背景技術(shù)：

目前，適用于太赫茲波段的光譜儀器主要有兩類：紅外傅里葉光譜儀和太赫茲時域光譜儀。紅外傅里葉光譜儀使用傅里葉變換技術(shù)分光具有多通道、高通量的特點(diǎn)，但傅里葉變換技術(shù)依賴動鏡的順次掃描，不能實(shí)時成譜，限制了其在快速變化、復(fù)雜環(huán)境中的使用；其次，紅外傅里葉光譜儀基于邁克爾遜干涉儀的基本構(gòu)型，其中必不可少的分束片使入射光能損耗50％，限制了儀器在微弱信號探測中的使用；此外紅外傅里葉光譜儀引入了移動部件和步進(jìn)控制電機(jī)，增加體積和功耗的同時，影響了儀器的使用壽命。太赫茲時域光譜儀對太赫茲信號的探測基于光電導(dǎo)取樣或電光取樣，對物體成譜時，需要依次完成波長維，空間維的掃描，需要耗費(fèi)大量的時間。因此，上述兩種現(xiàn)有手段，不能滿足復(fù)雜多變環(huán)境下，太赫茲譜快速探測的需要。

分光器件是成像光譜儀器的關(guān)鍵部件，直接影響儀器的性能、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、重量和體積等。目前作為可見、紅外光譜儀器的分光器件有：棱鏡、振幅光柵、AOTF等。然而這些適用于可見、紅外波段的分光器件或技術(shù)并不能滿足太赫茲波段物質(zhì)的譜探測與成像對分光器件的需求。首先，棱鏡作為經(jīng)典的分光器件具有自由光譜范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、通光量大，能量利用率高，雜散光易于抑制的優(yōu)點(diǎn)，然而在太赫茲波段，隨著波長的增加，電磁波的穿透性能增強(qiáng)，材料的色散現(xiàn)象變的及其微弱，這意味著通過材料色散獲取精細(xì)光譜的方式在太赫茲譜探測中不在可行。其次，振幅光柵依靠衍射效應(yīng)分光，然而受相鄰衍射次級光譜重疊的限制，單塊光柵的光譜范圍有限；為了提高光能利用率而采用的閃耀光柵，其閃耀波長的有限帶寬進(jìn)一步縮小了光柵的自由光譜范圍。太赫茲波的波長范圍是可見波的3000倍，是紅外波的100倍。這決定了太赫茲波段的光譜儀器的分光器件須具備寬自由光譜范圍特性，因此閃耀光柵、振幅調(diào)制光柵不適合用作太赫茲波段的分光器件。最后，AOTF依靠聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)衍射分光，具有體積小，晶體衍射率高、大視場的優(yōu)點(diǎn)，但目前尚未在公開報(bào)道的文獻(xiàn)中查閱到適用于太赫茲波段的聲光晶體。因此目前現(xiàn)有的分光器件不能滿足太赫茲譜成像對寬光譜分光器件的需求。

上述四種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一、傅里葉光譜儀和太赫茲時域光譜儀，完成物體的成像過程需要花費(fèi)較長時間，不適用于復(fù)雜多變的野外環(huán)境；二、對于適用于可見、紅外波段的現(xiàn)有分光器件，或受制于太赫茲波段的色散能力，或受制于器件本身的自由寬光譜范圍，或受制于器件的發(fā)展水平，均不能滿足太赫茲譜快速探測對寬自由光譜分光器件的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種太赫茲一維立體相位光柵，適用于光譜分析、檢測、成像對寬光譜相位光柵的需求。

具體發(fā)明如附圖1所示，寬波段立體相位光柵是由長方體金屬板(1)上刻出一系列平整光滑的矩形凹槽構(gòu)成，其中，凹槽平面與長方體金屬板(1)的上表面平行，其中凹槽的深度分別為h₁、h₂、…、h_N-1、h_N，h₁、h₂、h₃、…、h_N-2、h_N-1、h_N順次增大；凹槽的寬度均為a，光柵的周期為d。深度相同的槽視為一個元胞，則上述立體相位光柵由元胞N個元胞構(gòu)成。

對于單元胞，其對入射光的調(diào)制如圖2所示，寬譜平行太赫茲波(2)以角度α斜入射單元胞(3)發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)會聚透鏡(4)在透鏡焦平面(5)處聚焦，出現(xiàn)0級、+1級、-1級等“明暗”相見的條紋分布。光柵衍射級次的分布滿足光柵的衍射方程，如(1)式所示，其中α表示入射角，β表示衍射角，d表示柵距，m表示衍射級次，λ表示太赫茲波長。

$sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})=m\frac{\mathrm{\λ}}{d},m=0,\±1,\±2...---\left(1\right)$

圖2中，會聚透鏡(4)的焦平面(5)上，任一點(diǎn)的太赫茲強(qiáng)度分布如(2)式所示，其中α表示入射角，β表示衍射角，a表示槽寬，k表示波矢，表示相位調(diào)制因子，h表示槽深，n表示槽的個數(shù)，A表示入射光的振幅，λ表示波長，f表示聚焦鏡的焦距，b表示槽的長度。

與傳統(tǒng)的振幅調(diào)制光柵的光強(qiáng)分布相比，相位調(diào)制光柵的光強(qiáng)分布表達(dá)式中多了相位調(diào)制因子即相位調(diào)制光柵的光強(qiáng)分布受槽深h的調(diào)制。

對于零級衍射光，滿足β＝-α，則零級光的強(qiáng)度如(4)式所示。

有(4)式可知，對于同一元胞，不同波長分量受槽深h的調(diào)制量不同，其衍射的零級分量強(qiáng)度不同；對于不同元胞，相同波長由于槽深h不同，調(diào)制因子不同，其衍射的零級分量強(qiáng)度也不同。

本發(fā)明對太赫茲波實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的示意圖如圖3所示，寬譜平行太赫茲波(6)斜入射立體相位光柵(7)發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過會聚透鏡(8)在透鏡焦平面(9)處聚焦，+1級衍射波(10)、-1級衍射波(11)和其他更高級次的衍射波被位于透鏡焦平面(9)的孔徑光闌(12)濾除，立體相位光柵的0級衍射光繼續(xù)自由傳播，由于元胞一(13)、元胞二(14)、元胞三(15)、元胞四(16)、元胞五(17)、元胞六(18)具有不同的槽深，其對入射太赫茲波(6)的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的相位調(diào)制，使0級衍射波波前(19)的不同區(qū)域具有不同的相位信息，0級衍射波波前(19)的不同位置具有不同的強(qiáng)度分布。

上述所述的太赫茲一維立體相位光柵的光譜分辨率取決于最大槽深，當(dāng)光平行于紙面方向入射時，光柵的光譜分辨率如(5)式所示。

$R=\frac{cos\mathrm{\α}}{2h_{\max }}---\left(5\right)$

立體相位光柵中元胞的個數(shù)N依據(jù)所用太赫茲波段的帶寬，有奈奎斯特采樣定理決定,如(6)式所示，其中N表示元胞的個數(shù)，h_max表示最大槽深，σ_max表示所用太赫茲波段的最大波數(shù)，α表示入射角。

$N\≥\frac{4h_{max}{\mathrm{\σ}}_{max}}{cos\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

立體相位光柵單元胞中槽的個數(shù)n依據(jù)所用太赫茲波段的波數(shù)，有系統(tǒng)的信噪比決定，如(7)式所示，其中n表示單元胞中凹槽的個數(shù)，σ_max、σ_min分別表示所用太赫茲波段的最大波數(shù)、最小波數(shù)。

$n\≥2\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{max}}{{\mathrm{\σ}}_{min}}+1\right)---\left(7\right)$

立體相位光柵中，凹槽的槽寬a滿足a≥10λ_max，光柵的占空比滿足d:a>1，槽的長度b至少是最大波長λ_max的100倍；立體相位光柵中相鄰元胞的槽深順次變化，但可以不等梯度；立體相位光柵中不同元胞之間槽的個數(shù)、光柵周期、槽寬可以不等，如；元胞內(nèi)槽深相同，槽寬可以不等，如示意圖4所示。

本發(fā)明的核心在于通過引入不同槽深，對入射光的不同區(qū)域施加不同的相位調(diào)制，使光柵衍射光波前的不同區(qū)域具有不同的相位信息。

與現(xiàn)有分光器件相比，立體相位光柵具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、對入射太赫茲波實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制，突破了傳統(tǒng)光柵的振幅調(diào)制局限；二、相位光柵的零級具有分光能力，這突破了傳統(tǒng)光柵零級不具備分光能力的約束，保證了光柵自由光譜范圍的同時，大大提高了光柵的光能利用率；三、與傅里葉光譜儀相比，立體相位光柵沒有移動部件，提高光能利用率的同時，可以做到實(shí)時探測，能夠滿足野外復(fù)雜多變環(huán)境的需要；四、與其他分光器件相比，立體相位光柵采用反射式結(jié)構(gòu)，易于加工，成本低廉。

附圖說明

圖1為一維太赫茲立體相位光柵示意圖。

圖2為立體相位光柵單元胞的太赫茲波衍射示意圖。

圖3為立體相位光柵的相位調(diào)制原理示意圖。

圖4為立體相位光柵的其他結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖3對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：用于400GHz—435GHz波段的一維立體相位光柵

本發(fā)明采用采用如下構(gòu)造：

1.太赫茲一維立體相位光柵由六個元胞構(gòu)成，六個元胞的槽深分別為0.1635cm、0.327cm、0.4905cm、0.654cm、0.8175cm、0.981cm。

2.六個元胞的槽寬、光柵周期、槽個數(shù)相等，槽寬1cm，光柵周期2cm，槽的個數(shù)為5，槽的長度為80cm。

本發(fā)明主要工作原理如圖3所表述：

寬譜平行太赫茲波6斜入射立體相位光柵7發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過會聚透鏡8在透鏡焦平面9處聚焦，+1級衍射波10、-1級衍射波11和其他更高級次的衍射波被位于透鏡焦平面9的孔徑光闌12濾除，立體相位光柵的0級衍射光繼續(xù)自由傳播，由于元胞一13、元胞二14、元胞三15、元胞四16、元胞五17、元胞六18具有不同的槽深，其對入射太赫茲波6的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的相位調(diào)制，使0級衍射波波前19的不同區(qū)域具有不同的相位信息，0級衍射波波前19的不同位置具有不同的強(qiáng)度分布。