将谱分辨率提升至百khz量级，比thz-tds系统提升三个量级；该探测仪可以实现物质太赫兹精细谱的测量，更好地进行物质的定性鉴别和定量分析。

本发明的技术方案如下：

一种太赫兹精细谱探测仪，其特征在于：整个仪器包括发射支路和接收支路；

所述发射支路中，包括有第一微波源、第一太赫兹倍频链阵列、太赫兹固态功放、太赫兹发射天线，第一微波源的信号进入太赫兹倍频链阵列，太赫兹倍频链阵列产生的信号通过太赫兹固态功放进行放大，经过太赫兹固态功放放大的信号经过太赫兹发射天线向外辐射，即太赫兹波；

所述接收支路中，包括有第二微波源、第二太赫兹倍频链阵列、太赫兹低噪放、太赫兹接收天线、混频器和数据处理系统，太赫兹波由太赫兹接收天线收集后经过太赫兹低噪放，经过太赫兹低噪放的信号作为第一输入信号，输入到混频器，混频器的第二输入信号是第二微波源通过第二太赫兹倍频链阵列后的信号，经过混频器后的输出信号进入信号处理系统。

在所述发射支路中，还包括第一太赫兹透镜，在太赫兹发射天线外，由第一太赫兹透镜实现太赫兹波的聚焦。

在所述接收支路中，还包括第二太赫兹透镜，在太赫兹接收天线外，由第二太赫兹透镜实现太赫兹波的聚焦。

所述发射支路中的第一微波源和接收支路中的第二微波源是相干的。

所述发射支路的第一太赫兹倍频链阵列和接收支路中的第二太赫兹倍频链阵列均是分频率段设计的，均包括第一段太赫兹倍频链、第二段太赫兹倍频链、……、第n段太赫兹倍频链，其中n≥1，所述这些分段太赫兹倍频链所覆盖的频率范围各不相同，具体的分段数n由实际的测量需求来决定；利用这种太赫兹倍频链阵列可以实现0.1-1.5thz范围全覆盖。

本发明的有益效果如下：

第一，本探测仪通过太赫兹倍频链阵列来产生连续太赫兹波，可以测量物质的太赫兹精细谱，谱分辨率可达百khz，比thz-tds系统提升三个量级。

本探测仪采用全固态方式实现，易于集成，可靠性高。

第三，本探测仪采用自由空间法测量物质的透射谱，具有校准方便、对待测样品无损伤的优点。

第四，本探测仪可以实现0.1-1.5thz频段内的精细谱测量。

附图说明

图1是传统的thz-tds系统示意图。

图2是本发明的系统示意图。

图3是利用本发明测量待测样品的实施示意图。

具体实施方式

一种太赫兹精细谱探测仪，如图2所示，整个仪器由发射支路和接收支路组成。

所述发射支路中，包括有第一微波源、第一太赫兹倍频链阵列、太赫兹固态功放、太赫兹发射天线、第一太赫兹透镜。第一微波源的信号进入太赫兹倍频链阵列，太赫兹倍频链阵列产生的信号通过太赫兹固态功放进行放大，经过太赫兹固态功放放大的信号经过太赫兹发射天线向外辐射，即太赫兹波；在太赫兹发射天线外，由第一太赫兹透镜实现太赫兹波的聚焦。

所述接收支路中，包括有第二微波源、第二太赫兹倍频链阵列、太赫兹低噪放、太赫兹接收天线、混频器和数据处理系统，太赫兹波由太赫兹接收天线收集后经过太赫兹低噪放，经过太赫兹低噪放的信号作为第一输入信号，输入到混频器，混频器的第二输入信号是第二微波源通过第二太赫兹倍频链阵列后的信号，经过混频器后的输出信号进入信号处理系统；在太赫兹接收天线外，由第二太赫兹透镜实现太赫兹波的聚焦。

所述发射支路中的第一微波源和接收支路中的第二微波源是相干的。

所述发射支路的第一太赫兹倍频链阵列和接收支路中的第二太赫兹倍频链阵列均是分频率段设计的，均包括第一段太赫兹倍频链、第二段太赫兹倍频链、……、第n段太赫兹倍频链，其中n≥1所述这些分段太赫兹倍频链所覆盖的频率范围各不相同，具体的分段数n由实际的测量需求来决定；利用这种太赫兹倍频链阵列可以实现0.1-1.5thz范围全覆盖。

如图3所示，本系统用于测量物质的太赫兹精细谱时，待测样品表面与太赫兹透镜光轴垂直，待测样品的两个表面光滑且内部均匀，待测样品的半径大于样品处高斯波束的束腰半径。

测量待测样品时，由发射支路的第一太赫兹透镜将太赫兹发射天线辐射出来的太赫兹波聚焦于待测样品处；透过待测样品的太赫兹波通过接收支路的第二太赫兹透镜聚焦后由太赫兹接收天线接收。

本系统测量的待测样品可以是固态、液体与粉末状物质。

本系统中，当接收支路与发射支路位于待测样品的同一侧时，测量得到的是待测样品的反射谱。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种用于物质的太赫兹精细谱探测仪，采用室温相干太赫兹源和检测方法，包括发射支路和接收支路，发射支路和接收支路均设计有太赫兹倍频链阵列，通过太赫兹倍频链阵列来产生连续太赫兹波；太赫兹倍频链阵列根据实际测量需求设计有具体的分段数，利用这种太赫兹倍频链阵列可以实现0.1‑1.5 THz范围全覆盖；因此本发明，可以测量物质的太赫兹精细谱，谱分辨率可达百KHz，比THz‑TDS系统提升三个量级；本发明采用全固态方式实现，易于集成，可靠性高；进一步的，采用自由空间法测量物质的透射谱，具有校准方便、对待测样品无损伤的优点。

技术研发人员：成彬彬;尹格;刘杰;安健飞;喻洋;周人;邓贤进
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院电子工程研究所
技术研发日：2018.07.05
技术公布日：2019.01.04