基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法，属于光学技术领域，本发明专利技术通过控制主光路阀门开闭，实时采集受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号，计算两者差值并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测

【技术实现步骤摘要】
基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法


[0001]本专利技术属于光学
，涉及一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置及方法
。

技术介绍

[0002]材料厚度的均匀性是影响其性能的重要指标
。
如薄膜材料厚度的均匀性将影响到薄膜各处的拉伸强度
、
阻隔性
、
透光的均匀性等许多物理性质；用于各种高压场合中的耐高压非金属管材对厚度的均匀性要求很高，如厚度不均匀则极易带来安全隐患；在制药行业中片剂包衣厚度的精确控制有助于保证药物在恰当的时间在人体体内某处释放
。
因此，在生产线上对这些材料的厚度进行实时在线无损监测对于监控材料产品的生产质量非常重要
。
[0003]现有适合生产线上材料在线厚度监测技术主要有
β
射线
、X
射线
、
红外线
、
激光等测厚技术
。
β
射线和
X
射线测厚技术都是利用射线穿透被测材料时其强度的衰减与材料的厚度相关的特性，从而测定材料的厚度，是非接触式的动态测量技术
。
因对人体有辐射损伤，两者对辐射防护要求都很高，对某些被测材料还可能有电离损伤
。
由于都是透射式测量技术，两者都不太适合管材在线厚度监测；因为两种射线都有很强的穿透性，特别是
X
射线穿透性太强，不适合用于监测超薄非金属薄膜材料
。
为了克服射线技术难于测量对其衰减很小的超薄非金属薄膜材料，上世纪八十年代初期发展了一种在线红外测厚技术
,
该技术利用一束波长为
λ
的单色红外光穿透薄膜后产生的光强衰减根据朗伯定律可测定薄膜材料的厚度
。
红外测厚技术适用于透光和半透光的薄膜，不适合不透明材料在线测厚，也不适合管材在线测厚
。
[0004]上述实时在线厚度监测技术都有各自缺陷和适用场景，难于满足工业界对生产线上各种材料实现在线无损厚度监测的需求
。
[0005]太赫兹
(THz)
波通常指的是波长在
3mm
‑
30m(
频率在
0.1
‑
10THz)
区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间
。
太赫兹波对透明和不透明非金属材料都具有较强的穿透性，而且光子能量低，无电离损伤作用，太赫兹波已经被广泛应用于涂层
、
陶瓷
、
泡沫
、
纸张以及橡胶等材料的无损检测中
。
由于太赫兹波具备较高的信噪比和较短的脉宽
(
皮秒量级
)
，太赫兹技术是非金属材料厚度的非接触式理想检测手段
。
最近十几年，人们开始尝试并不断改进使用扫描式太赫兹时域光谱技术检测材料的厚度，结果表明太赫兹时域光谱技术可用于材料厚度的非接触无损测量，但所使用的是扫描式太赫兹时域光谱技术，不能用于对工业生产线上连续移动材料的厚度进行实时在线监测
。
为此，需使用可实时连续测量的单发太赫兹时域光谱技术
。
而在现有的单发太赫兹时域光谱技术中，只有光谱编码单发太赫兹时域光谱探测技术可以满足实时连续测量的要求
。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于光谱编码单发太赫兹时域光谱技术的透射式实时在线材料厚度无损监测装置及方法，利用光纤光谱仪实时采集的受太赫兹波调制前后的探测激光脉冲光谱信号差值转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过待测材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据进行实时显示，实现对材料厚度的实时在线无损测量和对厚度变化的实时监测
。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一方面，本专利技术提供一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，包括：
[0009]飞秒激光放大器系统，用于产生激光束；
[0010]分束片，用于将所述激光束分为泵浦光和探测光，其中泵浦光所在路径作为主光路，探测光所在路径作为探测光路；
[0011]在所述主光路中，泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片
、
连续移动待测样品
、
第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
[0012]在所述探测光路中，探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；
[0013]被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集探测光的光谱，最终输入控制电脑进行计算；
[0014]在主光路中，所述连续移动待测样品与第二离轴抛物镜之间设有由控制电脑控制的开关阀门，用于开启和切断主光路，从而使控制电脑获得探测光被太赫兹波调制前后的光谱；
[0015]控制电脑计算探测光调制前后的光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据，显示在控制电脑屏幕上，实现对材料厚度的实时在线无损测量，以及对厚度变化的实时监测
。
[0016]进一步，所述飞秒激光放大器系统首先经过第一宽带平面反射镜反射后再射向分束片
。
[0017]进一步，所述泵浦光首先经过第二宽带平面反射镜
、
第三宽带平面反射镜和第四宽带平面反射镜反射，再经透镜和倍频晶体聚焦在空气中，产生双色激光等离子体太赫兹辐射源
。
[0018]进一步，所述探测光首先经第五宽带平面反射镜反射后再射向可调延迟光路；所述探测光经过第一偏振片后，首先经第六宽带平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦
。
[0019]进一步，所述可调延迟光路包括设置在电控平移台上的一对正交平面反射镜，通过调节该延迟光路来实现探测光脉冲与太赫兹脉冲同步
。
[0020]进一步，所述的一对直角三角形色散玻璃砖镜像对称，斜边相接，通过沿斜边滑动来调节探测光的脉宽，从而获得最佳探测时间窗口
。
[0021]另一方面，本专利技术提供一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测方法，包括以下步骤：
[0022]S1
：通过飞秒激光放大器产生激光束，并经分束片分为泵浦光和探测光；
[0023]S2
：泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：包括：飞秒激光放大器系统，用于产生激光束；分束片，用于将所述激光束分为泵浦光和探测光，其中泵浦光所在路径作为主光路，探测光所在路径作为探测光路；在所述主光路中，泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片
、
连续移动待测样品
、
第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；在所述探测光路中，探测光经过一系列反射和可调延迟光路后，经过一对通过连续调节厚度的直角三角形色散玻璃砖获得最佳探测时间窗口，再经过第一偏振片后通过聚焦透镜聚焦在所述电光晶体上且与主光路形成的太赫兹波焦点重合，实现太赫兹波电场调制；被调制后的探测光由凸透镜准直后经过与第一偏振片光轴正交的第二偏振片，再由光纤收集头收集并通过光纤光谱仪实时采集探测光的光谱，最终输入控制电脑进行计算；在主光路中，所述连续移动待测样品与第二离轴抛物镜之间设有由控制电脑控制的开关阀门，用于开启和切断主光路，从而使控制电脑获得探测光被太赫兹波调制前后的光谱；控制电脑计算探测光调制前后的光谱信号差值，并转化为太赫兹时域信号，再将因太赫兹波透过材料后的探测光光谱的移动数据转化为材料厚度数据，同时将探测光光谱的波动变化转化为材料厚度的波动变化数据，显示在控制电脑屏幕上，实现对材料厚度的实时在线无损测量，以及对厚度变化的实时监测
。2.
根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述飞秒激光放大器系统首先经过第一宽带平面反射镜反射后再射向分束片
。3.
根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述泵浦光首先经过第二宽带平面反射镜
、
第三宽带平面反射镜和第四宽带平面反射镜反射，再经透镜和倍频晶体聚焦在空气中，产生双色激光等离子体太赫兹辐射源
。4.
根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述探测光首先经第五宽带平面反射镜反射后再射向可调延迟光路；所述探测光经过第一偏振片后，首先经第六宽带平面反射镜反射后再由聚焦透镜聚焦
。5.
根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述可调延迟光路包括设置在电控平移台上的一对正交平面反射镜，通过调节该延迟光路来实现探测光脉冲与太赫兹脉冲同步
。6.
根据权利要求1所述的基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测装置，其特征在于：所述的一对直角三角形色散玻璃砖镜像对称，斜边相接，通过沿斜边滑动来调节探测光的脉宽，从而获得最佳探测时间窗口
。7.
一种基于单发太赫兹时域光谱技术的材料厚度在线监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1
：通过飞秒激光放大器产生激光束，并经分束片分为泵浦光和探测光；
S2
：泵浦光经过一系列反射与聚焦，并通过倍频晶体产生激光等离子体太赫兹辐射源，经第一离轴抛物镜收集并准直后，依次穿过高阻硅片
、
连续移动待测样品
、
开关阀门
、
第二离轴抛物镜聚焦在电光晶体上；
S3
：探测光经过一系列反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭晓昱，杨海燕，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：