一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法，该装置包括一个太赫兹超材料阵列结构，由若干个钽酸锂介质圆柱、一个材料为硅的介质基底、聚乙烯盖板和聚乙烯封闭挡板构成，将待测液体装在聚乙烯盖板和硅衬底之间、介质圆柱周围设置的存放待测液体的空腔中。当太赫兹波从聚乙烯盖板侧入射，在硅衬底侧得到太赫兹波响应，然后进行太赫兹波谱分析。该装置具有检测时间短、可在室温下工作等特点，同时该分析装置将多个单元器件高度集成在一起，可高效的对待测液体的浓度变化进行太赫兹波谱分析，在对液体的浓度测定的方面具有广泛的应用潜力。

A High Sensitivity THz Spectrum Detection Device and Method for Liquid Concentration

【技术实现步骤摘要】
一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法
本专利技术属于太赫兹波技术应用领域，特别涉及一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法。
技术介绍
太赫兹波(terahertzwave)是指频率为0.1～10.0THz(1THz＝1012Hz)的电磁波，此波段下临微波波段上临红外波段，具有其二者的优点，空间分辨率比微波更好，穿透性也比红外线更强。太赫兹波有光子能量低的特点(1THz约为4.1meV)，不会产生电离效应破坏有机体和生物组织。物质本身的太赫兹谱具有丰富的信息，由于分子间或分子内部的氢键、范德华力以及偶极子转动等化学分子的振动和转动能级对应太赫兹频段，尤其是很多有机分子能级位于该波段，使得其分子在太赫兹波段具有独特透射谱，因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。铁电相钽酸锂晶体是功能材料领域的“万能”材料。它们具有良好的机械、物理性能和成本低等优点，并且作为非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、声光晶体和双折射晶体等在现今以光技术产业中得到了广泛的应用。以前的工作显示，晶体材料的结构与其光学性能息息相关。波谱分析主要是以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互关系，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构分析和鉴定的方法。波谱分析已成为现代进行物质分子结构分析和鉴定的主要方法之一。随着科技的发展，技术的革新和计算机应用，波谱分析也得到迅速发展。波谱分析法具有优点突出，广泛应用等特点，是诸多科研和生产领域不可或缺的工具。随着科技发展和分析要求的不断提高，使得科研工作者对波谱分析法也在不断创新。波谱分析法由于其快速、灵敏、准确、对环境条件要求不高、对材料折射率检测方面起着重要的作用，已成为材料分析和鉴定常用的分析工具和重要的分析方法。近年来，随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展，THz技术取得了许多令人瞩目的成果。超材料作为功能器件被越来越多地应用于太赫兹领域，如吸波器、滤波器、调制器、传感器和偏振器。特别是THz超材料在非电离的生物化学传感应用方面有着很大潜力，不仅因为许多物质在THz波段存在指纹谱。而且，相比常规的太赫兹时域光谱测量法，基于太赫兹超材料的传感测量法具有简便和灵敏度更高的优点。因此，基于超材料的太赫兹传感器研究成为了THz技术研究的热点。
技术实现思路
本专利技术为克服现有液体浓度检测方法的不足，利用太赫兹波对液体的透射特性进行液体浓度的分析检测，提出了一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱传感检测装置，满足安全性、高灵敏度、检测时间段、操作方便、可在室温下工作等要求。本专利技术技术方案如下：一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置，包括飞秒激光器、斩波器、分束器、光电导天线、第一抛面镜、第一聚四氟乙烯透镜、第一硅透镜、太赫兹超材料阵列结构、第二硅透镜、第二聚四氟乙烯透镜、第二抛面镜、延时线、第一反射镜、第二反射镜、薄膜分束镜、ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器、锁相放大器和计算机；所述的太赫兹超材料阵列结构包括硅衬底、介质圆柱、聚乙烯盖板和聚乙烯封闭挡板；介质圆柱设置在聚乙烯盖板和硅衬底之间，介质圆柱的两个端面分别与聚乙烯盖板和硅衬底抵接，若干个介质圆柱呈周期性阵列结构；在聚乙烯盖板和硅衬底之间、介质圆柱周围设有存放待测液体的空腔，通过聚乙烯盖板和硅衬底之间的聚乙烯封闭挡板密封；电磁波在周期性阵列结构内耦合得到特定的太赫兹透射谱线，结构表面物质的细微变化都会引起太赫兹透射谱线产生明显的偏移，即可增强在太赫兹区域中对待测液体的感测效果，有效提高不同浓度液体的太赫兹透射谱的检测灵敏度。进一步的，飞秒激光器产生的激光光路上顺次设有斩波器和分束器，分束器将飞秒激光器产生的激光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线，泵浦光经光电导天线激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜准直和第一聚四氟乙烯透镜聚焦后到达第一硅透镜的入射球面，经第一硅透镜耦合穿透聚乙烯盖板，进入存放待测液体的空腔，再经硅衬底进入第二硅透镜的入射平面，从第二硅透镜的出射球面耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜准直和第二抛面镜聚焦后，透过薄膜分束镜到达ZnTe晶体的入射面；探测光光路上顺次设有延时线、第一反射镜、第二反射镜和薄膜分束镜；探测光经薄膜分束镜反射后，在ZnTe晶体的入射面与太赫兹脉冲汇合，再顺次透过ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜后被光电平衡探测器探测；光电平衡探测器通过锁相放大器与计算机连接。本专利技术还公开了一种所述液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置的检测方法，步骤如下：1)向太赫兹超材料阵列结构中加入待测液体，直至存放待测液体的空腔全部填满；2)飞秒激光器产生的激光经过斩波器和分束器，分束器将飞秒激光器产生的激光分为泵浦光和探测光；泵浦光经光电导天线激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜准直和第一聚四氟乙烯透镜聚焦后到达第一硅透镜的入射球面，经第一硅透镜耦合穿透聚乙烯盖板，进入存放待测液体的空腔，再经硅衬底进入第二硅透镜的入射平面，从第二硅透镜的出射球面耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜准直和第二抛面镜聚焦后，透过薄膜分束镜到达ZnTe晶体的入射面；探测光顺次经过延时线、第一反射镜、第二反射镜和薄膜分束镜，在ZnTe晶体的入射面与太赫兹脉冲汇合，再顺次透过ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜后被光电平衡探测器探测；所测电信号被锁相放大器放大后送入计算机，经计算机对太赫兹时域光谱系统所测的透过率数据信息进行拟合处理，得到待测液体的太赫兹透射谱；3)将待测液体的太赫兹透射谱中透过率最低的点所对应的频率作为谐振频率点，待测液体的谐振频率点的位置跟待测液体浓度之间是一一对应关系；根据待测液体的谐振频率点与待测液体浓度之间的标定曲线，得到待测液体的浓度。本专利技术具有如下优点：1)由于太赫兹本身光子能量低，不会产生电离效应，所以使用安全，不会对人体造成伤害；2)太赫兹超材料阵列结构采用全介质材料构成，不存在欧姆损耗，其结果更为精确；3)电磁波传播速度为光速，系统检测等待时间大部分为计算机对信号的处理时间，具有检测时间短的优点；4)液体浓度高灵敏度太赫兹谱传感检测装置可在室温下产生电磁波对样品进行检测，具有设备简单可常温检测的优点；本专利技术可以广泛应用于液体浓度的精确测定，可以高效地对液体进行浓度传感，为未知浓度液体的测量提供了一种方便、快捷、精确的检测装置。附图说明图1为本专利技术液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置结构图；图2为本专利技术太赫兹超材料阵列结构的结构图；图3为本专利技术太赫兹超材料阵列结构正视方向的三层结构示意图；图4为本专利技术对酒精溶液的浓度从0％到100％检测的太赫兹透射谱；图5为本专利技术酒精的谐振频率点与酒精浓度之间的标定曲线；图中：飞秒激光器1、斩波器2、分束器3、光电导天线4、第一抛面镜5、第一聚四氟乙烯透镜6、第一硅透镜7、太赫兹超材料阵列结构8、第二硅透镜9、第二聚四氟乙烯透镜10、第二抛面镜11、延时线12、第一反射镜13、第二反射镜14、薄膜分束镜15、ZnT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置，其特征在于包括飞秒激光器(1)、斩波器(2)、分束器(3)、光电导天线(4)、第一抛面镜(5)、第一聚四氟乙烯透镜(6)、第一硅透镜(7)、太赫兹超材料阵列结构(8)、第二硅透镜(9)、第二聚四氟乙烯透镜(10)、第二抛面镜(11)、延时线(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、薄膜分束镜(15)、ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)、光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)和计算机(21)；所述的太赫兹超材料阵列结构(8)包括硅衬底(23)、介质圆柱(25)、聚乙烯盖板(22)和聚乙烯封闭挡板(27)；介质圆柱设置在聚乙烯盖板和硅衬底之间，介质圆柱的两个端面分别与聚乙烯盖板和硅衬底抵接，若干个介质圆柱呈周期性阵列结构；在聚乙烯盖板和硅衬底之间、介质圆柱周围设有存放待测液体的空腔(26)，通过聚乙烯盖板和硅衬底之间的聚乙烯封闭挡板密封；飞秒激光器(1)产生的激光光路上顺次设有斩波器(2)和分束器(3)，分束器(3)将飞秒激光器(1)产生的激光分为泵浦光和探测光；泵浦光光路上设有光电导天线(4)，泵浦光经光电导天线(4)激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜(5)准直和第一聚四氟乙烯透镜(6)聚焦后到达第一硅透镜(7)的入射球面，经第一硅透镜耦合穿透聚乙烯盖板，进入存放待测液体的空腔，再经硅衬底进入第二硅透镜(9)的入射平面，从第二硅透镜(9)的出射球面耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜(10)准直和第二抛面镜(11)聚焦后，透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)的入射面；探测光光路上顺次设有延时线(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(14)和薄膜分束镜(15)；探测光经薄膜分束镜反射后，在ZnTe晶体的入射面与太赫兹脉冲汇合，再顺次透过ZnTe晶体、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)后被光电平衡探测器(19)探测；光电平衡探测器通过锁相放大器(20)与计算机(21)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种液体浓度的高灵敏度太赫兹谱检测装置，其特征在于包括飞秒激光器(1)、斩波器(2)、分束器(3)、光电导天线(4)、第一抛面镜(5)、第一聚四氟乙烯透镜(6)、第一硅透镜(7)、太赫兹超材料阵列结构(8)、第二硅透镜(9)、第二聚四氟乙烯透镜(10)、第二抛面镜(11)、延时线(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、薄膜分束镜(15)、ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)、光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)和计算机(21)；所述的太赫兹超材料阵列结构(8)包括硅衬底(23)、介质圆柱(25)、聚乙烯盖板(22)和聚乙烯封闭挡板(27)；介质圆柱设置在聚乙烯盖板和硅衬底之间，介质圆柱的两个端面分别与聚乙烯盖板和硅衬底抵接，若干个介质圆柱呈周期性阵列结构；在聚乙烯盖板和硅衬底之间、介质圆柱周围设有存放待测液体的空腔(26)，通过聚乙烯盖板和硅衬底之间的聚乙烯封闭挡板密封；飞秒激光器(1)产生的激光光路上顺次设有斩波器(2)和分束器(3)，分束器(3)将飞秒激光器(1)产生的激光分为泵浦光和探测光；泵浦光光路上设有光电导天线(4)，泵浦光经光电导天线(4)激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜(5)准直和第一聚四氟乙烯透镜(6)聚焦后到达第一硅透镜(7)的入射球面，经第一硅透镜耦合穿透聚乙烯盖板，进入存放待测液体的空腔，再经硅衬底进入第二硅透镜(9)的入射平面，从第二硅透镜(9)的出射球面耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜(10)准直和第二抛面镜(11)聚焦后，透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)的入射面；探测光光路上顺次设有延时线(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(14)和薄膜分束镜(15)；探测光经薄膜分束镜反射后，在ZnTe晶体的入射面与太赫兹脉冲汇合，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向军，候小梅，程钢，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33