[發明專利]基于單元胞立體相位光柵的被動式THz光譜儀

在審

• 申請號: 201810089443.0
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN108489930A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 何志平;肖震洋;楊秋杰;舒嶸
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01N21/3581
• 分類號: G01N21/3581;G01J3/18
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 李秀蘭

本發明公開了一種基于單元胞立體相位光柵的被動式THz光譜儀，所述光譜儀由前置會聚透鏡、前置視場光闌、準直鏡、單元胞立體相位光柵、后置會聚透鏡、后置孔徑光闌、窗口片、左線陣探測器、右線陣探測器、左線陣探測器控制處理系統、右線陣探測器控制處理系統和控制采集處理計算機組成。所述單元胞立體相位光柵采用特殊的單元胞結構，通過控制槽深，引入附加光程，對衍射太赫茲波進行相位調制，使衍射太赫茲波的能量集中于±1級，再通過歸一化技術消除相位調制帶來的光譜失真情況，得到目標的太赫茲輻射譜。所述光譜儀能實時、高效獲取被測量目標太赫茲波段的光譜信息，適用于深空探測等相關領域。

技術領域

本發明涉及一種太赫茲光譜測量儀，具體涉及一種能實時、高效獲取被測 量目標太赫茲光譜信息的太赫茲光譜測量儀。所述被動式THz光譜儀由前置會 聚透鏡、前置視場光闌、準直鏡、單元胞立體相位光柵、后置會聚透鏡、后置 孔徑光闌、左線陣探測器、右線陣探測器，窗口片、左線陣探測器控制處理系 統、右線陣探測器控制處理系統和控制采集處理計算機組成。所述單元胞立體 相位光柵采用特殊的單元胞結構，通過控制槽深，引入附加光程，對衍射太赫 茲波進行相位調制，使衍射太赫茲波的能量集中于±1級，所述探測器探測由窗 口片濾光后的±1級衍射光束，通過歸一化技術消除由于相位干涉加強引入的失真，得到物體的太赫茲光譜。所述光譜儀能實時、高效獲取被測量目標全太赫 茲波段的光譜信息，適用于深空探測等相關領域。

背景技術

太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍內的電磁波，對應單光子能量 0.38meV到38meV，對應分子或分子基團的轉、振動能級間光子的躍遷。通過 探測物質輻射的太赫茲譜能夠提供物質的基本結構信息，如許多極性分子的振 動、轉動頻率，藥物的基本成分和作用機理，電子材料的低能激勵現象，固體 材料的聲子，磁振子，等離子體激元及液體分子振動等激勵現象。

在現階段，太赫茲波段的探測儀器主要有兩類儀器，一類為主動式太赫茲 探測儀器，另一類為被動式太赫茲探測儀器，主動式太赫茲探測儀器包括主要 兩種，分別為遠紅外傅里葉變換光譜儀和太赫茲時域光譜儀。

遠紅外傅里葉變換光譜儀基于傅里葉變換技術實現光譜探測，具有多通道、 高通量的優點，但傅里葉光譜儀完成譜線測量依賴動鏡的順次掃描，不能實時 成譜；其次，傅里葉光譜儀基于邁克爾遜干涉儀的基本機構，其中分束器使入 射太赫茲波損耗50％，限制了儀器在微弱信號探測中的使用；第三，由于運動 部件的存在，傅里葉變換光譜儀存在能耗高、使用壽命較短的問題。

太赫茲時域光譜儀對太赫茲波的探測基于光電導天線或電光取樣。在對物 體成像時，太赫茲時域光譜儀需要完成波長維和空間維的掃描，需要耗費大量 的時間，無法達到實時成譜的高要求。

對于這兩種主動式太赫茲探測儀器，它們都存在一個共同問題，即需要適 合測量目標波段的光源器件。這個缺點限制了其在非實驗室環境下的使用，無 法滿足深空探測的要求。

在專利號為201710037295.3的專利文件中，介紹了一種被動式太赫茲探測 儀器，一種利用立體相位光柵和孔徑分割技術實現的靜態傅里葉變換光譜儀， 這種光譜儀具有能量利用率高和實時成像的特點。但是，利用立體相位光柵和 孔徑分割技術實現的靜態傅里葉變換光譜儀所適用的領域不同；其應用領域為 遠距離微弱太赫茲信號的成像和探測，并且，其結構較為復雜，占用體積較大， 無法滿足在深空探測的高要求。

現有技術的缺點主要體現在以下方面：首先，現有技術都無法達到實時成 譜的要求；其次，傅里葉變換光譜儀由于體積、分束片的光損失和動臂的運動 等問題、太赫茲時域光譜儀由于成像時間等問題均無法滿足在復雜多變環境下 的物質的光譜獲取工作。最后，主動式的太赫茲探測儀器都需要光源并且對其 有一定要求，限制了該類儀器在非實驗室環境下的使用，無法滿足深空探測的 要求。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明提供了一種基于單元胞立體相位光柵的 被動式THz光譜儀，適用于太赫茲光譜檢測、分析。