[發明專利]一種實現手持式太赫茲反射光譜探測的緊湊型探測系統

有效

• 申請號: 201911195111.1
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN111024622B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 曹恩達;于勇;趙一鳴;宋長波
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

一種實現手持式太赫茲反射光譜探測的緊湊型探測系統，包括由準直鏡組、縮束鏡組、THz折轉光路及THz窗口和3D打印的探測頭結構組成的太赫茲探測頭光學子系統，由飛秒激光器、光纖及耦合器和THz發射器三部分組成的太赫茲源子系統，由飛秒激光器、光學延遲線、光纖及耦合器、THz接收器、放大器和計算機組成的太赫茲探測器子系統；太赫茲探測頭光學子系統將太赫茲源發射的發散太赫茲波均勻準直的入射到探測物質表面并將反射太赫茲波聚焦到太赫茲探測器接收面；太赫茲源出射的太赫茲波首先經過準直鏡組準直成均勻的平行光，然后經折轉光路從太赫茲窗口出射，照射探測物質表面，最后再經太赫茲窗口和折轉光路將反射太赫茲波通過縮束鏡組聚焦到THz接收器光敏面。

技術領域

本發明涉及一種實現手持式太赫茲反射光譜探測的緊湊型探測系統，采用透射式光路，用于解決現有利用反射鏡實現擴束、準直及聚焦作用的太赫茲反射光譜探測光路過于龐大，無法實現小型化手持式探測的情況。而本發明采用在THz和可見光波段均透明的TPX材料，降低透射式光路裝調難度，適用于太赫茲時域光譜探測系統(THz-TDS)。通過小型化緊湊設計和除水汽氣密設計，保證本發明適用于任何工業、公共場所或科研環境，且具有出色性能與高度靈活性。

背景技術

作為本世紀最重要的新興學科之一，太赫茲技術在物質分析識別、檢測材料內部缺陷、評估涂層厚度和密度以及集成電路和超導體近場探針等多個領域有著巨大的應用價值。

由于極性偶極子的振動和轉動躍遷的能級在太赫茲光子能量范圍內，這使得很多有機分子在太赫茲頻率范圍內具有很強的吸收和色散特性，不同物質的太赫茲光譜會呈現出不同的頻譜特征，即使是有相同化學鍵和分子式的手性異構分子也具有不同的太赫茲光譜特性，這為分子的構像提供了唯一的標識信息(指紋譜)。因此通過太赫茲時域光譜技術可以實現物質成分的鑒別。

在1984年，北美電話電報公司(ATT)、Bell實驗室以及IBM的Waston T.J.研發中心首先發展出太赫茲時域光譜(THz-TDS，Terahertz time-domain spectroscopy)技術，這一目前最為廣泛研究的太赫茲技術。THz-TDS技術的原理是，通過測量穿過物體或從物體表面反射的脈沖太赫茲輻射信號，獲取材料的相關物理化學信息。利用THz-TDS技術，可以得到物質的太赫茲光譜，當前太赫茲技術的大部分應用都基于此。

目前國內外的太赫茲光譜探測技術已經發展的較為成熟，其中最典型的有：英國的Teraview公司已經生產出了模塊化的TPS Spectra 3000太赫茲光譜儀，可以通過切換探測模塊實現太赫茲探針、透射光譜和反射光譜的探測；德國Toptica公司的TeraScan連續波太赫茲光譜分析系統和TeraFlash時域光譜分析平臺；大恒新紀元科技股份有限公司作為牽頭單位的國家重大科研儀器專項“基于飛秒激光的太赫茲時域光譜儀開發”，開展了太赫茲時域光譜儀的研制；北京遙測技術研究所完成了門式太赫茲時域光譜安檢儀樣機的研制等。

上述研制包括本發明基本都是基于THz-TDS理論，但是上述研制的共同問題都是沒能實現反射光譜探測的光學系統小型化問題，并不能應用于工業、安檢等領域的手持式探測系統中。

與透射光譜探測手段相比，反射光譜探測具有固體物質及極性液體均可探測且探測信噪比高等優點。對強烈吸收太赫茲波的極性液體材料，可以通過探測容器壁和液體分界面的太赫茲電場變化，實現透射光譜無法實現的高信噪比探測，進而拓展了太赫茲光譜探測的應用范圍。

雖然國內外已經進行了較長時間的反射太赫茲光譜探測系統的探索與研究，但是目前可查的類似本發明思想的產品仍未見報道。這里以2011年美國德克薩斯州布魯克斯城空軍研究所研發的反射太赫茲光譜探測系統為例，說明本發明與其異同。

據目前可查資料，2011年美國德克薩斯州布魯克斯城空軍研究所開發了一種用于生物組織光學參量探測的緊湊型反射太赫茲光譜探測系統，已進行多次試驗。該系統的太赫茲工作波段0.1-2.5THz，使用光電開關技術產生寬帶THz輻射，可以在0.1-1.6THz波段測量乙醇、水、肌肉、脂肪組織和皮膚的光學特性。