一种光学积分球和气体样品太赫兹光谱采集装置的制作方法

本发明属于光谱采集技术领域，尤其涉及一种光学积分球和气体样品太赫兹光谱采集装置。

背景技术：

传统的太赫兹时域光谱仪(thz-tds)在对待测气体样品进行太赫兹光谱测试时，太赫兹光束形状和太赫兹探测天线不同位置的响应度差异将影响光谱的采集效率和测试结果的精确度，容易存在太赫兹光谱采集效率低，测试结果误差较大的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学积分球和气体样品太赫兹光谱采集装置，可以解决传统太赫兹时域光谱仪进行气体样品光谱采集测试时存在光谱采集效率低，测试结果误差较大的问题。

本发明实施例第一方面提供一种光学积分球，包括光学积分球本体，以及设于所述光学积分球本体上的入射窗、出射窗和进气口；

待测气体经所述进气口通入所述光学积分球本体；

所述入射窗用于将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射经所述进气口通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出。

可选的，所述进气口包括清洁气体进气口和待测气体进气口；

所述待测气体经所述待测气体进气口通入所述光学积分球本体；清洁气体经所述清洁气体进气口通入所述光学积分球本体。

可选的，所述光学积分球本体还设置有出气口。

可选的，所述待测气体进气口设有气体干燥器。

可选的，所述进气口为单向通气的进气口；所述出气口为单向通气的出气口。

可选的，所述清洁气体进气口、所述待测气体进气口和所述出气口分别设置有用于控制气体流通或关闭的电子阀门，以及用于检测气体流量大小的流量传感器；所述光学积分球本体内还设置有用于检测所述光学积分球本体内的气压值的气压传感器，以及与所述气压传感器、所述电子阀门和所述流量传感器连接的气压控制器；

所述气压控制器接收所述气压传感器检测到的气压值以及所述流量传感器检测到的气体流量大小，并将所述气压传感器检测到的气压值与预设气压值进行比较，输出电子阀门控制信号，以控制所述电子阀门的气体流量大小。

可选的，所述光学积分球还设置有与所述光学积分球本体配合的可拆卸透射样品放置架；

所述可拆卸透射样品放置架用于放置待测样品；

所述入射窗用于将所述待测样品经太赫兹光束照射产生的第二样品光入射至所述光学积分球本体中，所述第二样品光经过所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出。

可选的，所述光学积分球还设置有与所述光学积分球本体配合的可拆卸反射样品放置架；

所述可拆卸反射样品放置架用于放置待测样品；

所述入射窗用于将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射所述可拆卸反射样品放置架上放置的待测样品，生成第三样品光；所述第三样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出。

本发明实施例第二方面提供一种气体样品太赫兹光谱采集装置，包括上述第一方面所述的光学积分球，以及激光光源、分束器、太赫兹辐射天线和太赫兹探测天线；

所述激光光源发射的激光经所述分束器分成探测光和泵浦光；

所述探测光射入所述太赫兹探测天线；

待测气体经所述进气口通入所述光学积分球本体；

所述泵浦光照射至所述太赫兹辐射天线上出射太赫兹光束；所述太赫兹光束经所述光学积分球本体的入射窗入射至所述光学积分球本体中，并照射经所述进气口通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射入所述太赫兹探测天线；所述太赫兹探测天线接收所述探测光和从所述出射窗射出的样品光，生成所述待测气体对应的太赫兹光谱信号。

本发明实施例中，通过将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中，并让所述太赫兹光束照射经所述进气口通入的待测气体，生成第一样品光，使所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出，使得从所述出射窗射出的样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，提高了待测样品太赫兹反射光谱的采集效率和测试结果的精确度，解决了传统太赫兹时域光谱仪进行气体样品光谱采集测试时存在光谱采集效率低，测试结果误差较大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的光学积分球的第一结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光学积分球的第二结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光学积分球的第三结构示意图；

图4是本发明实施例提供的固体放置架与可拆卸栅栏架的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的光学积分球的第四结构示意图；

图6是本发明实施例提供的光学积分球的第五结构示意图；

图7是本发明实施例提供的气体样品太赫兹光谱采集装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例提供的一种光学积分球的第一结构示意图，所述光学积分球包括：光学积分球本体1，以及设于所述光学积分球本体上的入射窗1-1、出射窗1-2和进气口1-3；待测气体经所述进气口1-3通入所述光学积分球本体；所述入射窗1-1用于将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射经所述进气口1-3通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出，使得从所述出射窗射出的样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，提高了气体样品太赫兹光谱的采集效率和测试结果的精确度，解决了传统太赫兹时域光谱仪进行气体样品光谱采集测试时存在光谱采集效率低，测试结果误差较大的问题。

可选的，如图2所示，所述进气口1-3可以包括清洁气体进气口1-31和待测气体进气口1-32；待测气体经所述待测气体进气口1-32通入所述光学积分球本体；清洁气体经所述清洁气体进气口通入所述光学积分球本体。

其中，所述清洁气体可以为纯净的氮气或其他气体，例如，所述清洁气体可以为纯净的稀有气体等等，本发明对此不做限制。

可选的，如图2所示，为了排除水汽对所述待测气体测试结果的干扰，所述待测气体进气口1-32还可以设置有气体干燥器1-33。

可选的，如图2所示，所述光学积分球本体还可以设置有出气口1-34。

为了避免外界气体与所述积分球本体内的气体发生自由交换，影响样品太赫兹光谱的采集质量，所述进气口可以为单向通气的进气口；所述出气口为单向通气的出气口。

本发明实施例中，在进行气体样品太赫兹透射光谱采集时，可以先设置好所述积分球本体的预设气压值；其中，所述预设气压值可以包括参考气体气压值和样品气体气压值；接着，打开所述清洁气体进气口1-31通入清洁气体，并开启所述出气口1-34，排除所述积分球本体内其他气体的干扰；然后，在将所述积分球本体中的气压调节至所述参考气体气压值时，关闭所述清洁气体进气口1-31和所述出气口1-34，获取此时从所述光学积分球本体的出射窗射出的太赫兹光束，并得到相应的太赫兹光谱信号，将其作为参考信号，再接着，打开所述待测气体进气口1-31通入所述待测气体，在将所述积分球本体中的气压调节至所述样品气体气压值时，关闭所述待测气体进气口1-32，停止进气，根据所述参考气体气压值和所述样品气体气压值可以计算出待测气体的体积比，最后，太赫兹光束照射所述积分球本体内的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出，进而获得所述待测气体的太赫兹光谱。

其中，所述预设气压值的具体取值可以根据实际应用场景或实践经验得到，本发明对此不做限制。

可选的，所述进气口1-3和出气口1-34可以分别设置有用于控制气体流通或关闭的电子阀门，以及用于检测气体流量大小的流量传感器。所述光学积分球本体内还设置有用于检测所述光学积分球本体内的气压值的气压传感器，以及与所述气压传感器、所述电子阀门和所述流量传感器连接的气压控制器；所述气压控制器接收所述气压传感器检测到的气压值以及所述流量传感器检测到的气体流量大小，并将所述气压传感器检测到的气压值与预设气压值进行比较，输出电子阀门控制信号，以控制所述电子阀门的气体流量大小，从而使所述积分球本体内的气压值保持在所述预设气压值。

另外，在本发明的一些实施方式中，如图2所示，所述光学积分球还可以包括温度控制器1-4和/或湿度控制器1-5，以调节所述光学积分球本体内的温度和/或湿度。

在本发明的一些实施方式中，所述光学积分球本体内还可以设置有遮蔽屏1-6，以防止未经过所述光学积分球本体的漫反射直接从所述光学积分球本体的出射窗射出的太赫兹光束给测试结果带来干扰。

实施例二

如图3所示，在本发明的一些实施方式中，上述实施例一的各个实施方式的光学积分球还可以设置有与所述光学积分球本体配合的可拆卸透射样品放置架1-7。所述可拆卸透射样品放置架1-7用于放置待测样品。所述入射窗1-1用于将所述待测样品经太赫兹光束照射产生的第二样品光入射至所述光学积分球本体1中，所述第二样品光经过所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗1-2射出，使得从所述出射窗射出的第二样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低样品形态、太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，并且可以不需要对待测样品进行繁杂的前处理，提高了待测样品太赫兹透射光谱的采集效率和测试结果的精确度。

其中，所述待测样品可以为固体待测样品，也可以为液体待测样品。

可选的，如图4所示，所述可拆卸透射样品放置架可以包括设有透射窗的固体放置架1-7-1。

所述固体放置架1-7-1的中心空槽处可以放置颗粒或粉末样品，无需进行测试前的压片处理，具有便捷高效的特点。

可选的，如图4所示，所述可拆卸透射样品放置架还可以包括位于所述固体放置架1-7-1上的可拆卸栅栏架1-7-2。

当所述待测样品为液体时，可以在所述可拆卸栅栏架1-7-2放置不同大小的液体池进行液体待测样品的透射光谱测试。而当所述待测样品为固体时，则可以将所述可拆卸栅栏架1-7-2从所述固体放置架1-7-1上拆除，以放置不同大小的固体样品，使得待测样品无需进行测试前的压片处理，具有便捷高效的特点。

可选的，在本发明的一些实施方式中，所述入射窗、出射窗和透射窗的制备材料均为高纯度的聚乙烯材料，以便最大程度的降低窗口对太赫兹波的损耗。

可选的，在本发明的一些实施方式中，所述出射窗还设置有可变光阑，以便根据测试需要调节光阑大小控制信号的强弱。

本发明实施例中，在进行样品太赫兹透射光谱采集时，可以先根据样品形态(固体或液体)选择合适的固体放置架1-7-1或可拆卸栅栏架1-7-2，并将其安装在所述积分球本体上，接着，可以设置好所述积分球本体的预设气压值；再接着，打开所述清洁气体进气口1-31通入清洁气体，并开启出气口1-34，排除所述积分球本体内其他气体的干扰；然后，在所述积分球本体中的气压调节至所述预设气压值时，关闭所述清洁气体进气口1-31和所述出气口1-34，获取此时从所述光学积分球本体的出射窗射出的太赫兹光束，并得到相应的太赫兹光谱信号，将其作为参考信号，最后，将所述待测样品置于所述可拆卸透射样品放置架1-3上，并通过入射窗1-1将所述待测样品经太赫兹光束照射产生的第二样品光入射至所述光学积分球本体1中，以便所述第二样品光经过所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体1的出射窗1-2射出，获得所述待测样品的太赫兹透射光谱。

实施例三

如图5所示，在本发明的一些实施方式中，上述实施例一的各个实施方式的光学积分球还可以设置有与所述光学积分球本体配合的可拆卸反射样品放置架1-8；所述可拆卸反射样品放置架1-8用于放置待测样品；所述入射窗1-1用于将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射所述可拆卸反射样品放置架1-8上放置的待测样品，生成第三样品光；所述第三样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗1-2射出；使得从所述出射窗射出的第三样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低样品形态、太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，并且可以不需要对待测样品进行繁杂的前处理，提高了待测样品太赫兹反射光谱的采集效率和测试结果的精确度。

可选的，在本发明的一些实施方式中，所述光学积分球本体上还可以开设有用于安装所述可拆卸反射样品放置架的开槽；在进行待测样品反射光谱采集时，所述可拆卸反射样品放置架安装在所述开槽上。

也就是说，在进行待测样品太赫兹反射光谱采集时，所述可拆卸反射样品放置架可以安装在所述开槽上；在结束所述待测样品太赫兹反射光谱采集时，所述可拆卸反射样品放置架可以从所述开槽上拆卸出来。

例如，在结束所述待测样品太赫兹反射光谱采集时，所述可拆卸反射样品放置架可以从所述开槽上拆卸出来之后，可以在所述开槽上安装可拆卸白板。

本发明的一些实施方式中，在进行待测样品太赫兹反射光谱采集时，可以先设置好所述积分球本体的预设气压值，并将所述可拆卸反射样品放置架安装在所述光学积分球本体上；再接着，打开所述清洁气体进气口1-31通入清洁气体，并开启出气口1-34，排除所述积分球本体内其他气体的干扰；然后，在所述积分球本体中的气压调节至所述预设气压值时，关闭所述清洁气体进气口1-31和所述出气口1-34，获取此时从所述光学积分球本体的出射窗射出的太赫兹光束，并得到相应的太赫兹光谱信号，将其作为参考信号，最后，将所述待测样品置于所述可拆卸反射样品放置架1-8上，并通过入射窗1-1将所述待测样品经太赫兹光束照射产生的样品光入射至所述光学积分球本体1中，以便所述样品光经过所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体1的出射窗1-2射出，获得所述待测样品的太赫兹反射光谱。

实施例四

如图6所示，在本发明的一些实施方式中，上述实施例三的各个实施方式的光学积分球还可以包括与所述光学积分球本体配合的可拆卸透射样品放置架1-7和可拆卸白板1-9；所述可拆卸透射样品放置架1-7用于放置所述待测样品；所述可拆卸白板1-9与所述可拆卸反射样品放置架1-8在所述光学积分球本体的安装位置相同。在进行样品透射光谱采集时，所述可拆卸透射样品放置架1-32和所述可拆卸白板1-33安装在所述光学积分球本体上；在进行样品反射光谱采集时，只将所述可拆卸反射样品放置架1-31安装在所述光学积分球本体上，所述可拆卸透射样品放置架1-32和所述可拆卸白板1-31不需要安装在所述光学积分球本体上。

具体的，在进行气体样品太赫兹透射光谱采集时，可以将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射经所述进气口1-3通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出，使得从所述出射窗射出的样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，提高了气体样品太赫兹光谱的采集效率和测试结果的精确度，解决了传统太赫兹时域光谱仪进行气体样品光谱采集测试时存在光谱采集效率低，测试结果误差较大的问题。

在进行样品透射光谱采集时，所述可拆卸透射样品放置架和所述可拆卸白板安装在所述光学积分球本体上，所述可拆卸透射样品放置架用于放置所述待测样品，所述入射窗用于将所述待测样品经太赫兹光束照射产生的第二样品光入射至所述光学积分球本体中，所述第二样品光经过所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出。

在进行样品反射光谱采集时，所述可拆卸反射样品放置架安装在所述光学积分球本体上，所述可拆卸反射样品放置架用于放置待测样品，所述入射窗用于将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中；所述太赫兹光束照射所述可拆卸反射样品放置架上放置的待测样品，生成所述第三样品光；所述第三样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出。

本实施例中的光学积分球具有集成度高、普适性强、应用范围广的特点。在本实施例中，所述光学积分球可以用于气体样品太赫兹光谱的采集，以及液体或固体的太赫兹透射光谱的采集和液体或固体的太赫兹反射光谱的采集。即，可以实现气体、液体、固体的透射光谱采集。并且，通过利用光学积分球进行匀光，可以实现最大程度的降低样品形态、太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，同时，可以不需要对待测样品进行繁杂的前处理，简化了固体待测样品和液体待测样品的前处理流程，提高了气体样品、固体待测样品和液体待测样品太赫兹光谱的采集效率和测试结果的精确度。

实施例五

如图7所示，本发明实施例还提供一种气体样品太赫兹光谱采集装置，所述气体样品太赫兹光谱采集装置可以包括上述实施例一至实施例四中各实施方式描述的光学积分球71，以及激光光源72、分束器73、太赫兹辐射天线74和太赫兹探测天线75；所述激光光源72发射的激光经所述分束器73分成探测光和泵浦光；所述探测光射入所述太赫兹探测天线75；所述泵浦光照射至所述太赫兹辐射天线74上出射太赫兹光束；所述太赫兹光束经所述光学积分球本体的入射窗入射至所述光学积分球本体中，并照射经所述进气口1-3通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗1-2射入所述太赫兹探测天线75；所述太赫兹探测天线75接收所述探测光和从所述出射窗1-2射出的样品光，生成所述待测气体对应的太赫兹光谱信号。

可选的，所述激光光源72可以为飞秒激光器，所述激光器的类型不限，只要能够发出光脉冲即可适用于本发明。

可选的，如图7所示，所述分束器73可以包括反射片731、733、735，以及分束片732和光学延迟系统734。

需要说明的是，在本发明实施方式中，所述反射片的数量和位置以及所述分束片和所述光学延迟系统的位置可以根据实际应用场景进行设置，此处仅仅是举例说明，不表示为对本发明保护范围的限制。例如，所述光学延迟系统还可以位于所述分束片732与所述反射片733之间。

其中，所述光学延迟系统734可以是一个通过控制镜片快速移动调节光程差的系统，其目的是为了使所述太赫兹探测天线75同时接收到所述探测光和从所述出射窗射出的样品光(第一样品光、第二样品光或第三样品光)，以实现所述探测光和从所述出射窗射出的样品光之间产生相干作用，从而得到所述待测气体或待测样品的太赫兹光谱信息。

可选的，所述太赫兹辐射天线74可以包括生成太赫兹光束的辐射天线741，以及用于将所述太赫兹光束聚焦到所述光学积分球本体的入射窗处的抛物面镜742、743。

需要说明的是，在本发明实施方式中，所述抛物面镜的数量和位置可以根据实际应用场景进行设置，此处仅仅是举例说明，不表示为对本发明保护范围的限制。

如图7所示，本发明实施例中，所述激光光源72发射的激光经所述分束器73的分束片732分成探测光和泵浦光；所述探测光经所述光学延迟系统734射入所述太赫兹探测天线75；所述泵浦光照射至所述辐射天线741上出射太赫兹光束；所述太赫兹光束经所述抛物面镜742、743聚焦后经所述光学积分球本体的入射窗入射至所述光学积分球本体中，并照射经所述进气口通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射入所述太赫兹探测天线75；所述太赫兹探测天线75接收所述探测光和从所述出射窗射出的样品光，生成所述待测气体对应的太赫兹光谱信号。

需要说明的是，为了描述的方便和简洁，本发明实施例中的气体样品太赫兹光谱采集装置的光学积分球的具体结构以及所述光学积分球的相关工作过程，可以参考前述各个实施方式，此处不再赘述。

本发明实施例中，通过将太赫兹光束入射至所述光学积分球本体中，并照射经所述进气口通入的待测气体，生成第一样品光；所述第一样品光经所述光学积分球本体漫反射后从所述光学积分球本体的出射窗射出，使得从所述出射窗射出的第一样品光为经过所述光学积分球本体均匀化后的光信号，可以最大程度的降低太赫兹光束形状以及太赫兹探测天线不同位置的响应度差异对测试结果造成的干扰，并且可以不需要对待测样品进行繁杂的前处理，提高了待测样品太赫兹反射光谱的采集效率和测试结果的精确度。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的光学积分球和气体样品太赫兹光谱采集装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，各个组件的划分，仅仅为一种功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。