本发明专利技术公开了一种基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，光谱仪包括太赫兹光源、前置会聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、样品室、探测器、探测器控制处理系统、控制采集处理计算机。所述单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，所述互参考技术再利用±1级衍射光高效、实时地获取背景谱和背景光被测量目标透射或反射的测试谱，再通过归一化技术消除相位调制带来的光谱失真情况，通过互参考技术得到最终的样品透射或反射谱。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标全太赫兹波段的光谱信息。
【技术实现步骤摘要】
基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪
本专利技术涉及一种太赫兹光谱测量仪，具体涉及一种能实时、高效获取被测量目标太赫兹光谱信息的太赫兹光谱测量仪。所述THz光谱测量仪由太赫兹光源、前置会聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、后置孔径光阑、样品室、左线阵探测器、空室、右线阵探测器，左线阵探测器控制处理系统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集处理计算机、旋转电机、导轨组成。所述单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，所述探测器再利用±1级衍射光束，通过归一化技术与互参考技术实时获得被测量目标的光谱信息。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标全太赫兹波段的光谱信息，适用于太赫兹光谱测量分析等相关领域。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，对应单光子能量0.38meV到38meV，对应分子或分子基团的转、振动能级间光子的跃迁。通过探测物质辐射的太赫兹谱能够提供物质的基本结构信息，如许多极性分子的振动、转动频率，药物的基本成分和作用机理，电子材料的低能激励现象，固体材料的声子，磁振子，等离子体激元及液体分子振动等激励现象。在现阶段，太赫兹波段的探测仪器主要有两种，远红外傅里叶变换光谱仪和太赫兹时域光谱仪。远红外傅里叶变换光谱仪基于傅里叶变换技术实现光谱探测，具有多通道、高通量的优点，但傅里叶光谱仪完成谱线测量依赖动镜的顺次扫描，不能实时成谱；其次，傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本机构，其中分束器使入射太赫兹波损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；第三，由于运动部件的存在，傅里叶变换光谱仪存在能耗高、使用寿命较短的问题。太赫兹时域光谱仪对太赫兹波的探测基于光电导天线或电光取样。在对物体成像时，太赫兹时域光谱仪需要完成波长维和空间维的扫描，需要耗费大量的时间，无法达到实时成谱的高要求。在专利号为201710037295.3的专利文件中，介绍了一种利用立体相位光栅和孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪，这种光谱仪具有能量利用率高和实时成像的特点。但是，利用立体相位光栅和孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪所适用的领域不同；其应用领域为远距离微弱太赫兹信号的成像和探测，不适用于物质的光谱分析。现有技术的缺点主要体现在以下方面：首先，现有技术都无法达到实时成谱的要求；其次，傅里叶变换光谱仪由于体积、分束片的光损失和动臂的运动等问题、太赫兹时域光谱仪由于成像时间等问题均无法满足在复杂多变环境下的物质的光谱获取工作。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，适用于太赫兹光谱检测、分析。本专利技术的技术方案如下：基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，包括依据光路传输依次排列的太赫兹光源1，前置会聚透镜2、前置视场光阑3、准直镜4、单元胞立体相位光栅5、后置会聚透镜6、后置孔径光阑7、置于旋转电机15上样品室8、置于导轨16上的左线阵探测器10、空室9、右线阵探测器11，所述左线阵探测器10和右线阵探测器11还依次连接有探测器控制处理系统12、13和控制采集处理计算机14，基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪可选择透射或反射模式工作，在反射模式下，置于旋转电机15上样品室8可通过旋转调整反射谱位置，左线阵探测器10可在导轨16上运动以适配反射谱位置，如说明书附图1所示。上述前置会聚镜2的后焦面与准直镜4的前焦面重合；上述视场光阑3是方形，位于前置准直镜2的焦面，其尺寸与视场和左线阵探测器10和右线阵探测器11的面积相匹配；在透射模式下，上述左线阵探测器10和右线阵探测器11与后置会聚透镜6的后焦面相重合。在反射模式下，左线阵探测器10与后置会聚透镜6由样品室8前表面所成的后焦面像面位置重合。上述前置会聚透镜2、准直镜4、后置会聚透镜6均采用太赫兹波段的复消色差设计。所述基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，利用单元胞立体相位光栅5代替了傅里叶光谱仪中的迈克尔逊式干涉仪结构，大大减小了该光谱测量仪的体积，且无动臂的运动磨损，具有更长的使用寿命，具有小型化，长寿命的特点。上述单元胞立体相位光栅5的结构如说明书附图2所示，材质是铝、铁、铝合金或钛合金，所述的凹槽底面与长方体金属板的上表面平行，凹槽的深度为h，凹槽的个数为n。与专利号为201620721539.0的文件中的立体相位光栅相比，该单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，即所有矩形凹槽的槽深相同，且由光源的中心频率决定凹槽深度。所述单元胞立体相位光栅5对光的调制作用可以看成一系列交替排布的零光程差平面和相位差平面，所述单元胞立体相位光栅5的屏函数如(1)式所示：其中，a为凹槽的槽宽，d为光栅常数，由光栅的衍射方程d(sinθ-sinα)＝mλ(2)θ为衍射光的衍射角，α为光线的入射角。△为±1级衍射光在凹槽面和光栅上表面在衍射方向上光程差，有令光栅的占空比为1:1，即d/a＝2当入射光波为平面波时，设其振幅为1，则经过光栅后，其光谱分布为U(u,v)＝F{u(x,y)}＝F{t(x,y)}(5)其中，u和v分别为像面的横纵坐标。将(1)式带入(5)式后，化简可得其中，z为像面到光栅面的距离。第m级的衍射光振幅为其中，第m级的衍射效率为±1级衍射效率为对于单元胞立体相位光栅5来说，衍射光能量主要集中在0级和±1级上，可以通过选取特定的h令衍射光的能量主要集中于±1级衍射光上，实现很高的能量利用率，当h满足(10)式关系时，频率为v0的光线的±1级衍射光衍射效率为1：根据(3)式和(4)式，当光线斜入射时，为了使±1级衍射光达到相同的调制效率，h需满足关系：为了使衍射效率达到最大，h需在满足(11)式关系的hprimary中选取其中使得光程差△尽可能接近整数的hprimary。即所述单元胞立体相位光栅5的槽深h，由光源的中心频率v0光线入射角α共同决定，满足：所述单元胞立体相位光栅5中凹槽的个数n满足：其中：σmax、σmin分别表示所用太赫兹波段的最大波数、最小波数。单元胞立体相位光栅5中，凹槽的槽宽a满足a≥10λmax，光栅的占空比满足d/a＞1，槽的长度l至少是最大波长λmax的100倍。所述互参考技术，即利用衍射光的±1级光谱同时存在且分布相同的特点，通过在±1级的某一级放置样品形成测试光谱，在另一级放置空室衰减能量形成参考背景光谱，通过对比两个光谱中同一频率对应的能量差别即可得到样品的光谱信息。所述互参考技术，可以同时进行参考光谱与测试光谱的探测，无分别测试背景参考光谱与测试光谱带来的环境，温度和时间变化引起的误差，可以得到高精度的物质透射谱或反射谱；并且，所述互参考技术由于无需在进行在样品测试光谱后的背景光谱测量，极大的缩短了物质透射谱或反射谱的获取时间。基于上述原因，所述互参考技术使基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪能够满足复杂环境下的光谱测量要求。所述互参考技术通过后置孔径光阑7滤除非±1级衍射杂散光，获得高效率的±1级衍射光路，其任一侧通光孔位置的开孔最高点emax、最低点e本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，它包括依据光路传输依次排列的太赫兹光源(1)，前置会聚透镜(2)、前置视场光阑(3)、准直镜(4)、单元胞立体相位光栅(5)、后置会聚透镜(6)、后置孔径光阑(7)、样品室(8)、左线阵探测器(10)、空室(9)、右线阵探测器(11)，左线阵探测器(10)和右线阵探测器(11)还依次连接有左线阵探测器控制处理系统(12)、右线阵探测器控制处理系统(13)和控制采集处理计算机(14)，其特征在于：所述的THz光谱仪依据光路传输依次排列有太赫兹光源(1)，前置会聚透镜(2)、前置视场光阑(3)、准直镜(4)、单元胞立体相位光栅(5)、后置会聚透镜(6)、后置孔径光阑(7)、样品室(8)、左线阵探测器(10)、空室(9)、右线阵探测器(11)，左线阵探测器(10)连接有左线阵探测器控制处理系统(12)，右线阵探测器(11)连接有右线阵探测器控制处理系统(13)；左线阵探测器控制处理系统(12)、和右线阵探测器控制处理系统(13)与控制采集处理计算机(14)相连；所述的THz光谱仪可选择透射或反射模式工作，在透射模式下，旋转电机(15)位于初始位置，样品室(8)前表面与后置会聚透镜(6)光轴相垂直，左线阵探测器(10)在导轨(16)的初始位置与后置会聚透镜(6)后焦面相重合；在透射模式下，太赫兹光源(1)辐射的平行太赫兹波经前置会聚透镜(2)收集，经前置视场光阑(3)的空间滤波被前置准直镜(4)准直，平行入射单元胞立体相位光栅(5)发生衍射，衍射光经过后置会聚透镜(6)后被后置孔径光阑(7)滤去除±1级衍射光外的杂散光，±1级衍射光分别经过样品室(8)透射和空室(9)衰减后分别由左线阵探测器(10)和右线阵探测器(11)探测，最后经左线阵探测器控制处理系统(12)、右线阵探测器控制处理系统(13)和控制采集处理计算机(14)归一化处理与互参考处理的得到样品的透射谱；在反射模式下，旋转电机(15)通过旋转调整样品室(8)角度以调整反射谱位置，左线阵探测器(10)在导轨(16)上调整位置直至左线阵探测器(10)与后置会聚透镜(6)由样品室(8)前表面所成的后焦面像面位置重合；在反射模式下，±1级衍射光分别经过样品室(8)反射和空室(9)衰减后分别由左线阵探测器(10)和右线阵探测器(11)探测，最后经左线阵探测器控制处理系统(12)、右线阵探测器控制处理系统(13)和控制采集处理计算机(14)归一化处理与互参考处理得到样品的反射谱。...
【技术特征摘要】
1.一种基于单元胞立体相位光栅和互参考技术的THz光谱仪，它包括依据光路传输依次排列的太赫兹光源(1)，前置会聚透镜(2)、前置视场光阑(3)、准直镜(4)、单元胞立体相位光栅(5)、后置会聚透镜(6)、后置孔径光阑(7)、样品室(8)、左线阵探测器(10)、空室(9)、右线阵探测器(11)，左线阵探测器(10)和右线阵探测器(11)还依次连接有左线阵探测器控制处理系统(12)、右线阵探测器控制处理系统(13)和控制采集处理计算机(14)，其特征在于：所述的THz光谱仪依据光路传输依次排列有太赫兹光源(1)，前置会聚透镜(2)、前置视场光阑(3)、准直镜(4)、单元胞立体相位光栅(5)、后置会聚透镜(6)、后置孔径光阑(7)、样品室(8)、左线阵探测器(10)、空室(9)、右线阵探测器(11)，左线阵探测器(10)连接有左线阵探测器控制处理系统(12)，右线阵探测器(11)连接有右线阵探测器控制处理系统(13)；左线阵探测器控制处理系统(12)、和右线阵探测器控制处理系统(13)与控制采集处理计算机(14)相连；所述的THz光谱仪可选择透射或反射模式工作，在透射模式下，旋转电机(15)位于初始位置，样品室(8)前表面与后置会聚透镜(6)光轴相垂直，左线阵探测器(10)在导轨(16)的初始位置与后置会聚透镜(6)后焦面相重合；在透射模式下，太赫兹光源(1)辐射的平行太赫兹波经前置会聚透镜(2)收集，经前置视场光阑(3)的空间滤波被前置准直镜(4)准直，平行入射单元胞立体相位光栅(5)发生衍射，衍射光经过后置会聚透镜(6)后被后置孔径光阑(7)滤去除±1级衍射光外的杂散光，±1级衍射光分别经过样品室(8)透射和空室(9)衰减后分别由左线阵探测器(10)和右线阵探测器(11)探测，最后经左线阵探测器控制处理系统(12)、右线阵探测器控制处理系统(13)和控制采集处理计算机(14)归一化处理与互参考处理的得到样品的透射谱；在反射模式下，旋转电机(15)通过旋转调整样品室(8)角度以调整反射谱位置，左线阵探测器(10)在导轨(16)上调整位置直至左线阵探测器(10)与后置会聚透镜(6)...
【专利技术属性】
技术研发人员：何志平，肖震洋，杨秋杰，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31
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