本發(fā)明涉及一種電磁波譜測試技術(shù)，特別涉及一種光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太赫茲波是指頻率在 0.1～10 THz之間的電磁波，在電磁波譜上位于微波和紅外線之間。由于太赫茲波所處的特殊電磁波譜的位置，它有很多優(yōu)越的特性，可用于在材料分子的特殊光譜信息分析、材料與結(jié)構(gòu)的無損探傷及三維層析、違禁物品反恐檢查、生物組織的活體檢查、高精度保密雷達、衛(wèi)星間寬帶通信等方面的研究。太赫茲光譜儀檢測的光譜信息能同時獲得物質(zhì)的光學(xué)幅值和相位信息，在爆炸物、違禁藥品、武器等危險物品的識別、無損檢測，細(xì)胞分子等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的太赫茲光譜儀以自由空間傳播時域和連續(xù)波外差探測構(gòu)成，其中應(yīng)用最為廣泛的是太赫茲時域光譜技術(shù)，該相干技術(shù)通過測量樣品的太赫茲脈沖時域波形，同時獲得太赫茲脈沖的振幅和相位信息，經(jīng)過快速傅里葉變換后可獲得樣品的光譜信息、吸收系數(shù)、折射率等參數(shù)。時域太赫茲系統(tǒng)采用飛秒激光，由此產(chǎn)生寬帶太赫茲譜，優(yōu)點是只受系統(tǒng)帶寬限制，單次測量即可測得含有完整的太赫茲頻率窗口信息。但這種傳統(tǒng)的自由空間傳播太赫茲時域系統(tǒng)通常體積較為龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，缺乏靈活移動性，且激光器、光路結(jié)構(gòu)以及太赫茲發(fā)射接收器件等都需固定在工作臺上，在自由空間傳播不能移動，易于受到環(huán)境擾動，而且對于測試對象的尺寸以及形狀均有要求，透反射模式切換比較復(fù)雜，這些因素都限制了傳統(tǒng)的自由空間傳播太赫茲時域系統(tǒng)的實際應(yīng)用，而且大多數(shù)太赫茲時域系統(tǒng)是不具備太赫茲成像功能的。因此，設(shè)計一款可方便切換模式，能自由移動，穩(wěn)定性強，方便測試不同尺寸及形狀樣品，且具備成像功能的光纖式太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對目前太赫茲時域系統(tǒng)通常體積較為龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，缺乏靈活移動性，易受環(huán)境影響的問題，提出了一種光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自由切換測試模式，信噪比高，并具備太赫茲成像功能，成像效果好，可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域的太赫茲光譜測試及成像。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)，包括激光器、反射鏡組、主體光纖耦合系統(tǒng)、發(fā)射器傳輸光纖、接收器傳輸光纖、獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器、獨立光纖耦合太赫茲接收器、二維成像移動平臺、電機控制模塊、集成控制器和PC輸出端，激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡組反射進入主體光纖耦合系統(tǒng)，光纖耦合系統(tǒng)將激光分為兩路光信號，其中一路光信號通過發(fā)射器傳輸光纖輸入到獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器中用于產(chǎn)生太赫茲信號，另一路光信號通過接收器傳輸光纖輸入到獨立光纖耦合太赫茲接收器中用于探測太赫茲信號，獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器與獨立光纖耦合太赫茲接收器被安裝在二維成像移動平臺上，獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器發(fā)射的太赫茲透過樣品或經(jīng)樣品反射進入獨立光纖耦合太赫茲接收器，對樣品進行測試或成像，主體光纖耦合系統(tǒng)、獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器、獨立光纖耦合太赫茲接收器、電機控制模塊、PC輸出端均與集成控制器相連接，電機控制模塊與二維成像移動平臺相連接，集成控制器控制電機的運動，最終測試或成像結(jié)果由集成控制器通過USB數(shù)據(jù)線傳輸至PC輸出端。

所述激光器為外部自由空間或者光纖耦合的1560 nm飛秒脈沖激光器，要求平均功率大于200 mW,脈寬小于100 fs。

所述發(fā)射器傳輸光纖和接收器傳輸光纖均為1560 nm單模保偏光纖。

所述主體光纖耦合系統(tǒng)將輸入的激光進行脈沖壓縮后分為泵浦和探測兩路光，分別送獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器和獨立光纖耦合太赫茲接收器，主體光纖耦合系統(tǒng)并在探測光中加入延遲線，以控制兩路光的光程差。

所述獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器，包括倍頻模塊、高速延遲模塊、光電導(dǎo)天線以及發(fā)射器出口處的TPX透鏡，所述倍頻模塊將輸入的1560 nm激光倍頻成780 nm激光，并經(jīng)過螺旋線延遲線與高速旋轉(zhuǎn)電機組成的高速延遲模塊后打到光電導(dǎo)天線上激發(fā)太赫茲，太赫茲經(jīng)TPX透鏡聚焦后射出，光線打在螺旋線延遲線的不同位置，形成光程的改變。

所述獨立光纖耦合太赫茲接收器，采用電光采樣對太赫茲進行探測，太赫茲接收器入口處裝有TPX透鏡，用于聚焦接收太赫茲信號，太赫茲接收器內(nèi)部設(shè)有一個校準(zhǔn)激光器，其出射的激光用于模擬太赫茲波的光路走向，便于系統(tǒng)的快速校準(zhǔn)與調(diào)節(jié)，在測試或者成像時打開，以觀測太赫茲波打在樣品上的實時位置。

所述二維成像移動平臺包括包括發(fā)射器安裝底座、帶刻度的旋轉(zhuǎn)安裝盤、接收器安裝底座、樣品臺安裝臺和兩臺一維移動電機，兩臺一維移動電機可帶動整個樣品臺做二維運動，以對樣品進行透射模式測試或成像，樣品臺位于移動平臺的中間位置，移動平臺帶動樣品臺做平移運動，以對樣品的不同位置進行測試或者成像，透射模式下發(fā)射器和接收器固定在樣品的兩側(cè)；反射模式下發(fā)射器和接收器固定在樣品的同一側(cè)；帶刻度的旋轉(zhuǎn)安裝盤上直接讀出發(fā)射器與接收器之間的夾角，可以記錄發(fā)射器與接收器的相對角度，可以進行不同角度的反射式測量。

所述樣品臺可根據(jù)需求帶有不同尺寸的樣品槽，測量時將樣品放置在合適的樣品槽中，再將整個樣品臺放置在二維成像移動平臺上，再控制移動平臺將待測樣品移動至測試區(qū)域，或?qū)⒍鄠€樣品一次性放置在樣品臺上，通過位置移動，對多個樣品進行時域光譜測試或者成像。

所述集成控制器控制主體光纖耦合系統(tǒng)中的直線電機延遲線、獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器中的高速旋轉(zhuǎn)電機的運動以及通過一個電機控制模塊控制二維成像移動平臺的二維運動，并為獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器中的光電導(dǎo)天線施加偏壓，采集獨立光纖耦合太赫茲接收器輸出的信號，集成控制器內(nèi)集成了鎖相放大器，將小信號進行放大輸出。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)，構(gòu)成簡單，容易操作。在實際操作過程中，可根據(jù)樣品特性，在多種模式中自由切換。超長光纖連接的獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器與接收器可自由移動，受空間制約少，支持大尺寸及不規(guī)則尺寸樣品的測量，并且具備太赫茲成像功能，成像效果好等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)的主要組成部分裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的控制原理示意圖；

圖3為本發(fā)明主體光纖耦合系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意俯視圖；

圖4為本發(fā)明主體光纖耦合系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意俯視圖；

圖6為本發(fā)明獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖；

圖7為本發(fā)明獨立光纖耦合太赫茲接收器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意俯視圖；

圖8為本發(fā)明獨立光纖耦合太赫茲接收器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖；

圖9為本發(fā)明二維成像移動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明透射工作模式的示意圖；

圖11為本發(fā)明反射工作模式的示意圖。

具體實施方式

如圖1所示光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)的主要組成部分裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由飛秒脈沖激光器100，第一反射鏡101，第二反射鏡102，第三反射鏡103，主體光纖耦合系統(tǒng)200，發(fā)射器傳輸光纖601，接收器傳輸光纖602，獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器300，獨立光纖耦合太赫茲接收器400，二維成像移動平臺500構(gòu)成。飛秒脈沖激光器100發(fā)出的激光經(jīng)三面反射鏡101-103反射進入主體光纖耦合系統(tǒng)200，光纖耦合系統(tǒng)200將激光分為兩路光信號，其中一路光信號通過發(fā)射器傳輸光纖601輸入到獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器300中用于產(chǎn)生太赫茲信號，另一路光信號通過接收器傳輸光纖602輸入到獨立光纖耦合太赫茲接收器400中用于探測太赫茲信號。獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器300與獨立光纖耦合太赫茲接收器400被安裝在二維成像移動平臺500上用于樣品的測試與成像，飛秒脈沖激光器100為外部自由空間或者光纖耦合的1560 nm飛秒脈沖激光器，要求平均功率大于200 mW,脈寬小于100 fs，傳輸光纖601、602均為1560 nm單模保偏光纖。

如圖2所示為本發(fā)明的控制原理示意圖，整個系統(tǒng)包括激光器01、主體光纖耦合系統(tǒng)02、第一光纖03、第二光纖04、太赫茲發(fā)射器05、太赫茲接收器06、二維成像移動平臺07、電機控制模塊08、集成控制器09與PC輸出端10。其中，主體光纖耦合系統(tǒng)02、太赫茲發(fā)射器05、太赫茲接收器06、電機控制模塊08、PC輸出端10均與集成控制器09相連接，而電機控制模塊08與二維成像移動平臺07相連接，集成控制器09控制了系統(tǒng)中電機的運動，為太赫茲發(fā)射器05中的光電導(dǎo)天線提供偏壓控制，采集處理太赫茲接收器06中的太赫茲信號，并將最終結(jié)果通過USB數(shù)據(jù)線傳輸至PC輸出端10。集成控制器09控制主體光纖耦合系統(tǒng)200中的直線電機延遲線， 獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器300中的高速延遲線的運動以及通過一個電機控制模塊控制二維成像移動平臺500的二維運動，并為獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器300中的光電導(dǎo)天線施加偏壓，采集獨立光纖耦合太赫茲接收器400中PD探頭所輸出的信號，集成控制器集成了部分鎖相放大器的功能，可將小信號進行放大輸出。

如圖3、4所示主體光纖耦合系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖，由1560 nm高透窗口片201，激光平面反射鏡202-203、208-209、212-214、219-222，透射光柵204，柱透鏡205，平面金屬高反鏡206，一維移動平臺207，二分之一波片210，偏振分束立方體211，四分之一波片216，后向反射器217，時間延遲模塊218，光纖耦合器215、223組成。其中，偏振分束立方體211將激光光束分成泵浦光和探測光，二分之一波片210用于控制泵浦光和探測光的光功率比，四分之一波片216固定在45°使探測光為圓偏振態(tài)。飛秒脈沖激光器輻射出線偏振的超短脈沖激光，透過高透窗口片201，經(jīng)激光平面反射鏡202與203反射后進入由透射光柵204，柱透鏡205，平面金屬高反鏡206，一維移動平臺207組成的4F脈沖壓縮系統(tǒng)。激光經(jīng)透射光柵204折射后透過柱透鏡205后被平面金屬高反鏡206反射后再次透過柱透鏡205到達透射光柵204處折射至激光平面反射鏡208處。其中，柱透鏡205和平面金屬高反鏡206被固定在一維移動平臺207上，一維移動平臺207可以調(diào)節(jié)透射光柵204與柱透鏡205之間的距離，以達到脈沖壓縮的目的。此外，激光光高在這個過程中由原來的1.5英寸變?yōu)?英寸，以保證激光可以從激光平面反射鏡203上方經(jīng)過。后續(xù)激光經(jīng)激光平面反射鏡208-209反射后通過二分之一波片210和偏振分束立方體211，得到偏振相互垂直的兩束線偏振光：反射光與透射光，其中反射光束作為泵浦光，透射光束作為探測光，泵浦光依次經(jīng)激光平面反射鏡212、213、214反射后進入第一光纖耦合器215，以便后續(xù)通過光纖將泵浦光傳輸至太赫茲發(fā)射器以產(chǎn)生太赫茲。探測光經(jīng)過四分之一波片216后達到時間延遲模塊218，然后經(jīng)激光平面反射鏡219反射后原路返回，再次經(jīng)過時間延遲模塊218和四分之一波片216，此時探測光的偏振狀態(tài)已轉(zhuǎn)變得和泵浦光一致，經(jīng)過偏振分束立方體211時直接被反射至平面反射鏡220，隨后通過激光平面反射鏡221-222反射進入第二光纖耦合器223，以便后續(xù)通過光纖將探測光傳輸至太赫茲接收器以探測太赫茲信號。其中時間延遲模塊218由一個一維步進電機與一個固定在電機上的后向反射器217組成，通過太赫茲集成控制器與計算機一起控制時間延遲模塊218的運動，可實現(xiàn)太赫茲信號的慢速掃描，得到太赫茲脈沖的時域波形，利用快速傅里葉變換得到太赫茲信號的頻譜圖。

如圖5、6所示光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)的獨立光纖耦合太赫茲發(fā)射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖，由光纖轉(zhuǎn)接頭301，單模保偏光纖302，第一聚焦透鏡303，第二聚焦透鏡304，PPLN晶體305，第三聚焦透鏡306，直角反射棱鏡307-309、318，偏振分束立方體310，第四聚焦透鏡311，PD探頭312，方形四分之一波片313，柱透鏡314，螺旋線延遲線315，高速旋轉(zhuǎn)電機316，平面激光反射鏡317，泵浦聚焦透鏡319，光電導(dǎo)天線320，硅透鏡321，TPX透鏡組322組成。泵浦光經(jīng)光纖傳輸至光纖轉(zhuǎn)接頭301，再經(jīng)另一根較短的單模保偏光纖302傳輸至由依次排列的第一聚焦透鏡303，第二聚焦透鏡304，PPLN晶體305，第三聚焦透鏡306組成的倍頻模塊。單模保偏光纖發(fā)出的激光是發(fā)散的，第一聚焦透鏡303將發(fā)散光變?yōu)槠叫泄?，再由第二聚焦透鏡304將激光聚焦打到PPLN晶體305上，將1560 nm激光倍頻為780 nm激光，780 nm激光再透過第三聚焦透鏡306變?yōu)槠叫泄廨敵觥＜す饨?jīng)直角反射棱鏡307、308、309反射進入偏振分束立方體310，得到偏振相互垂直的兩束線偏振光：反射光與透射光，其中透射光束作為準(zhǔn)直光直接由第四聚焦透鏡311聚焦進入PD探頭312用于光路準(zhǔn)直；而反射光束則透過方形四分之一波片313與柱透鏡314進入由螺旋線延遲線315與高速旋轉(zhuǎn)電機316組成的高速延遲模塊后再原路返回再次透過柱透鏡314與方形四分之一波片313進入偏振分束立方體310，此時由于反射光經(jīng)過兩次四分之一波片313，偏振方向改變了90度，因此可以全部透過偏振分束立方體310打到另一側(cè)的平面反射鏡317上。其中，由螺旋線延遲線315與高速旋轉(zhuǎn)電機316組成的高速延遲模塊可將入射光線原路反射回來，而光線打在螺旋線的不同位置，形成光程的改變，因此高速延遲模塊高速旋轉(zhuǎn)時可實現(xiàn)快速掃描，從而得到太赫茲脈沖的時域波形，此模塊是本發(fā)明可高速測試成像的基礎(chǔ)。激光經(jīng)平面反射鏡317反射后再被直角反射棱鏡318反射進入泵浦聚焦透鏡319，聚焦的激光打在光電導(dǎo)天線320上，進而輻射出太赫茲。由于光電導(dǎo)天線320上帶有一個硅透鏡321，故輻射出的太赫茲波呈一定角度發(fā)散，發(fā)散的太赫茲波透過TPX透鏡組322后射出，用于樣品測試或成像。其中，TPX透鏡組322由兩個TPX透鏡組成，靠內(nèi)的TPX透鏡是將發(fā)散的太赫茲波變?yōu)槠叫?，外部的TPX透鏡則是將平行的太赫茲進行聚焦，最終發(fā)出的太赫茲是聚焦的，外部的TPX透鏡固定在一個可旋轉(zhuǎn)安裝的鏡筒中，將不同焦距的TPX透鏡做成可旋轉(zhuǎn)安裝的配件，以滿足不同成像條件的需求，十分方便。

如圖7和圖8所示光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)的獨立光纖耦合太赫茲接收器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，由光纖轉(zhuǎn)接頭401，光纖準(zhǔn)直頭402，分束鏡403，直角反射棱鏡404、407、418-419，PD探頭405、415-416，第一聚焦透鏡406，導(dǎo)電玻璃ITO408，GaAs晶體409，平面激光反射鏡410，四分之一波片411，直流電機412，第二聚焦透鏡413，渥拉斯通棱鏡414，校準(zhǔn)激光器417，TPX透鏡組420組成。 太赫茲發(fā)射器發(fā)射的太赫茲透過樣品或經(jīng)樣品反射由太赫茲接收器入口處的TPX透鏡組420進入太赫茲接收器。TPX透鏡組420由兩個TPX透鏡組成，外部的TPX透鏡應(yīng)與發(fā)射器外部的TPX透鏡共焦，將太赫茲變?yōu)槠叫?，此TPX透鏡也可以根據(jù)成像條件選擇不同焦距的以配合太赫茲發(fā)射器端的TPX透鏡使用。平行的太赫茲經(jīng)過靠內(nèi)的TPX透鏡聚焦后被導(dǎo)電玻璃ITO408反射至GaAs晶體上。另外，探測光經(jīng)傳輸光纖進入太赫茲接收器并由光纖轉(zhuǎn)接頭401，光纖準(zhǔn)直頭402進入太赫茲探測模塊后，依次經(jīng)過分束鏡403，第一聚焦透鏡406，被直角反射棱鏡407反射后透過導(dǎo)電玻璃ITO408打到GaAs晶體上，并且，太赫茲波與探測光在GaAs晶體上共焦。分束鏡反射的部分光被直角反射棱鏡404反射進入PD探頭405，用于判斷光路是否準(zhǔn)直。隨后，探測光被平面激光反射鏡反射后依次通過四分之一波片411、第二聚焦透鏡413，渥拉絲通棱鏡414達到PD探頭415-416上，利用電光采樣原理進行探測。其中，四分之一波片411粘在由直流電機412帶動的旋轉(zhuǎn)架上，根據(jù)兩個PD探頭的信號轉(zhuǎn)動四分之一波片411，以保持在沒有太赫茲信號的情況下的平衡。校準(zhǔn)激光器417分束鏡403旁，校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)激光器417輻射出的激光通過激光平面反射鏡418-419反射，然后透過導(dǎo)電玻璃ITO408，可以模擬出太赫茲波在后續(xù)光路中的走向，便于校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

如圖9所示為本發(fā)明光纖耦合太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)的二維成像移動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖，由發(fā)射器安裝底座501，帶刻度的旋轉(zhuǎn)安裝盤502，接收器安裝底座503，樣品臺安裝臺504，一維移動電機505-506組成。如圖10所示為透射模式時安裝示意圖，太赫茲發(fā)射器300與太赫茲接收器400被安裝在樣品臺的兩側(cè)，測量時，一維移動電機505-506可帶動整個樣品臺做二維運動，以對樣品進行透射模式測試或成像；如圖11所示為反射模式時安裝示意圖，太赫茲發(fā)射器300與太赫茲接收器400都被安裝在帶刻度的旋轉(zhuǎn)安裝盤502上，處于樣品的同一側(cè)，測量時，發(fā)射器發(fā)出的太赫茲波被樣品反射進入接收器，一維移動電機505-506可帶動整個樣品臺做二維運動，以對樣品進行反射模式測試或成像。可從帶刻度的旋轉(zhuǎn)安裝盤502上直接讀出發(fā)射器與接收器之間的夾角，樣品臺如圖11中507所示，可根據(jù)需求帶有不同尺寸的樣品槽，測量時可將樣品放置在合適的樣品槽中，再將整個樣品臺放置在二維成像移動平臺500上，再控制移動平臺將待測樣品移動至測試區(qū)域。也可以將多個樣品一次性放置在樣品臺上，通過位置移動，對多個樣品進行時域光譜測試或者成像。

本發(fā)明引入的樣品二維掃描系統(tǒng)，可以實現(xiàn)二維成像功能，這有利于本發(fā)明廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的成像。成像方式為根據(jù)樣品特性選擇透射或者反射成像模式，將太赫茲發(fā)射器與太赫茲接收器固定在相應(yīng)位置并保持不動，樣品固定在樣品臺上進行二維移動掃描 ；實驗中樣品的二維移動依靠高精度的二維移動平臺實現(xiàn)。樣品放置在樣品槽中并固定在二維移動平臺上，PC端程序指令控制二維移動平臺在x-y方向進行二維掃描，同時程序控制發(fā)射器中的高速光學(xué)延遲線、集成控制器中的鎖相放大模塊與外加偏壓間的通信和時間同步，實現(xiàn)每移動一個像元的同時獲取一個完整的太赫茲時域信號，然后提取出成像參數(shù)完成太赫茲二維圖像繪制。最終形成一個 x-y 的二維矩陣，根據(jù)矩陣數(shù)值的大小轉(zhuǎn)化為灰度圖像，即太赫茲時域成像。進一步對每個像元獲得的時域信號進行傅里葉變換，可以得到樣品的太赫茲頻譜，再通過軟件集成的數(shù)學(xué)計算即可提取出樣品的光學(xué)特征參數(shù)，如折射率、吸收系數(shù)等。