一種基于cars效應的太赫茲波頻率測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置及方法，激光器射出的激光依次垂直入射至分光鏡和離軸拋物面鏡，經分光鏡和離軸拋物面鏡反射后的激光和待探測光通過凸透鏡聚焦后入射至樣品，通過樣品后的光一部分被擋板吸收，另一部分形成反斯托克斯光，擋板的后方設有用于探測反斯托克斯光的探測裝置，步進移動平臺的前方一側設有標尺，標尺連接有用于采集狹縫位置信息的信息采集器。本發明裝置具有測量范圍廣、靈敏度高、可靠性高、結構緊湊、成本低且能夠在室溫條件下工作的特點，適用于太赫茲科研領域以及太赫茲技術的實際應用領域，并可通過其測量方法得到精確可靠的待測光頻率。
【專利說明】
一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種電磁波檢測技術，具體的說，是涉及一種基于空間折疊的相干反 斯托克斯(簡稱BOX CARS)效應測量太赫茲(THZ)的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 近年來很多不同類型的太赫茲輻射源都得到了很大的發展，并且被廣泛應用于成 像、光譜分析等領域中。在太赫茲光譜分析領域，太赫茲時域光譜技術由于通常只能實現數 十GHz的光譜分辨能力，在部分應用中已經不能滿足實際的需求。在這樣的背景下，人們提 出了各種較精確的方法來探測THZ的頻率，但是都有不足之處，具體如下：
[0003] 目前太赫茲長波段頻率測量普遍應用的是外差法，它是將被測信號與頻率相當的 本地振蕩信號差頻，通過分析輸出的中頻信號來獲得被測太赫茲波的頻率。但是對于THz高 功率脈沖波，外差法仍存在以下兩個缺陷:一是THz本地振蕩源很少，而且價格昂貴;二是被 測THz脈沖波的脈沖寬度太短，無法保證本地連續波信號與脈沖波混頻的效果，從而影響了 測量精度。
[0004] 還有一種測量THZ頻率的方法是利用FP干涉儀去探測，FP干涉儀測量太赫茲波頻 率的原理是太赫茲波垂直入射FP干涉儀后，當金屬網柵對入射波的反射率較大時，透射光 發生多光束干涉，通過移動FP干涉儀兩金屬網柵間距調節透射光兩相鄰光束之間的光程 差，干涉光束經過透鏡后會聚在探測器上。實驗通過采集FP干涉儀兩金屬網柵的不同間距 所對應的透射光強，進行曲線擬合，便可得出相鄰兩個光強峰值的間距，計算出太赫茲頻 率。其特點是干涉儀精細度高，測量結果準確，缺點是需要采用特殊技術制作金屬網柵，且 制作的金屬網柵的線寬，厚度以及周期都處于微米量級，難于保存，此外，構建Fabry-Perot 干涉儀時難于安裝及保證兩金屬網柵的平行度。改進這種方法選用有襯底的金屬網柵構建 Fabry-Perot干涉儀來測量窄線寬太赫茲輻射波長時有緊湊，易于安裝、調節、保證平行度， 便于保存的優勢，但是精細度隨之降低。
[0005] 除了上面的兩種THZ頻率探測方法，還有工作在太赫茲波段的傅里葉變換光譜儀 也可以用于測量THZ的頻率譜，但是該技術使用的探測器只有在液氮冷卻的溫度條件下才 能進行低頻太赫茲波探測和高靈敏度探測。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種基于空間折疊的相干反斯 托克斯效應(BOX CARS)的太赫茲頻率測量裝置及方法，這種裝置具有測量范圍廣、靈敏度 高、可靠性高、結構緊湊、成本低且能夠在室溫條件下工作的特點，適用于太赫茲科研領域 以及太赫茲技術的實際應用領域，并可通過其測量方法得到精確可靠的待測光頻率。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0008] -種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，包括激光器、分光鏡、離軸拋物面 鏡、凸透鏡、樣品、擋板、步進移動平臺和計算機，所述激光器射出的激光依次垂直入射至分 光鏡和離軸拋物面鏡，經分光鏡和離軸拋物面鏡反射后的激光和待探測光通過所述凸透鏡 聚焦后入射至所述樣品，通過所述樣品后的光一部分被所述擋板吸收，另一部分形成有反 斯托克斯光，所述擋板的后方設有用于探測所述反斯托克斯光的探測裝置，所述探測裝置 由依次設置在所述步進移動平臺上的狹縫、準直元件、色散元件、聚焦元件和CCD檢測器構 成，所述步進移動平臺的前方一側還設有標尺，所述標尺連接有用于采集狹縫位置信息的 信息采集器，所述信息采集器、CCD檢測器和步進移動平臺均通過線纜與所述計算機相連。
[0009] 所述激光器由連續寬帶激光器構成。
[0010] 所述離軸拋物面鏡的表面鍍有金屬金。
[0011] 所述標尺的精度為納米級或納米級以下。
[0012] -種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置的測量方法，包括以下步驟：
[0013] (1)打開激光器，移動步進移動平臺，使探測裝置隨著步進移動平臺移動；
[0014] (2)探測裝置在移動過程中探測到反斯托克斯光信號增強的點，通過標尺和計算 機記錄該時刻下探測裝置的位置數據；
[0015] (3)通過待探測光的頻率計算公式得到待測光頻率；
[0016] (4)為使測量數據精確可靠，在所述測量裝置的基礎上相對應地增加兩個分光鏡、 一個凸透鏡，一個樣品和一個擋板，從上往下移動步進移動平臺，使探測裝置隨著步進移動 平臺移動；
[0017] (5)通過步驟(2)使探測裝置在移動過程中探測到兩個反斯托克斯光信號增強的 點，分別記錄下兩個時刻下探測裝置的位置數據；
[0018] (6)通過步驟(3)得到兩個待測光頻率，若這兩個待測光頻率的值相差較大，則重 新測量;若相差微小，則取兩者平均值后作為最終的待測光頻率，以消除隨機誤差。
[0019] 步驟(4)中所述兩個分光鏡的其中一個的參數為1/4反射率、3/4透射率;另一個的 參數為1 /3反射率、2/3透射率。
[0020] 步驟(4)中在所述測量裝置的基礎上相對應地增加多組分光鏡、凸透鏡，樣品和擋 板，通過步驟(2)記錄下多組探測裝置的位置數據，通過步驟(3)得到多組待測光頻率，若多 組待測光頻率的值相差微小，則取多組待測光頻率的平均值后作為最終的待測光頻率。
[0021] 與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：
[0022] 1.本發明測量裝置成本低、誤差小、精度高，并且具有較快的測量速度，可以廣泛 應用于從事研究太赫茲相關領域的實驗室中。
[0023] 2.測量范圍廣，除了可以測量整個THZ波段的頻率，還可以測量遠紅外和微波波段 的電磁波頻率。
[0024] 3.裝置整體搭建完畢后，測量時只需步進移動平臺來獲取反斯托克斯光信號出現 增強點時探測裝置的位置數據，最終由計算機完成數據采集及計算，操作方便，測量速度 快。
[0025] 4.可在測量裝置的基礎上相對應地增加多組分光鏡、凸透鏡，樣品和擋板，從而測 得多組待測光頻率，取組待測光頻率的平均值后作為最終的待測光頻率，使得測量數據精 確可靠，精度高。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發明的結構示意圖。
[0027] 圖2是頻率測量中相位匹配原理示意圖。
[0028] 圖3是本發明其中一實施例的結構示意圖。
[0029]附圖標記：1_激光器2-待探測光3-分光鏡4-離軸拋物面鏡5-凸透鏡6-樣品 7_擋板8-標尺9-狹縫10-準直元件11-色散元件12-聚焦元件13-CXD檢測器14-步進 移動平臺15H十算機16-彳目息米集器
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對本發明作進一步的描述：
[0031] 如圖1所示，一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，包括激光器1、分光鏡3、 離軸拋物面鏡4、凸透鏡5、樣品6、擋板7、步進移動平臺14和計算機15，激光器1由連續寬帶 激光器構成，用于發射連續寬帶的激光;離軸拋物面鏡4用于轉折光路，其表面鍍有金屬金； 凸透鏡5用于將兩束激光和一束待探測光2匯聚于樣品6上，待探測光2為需要探測的光，本 實施中將其頻率設為ω 2;樣品6選用拉曼頻移較大的并使其位于凸透鏡5的焦點處;擋板7 用于過濾一些不需要的光。
[0032] 激光器1射出的激光依次垂直入射至分光鏡3和離軸拋物面鏡4,本實施例中分光 鏡的參數為1/2透射率、1/2反射率，經分光鏡3和離軸拋物面鏡4反射后的激光和待探測光2 通過凸透鏡5聚焦后入射至樣品6,通過樣品6后的光一部分被擋板7吸收，另一部分形成有 反斯托克斯光，擋板7的后方設有用于探測反斯托克斯光的探測裝置，探測裝置由依次設置 在步進移動平臺14上的狹縫9、準直元件10、色散元件11、聚焦元件12和(XD檢測器13構成， 狹縫9的作用是在入射光的照射下形成光譜儀成像系統的物點;準直元件10使狹縫9發出的 光線變為平行光;色散元件11通常采用光柵，使光信號在空間上按波長分散成為多條光束； 聚焦元件12聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫9的像，其中每一像點 對應于一特定波長;CCD檢測器13放置于焦平面，用于測量各波長像點的光強度。步進移動 平臺14的前方一側還設有用于觀察和標定狹縫9位置的高精度的標尺8,標尺8的精度為納 米級或納米級以下;標尺8連接信息采集器16,信息采集器16、CCD檢測器13和步進移動平臺 14均通過線纜與計算機15相連，計算機15的程序控制步進移動平臺14沿標尺8的方向步進 運動，信息采集器16將出現了反斯托克斯光信號增強時的狹縫9的位置數據傳給計算機15， 計算機15運行測量程序，讀取信息采集器16輸出的數字電壓值，對步進移動平臺14發出工 作指令，最終為用戶計算得出測量結果。
[0033]本發明測量裝置的原理如下：
[0034] 如圖1所示：由于激光器1是一個寬帶激光器，包含了各種頻率，于是其中必然存在 某個頻率〇^滿足公式(1.1)
[0035] ωι-ω2 = ων 公式（1.1)
[0036] 式中：ων為樣品6的拉曼活性的振動頻率，其中ων是確定的已知量。
[0037] ω2是待探測光2的頻率。〇^是激光器1入射的激光頻率，共有兩束：由連續的寬帶 激光器1發射的光在前期光路中一分為二，一部分通過了凸透鏡5的上方，一部分通過了凸 透鏡5的下方。
[0038]由相干反斯托克斯拉曼光譜學(CARS)理論可知:這兩個入射光對應于受激拉曼散 射的栗浦光（ω 1= gh)和斯托克斯光（ω 2= ω s)。頻率為ω ω 2的光通過受激拉曼散射產 生了粒子數密度很大的振動激發態分子。作為非線性介質，這些激發態分子利用頻率ω :的 入射光產生《a = 2 ω廣^^的反斯托克斯光。如圖2所示，在滿足相位匹配條件 2萬=/7； +/7； =/7 (〗:由此式計算可得)后，得到的反斯托克斯光信號的強度將會比自發拉曼光 譜信號大1〇4~1〇5倍。
[0039]本發明專利利用空間折疊的相干反斯托克斯(BOX CARS)取代通常使用的共線的 相干反斯托克斯(CARS)。從而克服了一個缺陷（彼此平行的兩束入射激光和信號光束在空 間上是重疊的，必須用昂貴的光譜濾波片將他們區分開來）。本實施例中選用的是價格較低 的連續寬帶激光器。選擇一個拉曼活性的振動頻率較高的樣品6,探測裝置隨著步進移動平 臺14移動，在滿足相位匹配的一個位置，將會出現反斯托克斯光信號增強的點，記錄下此刻 探測器的位置數據d。根據相關計算可以得到以下的方程組：
[0041] 式中石、ξ、ξ分別是的波矢，其方向及角度α如圖1和圖2所示；
[0042] $ .、勾、&、&分別是I.、冢:.、fg對應的模值，c是光速。
[0043] 再聯立公式(1.1)，可得待測光頻率的公式為：
[0045] 若要進一步提高精確度和可靠性，減少誤差(樣品性質微變、噪聲信號干擾等），可 以在圖1的基礎上添加兩個個分光鏡3、一個凸透鏡5和一種新的樣品6,如圖3所示。當探測 裝置從上往下移動的時候，就會發現兩個反斯托克斯光信號突增的位置，分別記錄下位置 信息。按照公式（1.3)中的計算方式，就可以得到兩個待測光的頻率分別為如果 發現相差較大，那么就說明可能發生了材質的結構性質變化或者出現了較大的誤 差，需要改善后重新測量;如果發現與基本相等，那么可以選取兩者的平均值作為最 后的待測光的頻率，以消除隨機誤差。
[0046] 進一步的，可以再添加多組分光鏡、透鏡和樣品來采集一系列的出現反斯托克斯 光信號增強的位置點。從而可以計算出多組待測光頻率^ U、……，如果 多組頻率基本相等，則最終的待測光頻率計算式為
[0048] -種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置的測量方法，包括以下步驟：
[0049] (1)打開激光器1，移動步進移動平臺14，使探測裝置隨著步進移動平臺14移動；
[0050] (2)探測裝置在移動過程中探測到反斯托克斯光信號增強的點，通過標尺和計算 機記錄該時刻下探測裝置的位置數據；
[0051] (3)通過待探測光的頻率計算公式(1.3)得到待測光頻率；
[0052] (4)為使測量數據精確可靠，在所述測量裝置的基礎上相對應地增加兩個分光鏡 3、一個凸透鏡5,一個樣品6和一個擋板7,從上往下移動步進移動平臺14,使探測裝置隨著 步進移動平臺14移動；
[0053] 圖3中較為靠近的兩個分光鏡3中位于上面的參數為1/4反射率、3/4透射率；另一 個的參數為1/3反射率、2/3透射率；
[0054] (5)探測裝置在移動過程中探測到兩個反斯托克斯光信號增強的點，分別記錄下 兩個時刻下探測裝置的位置數據；
[0055] (6)通過待探測光的頻率計算公式得到兩個待測光頻率，若這兩個待測光頻率的 值相差較大，則重新測量;若相差微小，則取兩者平均值后作為待測光頻率，以消除隨機誤 差。
[0056] 優選的，在所述測量裝置的基礎上相對應地增加多組分光鏡3、凸透鏡5,樣品6和 擋板7,從而通過步驟(2)、（3)測得多組待測光頻率，若多組待測光頻率的值相差微小，則采 用公式(1.4)計算得到最精確的待測光頻率。
【主權項】
1. 一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，其特征在于，包括激光器、分光鏡、離 軸拋物面鏡、凸透鏡、樣品、擋板、步進移動平臺和計算機，所述激光器射出的激光依次垂直 入射至分光鏡和離軸拋物面鏡，經分光鏡和離軸拋物面鏡反射后的激光和待探測光通過所 述凸透鏡聚焦后入射至所述樣品，通過所述樣品后的光一部分被所述擋板吸收，另一部分 形成有反斯托克斯光，所述擋板的后方設有用于探測所述反斯托克斯光的探測裝置，所述 探測裝置由依次設置在所述步進移動平臺上的狹縫、準直元件、色散元件、聚焦元件和CCD 檢測器構成，所述步進移動平臺的前方一側還設有標尺，所述標尺連接有用于采集狹縫位 置信息的信息采集器，所述信息采集器、CCD檢測器和步進移動平臺均通過線纜與所述計算 機相連。2. 根據權利要求1所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，其特征在于，所述 激光器由連續寬帶激光器構成。3. 根據權利要求1所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，其特征在于，所述 離軸拋物面鏡的表面鍍有金屬金。4. 根據權利要求1所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置，其特征在于，所述 標尺的精度為納米級或納米級以下。5. 根據權利要求1所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置的測量方法，其特 征在于，包括以下步驟： (1) 打開激光器，移動步進移動平臺，使探測裝置隨著步進移動平臺移動； (2) 探測裝置在移動過程中探測到反斯托克斯光信號增強的點，通過標尺和計算機記 錄該時刻下探測裝置的位置數據； (3) 通過待探測光的頻率計算公式得到待測光頻率； (4) 為使測量數據精確可靠，在所述測量裝置的基礎上相對應地增加兩個分光鏡、一個 凸透鏡，一個樣品和一個擋板，從上往下移動步進移動平臺，使探測裝置隨著步進移動平臺 移動； (5) 通過步驟(2)使探測裝置在移動過程中探測到兩個反斯托克斯光信號增強的點，分 別記錄下兩個時刻下探測裝置的位置數據； (6) 通過步驟(3)得到兩個待測光頻率，若這兩個待測光頻率的值相差較大，則重新測 量;若相差微小，則取兩者平均值后作為最終的待測光頻率，以消除隨機誤差。6. 根據權利要求5所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置的測量方法，其特 征在于，步驟(4)中所述兩個分光鏡的其中一個的參數為1/4反射率、3/4透射率；另一個的 參數為1 /3反射率、2/3透射率。7. 根據權利要求5所述一種基于CARS效應的太赫茲波頻率測量裝置的測量方法，其特 征在于，步驟(4)中在所述測量裝置的基礎上相對應地增加多組分光鏡、凸透鏡，樣品和擋 板，通過步驟(2)記錄下多組探測裝置的位置數據，通過步驟(3)得到多組待測光頻率，若多 組待測光頻率的值相差微小，則取多組待測光頻率的平均值后作為最終的待測光頻率。
【文檔編號】G01J3/44GK106092321SQ201610493507
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】鄭偉, 徐德剛, 許浩展, 孫忠誠
【申請人】天津大學