CN105572076A - 基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法。待测太赫兹波经由散射器件后形成太赫兹频率的散射波，散射波在散射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；散射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的散射波强度角分布，散射控制器用来改变透过散射器件的太赫兹散射波在探测器位置处的散射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下被探测器所接收到的散射波强度互不相同；计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并进行数据分析和处理。本发明的太赫兹波谱测量装置相比现有的太赫兹时域波谱测量装置具有体积较小、易于制作、成本相对低廉，且频率分辨率高、光谱测量范围宽等优点。

Description

基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波谱测量设备与波谱测量方法，特别涉及一种通过散射效应进行分光测量太赫兹波谱的设备及波谱测量方法。属于波谱探测技术领域。

背景技术

随着太赫兹波(指频段范围为0.05～50THz，特别是0.1～10THz的电磁波)产生与探测技术的日趋成熟，太赫兹波的相关技术与应用研究得到了快速发展。太赫兹波谱测量仪器是太赫兹波研究领域最重要的器件之一。使用太赫兹波谱测量仪器能获得被检测样品的太赫兹反射或透射波谱，所获太赫兹波谱可以用来鉴别样品的成分，从而可以被广泛应用于生化检测、安全检查等诸多应用领域。

文献1(张兴宁等，太赫兹时域光谱技术，激光与光电子学进展，2005年7月，35～38页)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它采用一台飞秒激光器，其产生的飞秒激光被分成两束。一束作为抽运光束来激发太赫兹发生器产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光束入射到太赫兹探测器上来测量探测光束到达时刻的太赫兹电场强度。在两个光路之间的光程差一定时，对应每一个激光脉冲产生的太赫兹脉冲，其与探测脉冲之间的相对时间延迟始终是固定不变的。因此，探测脉冲探测的始终是太赫兹脉冲在时间轴上的同一个点。通过一套精密机械位移装置来调整其中一路光束(一般是探测光束)的光程，使两个光路之间的光程差发生改变，即可以测量得到时间轴上不同时刻的太赫兹脉冲电场强度，从而得到太赫兹脉冲幅度的时域波形。然后，通过对脉冲电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的频谱图。

但是，这种传统的太赫兹时域光谱测量方法采用了机械时间延迟装置。由于机械装置的移动不可避免地导致光路(包括光斑的大小、位置的偏移等)的改变，并且移动幅度越大，改变越大，使其难以进行宽时间窗(如lns甚至lns以上)的测量，从而直接限制了其频谱分辨能力(典型值3-50GHz)。另外，基于机械时间延迟装置的***扫描速度比较慢，抗振动能力差。在这种情况下，为了提高扫描速度，必须牺牲其频谱分辨力。

文献2(A.Bartels，etc.，High-resolutionTHzspectrometerwithkHzscanrates,0PITCSEXPRESS,Vol.14，No.1，pp.430～437)披露了一种太赫兹时域光谱测量方法，它是一种异步光学采样(AsynchronousOpticalSampling)时域光谱测量方法。在文献2的方法中，使用两台工作在不同重复频率的飞秒激光器分别发出两束飞秒激光。两台激光器产生的两束激光被分别作为抽运光束与探测光束。与文献1的太赫兹时域光谱测量方法需要使用机械时间延迟装置来调整改变抽运脉冲与探测脉冲之间的时间延迟不同，文献2的方法中的两路光束由于工作在不同的重复频率，因此其脉冲之间的时间延迟是一直处于变化中的。假定抽运脉冲的重复频率为f，两束激光之间的频率差为Δf，则在1/Δf的时间间隔内，探测脉冲即对太赫兹脉冲进行了一次时间窗为1/f的扫描。通过多次重复扫描提高信噪比，最终可以得到太赫兹脉冲的时域波形。同样，通过对电场强度数据进行傅立叶变换，得到太赫兹脉冲的时域谱。

如上所述，基于异步光学采样的太赫兹时域光谱方法免去了机械时间延迟装置，并有效地解决了扫描速度与频谱分辨率之间的矛盾，使***能保持高的频谱分辨能力(典型值：1GHz)的同时保持高的扫描速度(单次扫描典型时间0.1ms，多次扫描信噪比典型值：60dB60s)。但是，这种方法为了保证测量带宽并解决频率稳定性问题，大幅提高了飞秒激光器的重复频率(由典型值80MHz提高到了lGHz)，使其频谱分辨力无法得到进一步的提高(lGHz重复频率的理论频谱分辨率为lGHz)。此外，为了提高探测带宽，必须提高激光器重复频率的稳定性，而进一步提高重复频率的稳定性是相当困难的。而且，采用两台飞秒激光器也提高了整个装置的成本。

因此，对于太赫兹波谱测量***来说，要求其在波谱测量性能上同时满足宽频谱和高频谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的体积较大、成本较高、对振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于散射效应的太赫兹波谱测量装置及太赫兹波谱测量方法。

本发明采用的技术方案如下：

基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，包括散射器件、散射控制器、探测器和计算处理单元，待测太赫兹波经由散射器件后形成太赫兹频率的散射波，散射波在散射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；所述散射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的散射波强度角分布，所述散射控制器用来改变透过散射器件的太赫兹散射波在探测器位置处的散射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器所接收到的散射波强度互不相同；所述计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并进行数据分析和处理。

所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于散射器件之前的太赫兹波准直装置。

进一步地，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个透镜之间共同焦点处的小孔光阑，或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。

所述散射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变散射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散射器件与探测器之间的相对位置或者放置角度。

所述散射器件的表面不光滑，或者散射器件的折射率不均匀，使得太赫兹波发生正向或反向散射；当所述探测器接收太赫兹波发生正向散射的散射波，所述探测器与入射的太赫兹波分别在散射器件的两侧分布。当所述探测器接收太赫兹波发生反向散射的散射波，所述探测器与入射的太赫兹波在散射器件的同侧分布。

优选地，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光图案信号照射在所述本征半导体的表面。

优选地，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面粗糙，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射在所述本征半导体的表面。

优选地，所述散射器件包括对太赫兹波透明的薄膜，所述薄膜内部有半导体粉状颗粒，所述薄膜的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射到半导体粉状颗粒上。

优选地，所述散射器件包括太赫兹波电光晶体，所述电光晶体的表面粗糙；所述散射控制器包括电极与电源，用于对电光晶体施加不同电场以控制电光晶体的折射率。

所述散射控制器通过移动散射器件或者探测器，来控制散射器件与探测器之间的相对位置或者放置角度。

进一步地，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过散射装置后的太赫兹散射波的传播方向发生变化；所述散射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与散射器件、探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹散射波的场强分布发生变化。

所述计算处理单元与所述散射控制器可以进行数据交换，在散射控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，散射控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控制参数，使得探测器测到另一个值。

本发明基于散射效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频段，或者将探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为f₁,f₂,…f_n，或者各波段的中心波长记为λ₁,λ₂,…λ_n；

步骤2、令待测太赫兹波依次通过散射器件和探测器，并通过所述散射控制器的控制，输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值，用这n个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P₁,P₂,…P_n；

步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频分量f₁,f₂,…f_n的大小P(f₁),P(f₂),…P(f_n)，或者通过矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λ₁,λ₂,…λ_n的大小P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)：

式中，C_ij表示在散射控制器第j个控制参数下，频率为f_i或者波长为λ_i的太赫兹波在发生散射与不发生散射的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，这个值通过实验预先测得；其中，i＝1,2…n，j＝1,2…n；

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)或者P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)进行曲线拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱曲线。

进一步地，所述步骤2中，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，在所述n个控制参数的作用下，散射控制器可以通过光调制、电调制、温度调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变散射器件或者折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散射器件、折射器件、探测器三者之一的相对位置或者放置角度，从而可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值。

进一步地，所述步骤3中，利用吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法或者交替方向乘子法的数学优化方法求解矩阵方程。

优选地，在所述吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子项，通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的太赫兹波谱曲线更加平滑。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明中的太赫兹波谱测量方案完全避开采用傅里叶变换的方法，不需要昂贵的仪器搭建复杂的光路。只需要一个简单的无序结构光学元件就可以对各个波长的太赫兹波形成不同的散射光场分布，从而实现波谱复原，因此整个装置的成本较低。

(2)本发明通过解方程组复原太赫兹波谱的方法使得光谱复原范围以及分辨率不再受机械装置移动范围和飞秒激光器重复频率的限制，因此分辨率较高、光谱复原范围较宽。

(3)本发明的太赫兹波谱测量装置相比现有的太赫兹时域波谱测量装置体积较小，便携性大大提高。

附图说明

图1为本发明采用的太赫兹波谱频率划分方法，图中横坐标表示频率；纵坐标是归一化太赫兹波谱强度；

图2为本发明波谱测量装置的基本结构示意图，其中实心箭头表示数据传输方向，虚线箭头表示可能存在的数据传输方向；

图3为实施例1的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；

图4(a)、(b)、(c)为三种激光光斑在半导体表面的分布图样；

图5为准直装置结构示意图；

图6为实施例3的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；

图7为实施例3的另一种实现方式的示意图；

图8为实施例4的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；

图9为实施例5的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；

图10为实施例6的太赫兹波谱测量装置的结构示意图，其中实心箭头方向为金属薄片位置可以移动的方向；

图11为实施例6的另一种调节方式的示意图，其中实心箭头方向为金属薄片角度可以偏转的方向；

图12为实施例6的另一种调节方式的示意图，其中实心箭头方向为太赫兹波探测器位置或者角度可以偏转的方向；

图13为实施例7的太赫兹波谱测量装置的结构示意图，其中实心箭头方向为太赫兹波透镜位置可以移动的方向；

图14为实施例7的另一种调节方式的示意图，其中实心箭头方向为太赫兹波透镜角度可以偏转的方向；

图15(a)至(e)为折射器件可以采用的几种类型；

图16为实施例8的太赫兹波谱测量装置的结构示意图，其中实心箭头方向为太赫兹反射镜位置改变或者角度偏转方向；

图17为另一种准直装置结构示意图；

图18为实施例10的太赫兹波谱测量装置的结构示意图；其中实心箭头方向为散射器件位置改变或者角度偏转方向；

图中，1为太赫兹波，2为准直装置，21为太赫兹波源，22为散射器件，23为折射器件，24为散射控制器，25为计算处理单元，26为数据传输，27为可能的数据传输，3为本征半导体，4为太赫兹散射波，5为太赫兹探测器，6为激光器，7为数字微反射镜，8为透镜组，9为激光束，10为散射粒子，11为太赫兹波光斑，12为激光照射光斑，13为无序分布的激光照射点，14为阵列排布的激光照射点，15为太赫兹波凸透镜，16为小孔光阑，17为粗糙表面，18为凹透镜，19为棱镜，20为太赫兹波反射镜，28为太赫兹电光晶体，29为金属电极与电源，30为聚合物薄片，31为半导体颗粒，32为金属薄片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用散射控制器24改变透过散射器件22的太赫兹散射波4在探测器5位置处的散射场分布，通过测量不同控制条件作用下被探测器5所探测到的太赫兹散射波4功率或其它表示强度大小的量，代入并求解线性方程组获得待测太赫兹波1的频谱。

散射(英语：diffraction)是指电磁波通过不均匀介质时偏离原来方向而分散传播的物理现象。散射现象分很多种类。散射波的波长与入射光相同，而其强度与电磁波的波长的四次方λ⁴成反比的散射，称瑞利散射定律，由瑞利于1871年提出。此定律成立的条件是散射粒子粒径远小于光波长尺度，即粒子粒径小于波长1/10。根据瑞利散射定律，与入射波传播方向成θ角方向上的散射波的强度为：式中，α是非均匀程度的因子，N₀为散射粒子的数目，V为散射粒子的体积，γ为散射粒子到探测位置的距离，λ为入射波波长，I_i为入射波强度。

而当粒子粒径与入射电磁波波长尺度相近时，瑞利散射不再适用，此时散射规律遵从米氏散射的公式，即与入射波传播方向成θ角方向上的散射波强度满足其中n<4,n具体取值取决于散射粒子尺寸。

瑞利散射和米氏散射都属于弹性散射，散射波的波长与入射波的波长一致。除此之外，还有散射波的波长与入射波的波长不一致的非弹性散射，非弹性散射包括布里渊散射，拉曼散射，康普顿散射等等，但与弹性散射相比强度要弱得多。

以上散射现象都可以使得不同波长的电磁波在发生散射后呈现不同的散射场角分布。但瑞利散射使得不同波长分量之间的散射场角分布的区分更加明显，因此在本发明中优先采用瑞利散射。即散射器件22中的散射粒子尺寸小于待测太赫兹波波长的1/10。当待测太赫兹波经过散射器件22发生散射后，就会形成一定的散射场分布。而对于不同频率(或波长)的太赫兹波分量，经过散射器件22后所形成的散射场分布互不相同，因此可以通过散射效应将不同频率的入射波分量区分开来。当一个宽频的太赫兹波(即里面有很多个频率分量的太赫兹波)发生散射，散射场中探测器所探测到的数值是每一个频率(或波长)的太赫兹波分量在探测器位置处散射场作用的线性叠加。而当散射场发生改变时，探测器所探测到的线性叠加后的散射波强度也互不相同，因此可以通过反演得到待测太赫兹波的频谱信息。详细解释如下：

按照探测器的测量频率范围，将该频段分成n等份。假设待测太赫兹波波谱曲线如图1所示，波谱曲线就被分成n段，每一段的中心频率为f_i(i＝1,2…n)，频宽为Δf，待测太赫兹波中每段频率分量的功率对应于图1中每个小矩形的面积P(f_i)。需要测的待测太赫兹波谱线可以由图1中各个频率所对应的幅度进行线性拟合得到，所以目标转化为求上图中各个小矩形的高度。考虑到n的数目比较多，根据微积分的原理，入射的太赫兹波的总入射功率可以近似为图1中曲线下面很多个小矩形面积的总和。先不考虑控制器的作用，当入射的太赫兹波1经过散射器件22和折射器件23后，被探测器5探测到。此时，该探测器5接收到的功率，一方面可以通过自身直接探测；而另一方面，探测器5接收到的功率也可以通过入射的太赫兹频谱进行计算得到。因为被探测器5探测到的太赫兹波各频率分量的功率，与原来没有发生散射时的太赫兹波各频率分量的功率相比都有一定程度的改变，即图1中每一个小矩形的面积发生了变化，而且这个改变的比例对于太赫兹波各频率分量来说互不相同。这些改变比例，即探测器5对待测太赫兹波各频率分量的探测率，可以事先通过将各频率的太赫兹波散射发生后与散射发生前探测器5所测值分别减去探测器5的固有噪声相比后，计算测得。当各部件的位置和结构固定，即使散射器件22中的散射粒子是无序排布，该探测率也是固定值，可以事先测得。因此就可以得到一个方程，方程的左边是探测器5探测得到的功率测量值，方程组的右边是待测太赫兹波中各个频率分量的功率大小与探测器5对太赫兹波各频率分量的探测率分别相乘后再相加所得到的计算值。此后，通过散射控制器24改变散射场分布，改变后探测器5对太赫兹波各频率分量的探测率以及探测器接收到的总的太赫兹功率又将发生变化。那么当散射控制器24输出不同的信号，在探测器5位置处将测得一系列不同的太赫兹波散射场功率。因此，就可以得到一个方程组或矩阵方程，解此方程组或矩阵方程就可以得到待测太赫兹波的归一化光谱。

不过，因为探测器本身具有一定的信噪比，由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组。而且如果频率划分份数n数目比较多的话，很难用普通的方法求解该方程组，所以需要用到一些数学优化方法。比如吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法。以及对这些方法进行改进后衍生出的其他优化方法，比如在吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法中加入平滑因子项，该项通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的频谱曲线更加平滑，矩阵方程的近似解形式如下：

$x=\arg min\left|\right|Cx-y|{|}_2^2+\&part;|\left|\mathrm{\&Delta;}x\right|{|}_2^2+\mathrm{\&eta;}\left|\right|x|{|}_2^2$

式中，η>0是正则化系数，它控制着范数与附加约束条件之间的权重。是波谱复原结果的光滑系数，它控制着两个相邻解x₁和x₂之间的距离。

求得线性方程组的解后进行定标，就可以得到待测太赫兹波的复原频谱。

结合以上原理，基于散射效应的太赫兹波谱测量装置的基本结构如图2所示，包括散射器件22、折射器件23(可以省略)、散射控制器24、探测器5以及计算处理单元25。它们的功能是：散射器件22使太赫兹波发生散射，折射器件23可以使得透过散射装置后的太赫兹散射波的传播方向发生变化，散射控制器24可以控制探测器位置处的太赫兹散射场分布，探测器5可以用来探测太赫兹散射波，计算处理单元25用来计算与分析数据。太赫兹波谱测量过程是：假设一束太赫兹波1从太赫兹波源21发出，经过太赫兹准直装置2，照射到散射器件22上。该太赫兹波1经过散射器件22后会发生散射效应，发出的正向或者反向太赫兹散射波4经过折射器件23(或者不经过折射器件23)，最终被探测器5探测到。探测器5将所探测到的数据发送到计算处理单元25。散射控制器24可以通过光调制或者电调制或者机械调制等调控手段，作用于散射器件22或者折射器件23或者探测器5(图2中虚线27表示可能的数据传输，箭头表示数据传输方向)，从而使得从散射器件22透过的太赫兹散射波4在探测器5的探测端位置处的场强分布发生变化，最终使得探测器5在散射控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹散射波强度。计算处理单元25通过与探测器5进行数据传输(图2中实线26表示数据传输，箭头表示数据传输方向)，记录下散射控制器24不同控制作用下探测器5的测量结果，通过将测量结果代入并求解矩阵方程，自动实现光谱复原及结果输出。

如果要通过散射控制器24使得从散射器件22透过的太赫兹散射波4在探测器5的探测端位置处的场强分布发生变化，可以通过多种途径实现。比如，可以通过散射控制器24改变散射器件22中散射粒子或散射粒子周围介质的形状、大小、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变折射器件23中介质的形状、分布、结构、电导率或者折射率，或者改变散射器件22、折射器件23、探测器5三者之一的相对位置和放置角度，最终使得探测器5在散射控制器24调控下能够探测到不同的太赫兹波散射波强度。

根据上述控制太赫兹波散射场的方案，可以设计出不同结构的太赫兹波谱测量装置。下面结合上述太赫兹波谱测量的原理，具体举几个实施例：

实施例1：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构图如图3所示。散射器件22在本实施例中为一个等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体3。所用本征半导体可为本征砷化镓(GaAs)或者本征硅(Si)。散射控制器24在本实施例中为激光器6、透镜组8、空间光调制器。空间光调制器采用数字微反射镜7(DegitalMicromirrorDevice)。激光器6可采用掺钛蓝宝石激光器。探测器5为太赫兹波探测器，如GolayCell或者Bolometer。透镜也可以换为反射镜。待测的太赫兹波沿着传输方向依次经过本征半导体3和探测器5。散射控制器24所包含的激光器6、透镜组8、数字微反射镜7发出激光图案信号射在作为散射器件22的本征半导体3的表面。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图3中未示出)。折射器件23在本实施例中省略。

在本实施例中，本征半导体3的表面与太赫兹波1传输方向垂直，太赫兹波1透过本征半导体3后，形成太赫兹散射波4，可被太赫兹波探测器5探测到。因为本征半导体3本身并不能使得太赫兹波发生散射，如果要使得散射发生，需要采用上述散射控制器24发射出可调制激光9，在半导体3的表面形成具有一定分布的激光光斑12。如图3所示为在半导体表面所形成的激光光斑图样，黑点部位为激光照射的区域。根据公知常识，当激光照射在半导体上时，在激光照射的半导体表面位置处的光生载流子浓度较高，使得该处半导体表面的等离子体频率和介电常数与半导体其它位置不同，当被激光照射的部位线宽小于太赫兹波波长的十分之一，被激光照射的半导体区域就形成了散射粒子的结构，使得透过半导体3的太赫兹波1在被激光照射处发生瑞利散射。

通过数字微反射镜7照射在半导体表面的激光光束，使得照射的半导体表面无序或者有序地排布有各种形状激光图样。通过在半导体表面照射激光图样可以使得半导体表面可形成各种散射结构，如图4所示。该散射结构可以是规律性排布，也可以呈无序排布。通过数字微反射镜7可以切换照射在半导体表面的激光图样，从而调制经由半导体的太赫兹波的散射场分布。由于计算处理单元25与数字微反射镜7可以进行数据交换，数字微反射镜7每次控制照射在半导体表面的激光光束，探测器5自动记录数据，记录完成后，数字微反射镜7自动切换照射在半导体表面的激光图样，使得探测器5测到另一个值。

为了提高测量的准确性，本实例中首先使入射的太赫兹波通过一个准直装置2，本实施例中的准直装置2的结构如图5所示，包括两个共焦的太赫兹波凸透镜15，两个太赫兹波凸透镜15共同的焦点处设置有光阑16，待测太赫兹波通过该光学准直装置2后即可转变为平行传输的太赫兹波1。这样不仅使得只有平行传输的太赫兹波才能入射到该太赫兹波谱测量装置，而且限定了待测太赫兹波的波束宽度，有利于提高测量的准确度。

由上述分析可知，当散射器件确定后，透过散射器件的太赫兹散射波强度与待测的太赫兹波频率以及散射控制器的输出信号有关。因此，对于某一特定频率的太赫兹波，通过散射控制器改变照射在半导体表面的光场分布，太赫兹探测器就将探测到不同的太赫兹波强度；而对于不同频率的太赫兹波，当照射到半导体表面的激光图样不发生变化时，经由散射器件的各频率太赫兹散射波场强角分布也不同。在照射到半导体表面的激光取n种不同的分布图案时，太赫兹探测器就可以测得n个数据，将探测器探测到的值去除环境噪声后所得到的值作为增广矩阵；将探测器所能探测的频率范围均匀划分成n份，每一份中心频率的太赫兹波分量在待测太赫兹波中的大小作为未知数；事先测得在每一个激光图样使得太赫兹波发生散射时所对应的探测器对各太赫兹波频率分量的探测率，并将该探测率的数值代入到系数矩阵。通过吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法求解矩阵方程，并将所得结果进行线性拟合、频谱定标就可以得到待测太赫兹波的波谱。基于该原理即可得到本发明的波谱测量(波谱复原)方法，具体如下：

步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f₁,f₂,…f_n。

如图1所示，在探测器的测量频率范围内，将太赫兹波谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，假设每一份的中心频率分别为f₁,f₂,…f_n，频率间隔为Δf，P(f_i)(i＝1,2,…n)为频率f_i的太赫兹波频率分量对应的功率大小，待测太赫兹波中每个频率段所对应的太赫兹波分量的功率即为每个小矩形的面积，根据微积分原理，入射太赫兹波的总功率P₀可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各频率分量功率的迭加。如果用数学公式表示，可表示为：

$P_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}P\left(f_i\right)$

步骤2、令待测入射太赫兹波依次通过半导体和探测器5，并通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射n个不同的激光图案，用这n个激光图案下探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P₁,P₂,…P_n。这里的数值可以为功率，也可以是其它表示强度大小的量。在本实施例中为功率。

通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射n个不同的激光图案时，要使得这些激光图案中至少有一个以上线径小于太赫兹波长的小点图案，小点所在位置为激光照射在半导体表面的位置。这些小点图案可以无序分布。不同小点之间可以是小点图案的位置或者大小的变化，也可以是点的形状变化。

由于测量环境中或多或少会存在噪声影响，本发明为了提高太赫兹波谱测量结果的准确性，将实测得到太赫兹波功率数据进行校准，即减去环境噪声的功率。对于特定的测量环境，环境噪声所产生的功率值是唯一确定的定值，即在没有待测入射太赫兹波条件下，太赫兹波探测器所探测到的测量环境中的功率数据。将探测器在n个不同的激光图案所对应探测到测量值分别减去环境噪声后，分别记为P₁,P₂,…P_n。

在给半导体表面照射第j幅激光图案的情况下，太赫兹探测器所测到的太赫兹散射波功率值再减去噪声功率后，应为：

$P_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{C}_{ij}P\left(f_i\right)$

其中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示在第j个激光图案照射在半导体表面的情况下，频率为f_i的太赫兹波在经过与不经过半导体的情况下(或者激光图案照射与不照射半导体的情况下)，太赫兹波探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。

当给半导体表面照射n种不同的图案时，太赫兹波探测器就可以测得一系列的功率数据，将这些功率表示为如下线性方程组：

P₁＝C₁₁P(f₁)+C₂₁P(f₂)+…+C_n1P(f_n)，

P₂＝C₁₂P(f₁)+C₂₂P(f₂)+…+C_n2P(f_n)，

…

P_n＝C_1nP(f₁)+C_2nP(f₂)+…+C_nnP(f_n)，

其中，C₁₁,C₂₁,…C_n1分别为在第1幅激光图案照射在半导体上，频率为f₁,f₂,…f_n的太赫兹波在经过与不经过半导体的情况下(或者激光图案照射与不照射半导体的情况下)，太赫兹波探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。当波谱测量装置各部件的位置以及散射控制器的输出值确定后，则C_ij为一组定值，可通过实验测得，例如，可采用如下方法：先用宽频的太赫兹波分别通过中心透射频率为f₁,f₂,…f_n的太赫兹波超窄带通滤波片(很多厂家可以生产，例如德国Thorlabs公司，也可以通过超材料自制)，分别生成频率为f₁,f₂,…f_n的单频太赫兹波，每个单频太赫兹波的频谱宽度为Δf，让通过太赫兹波窄通滤波片出射的频率为f₁,f₂,…f_n的单频太赫兹波依次经过没有激光照射的半导体，用太赫兹波探测器分别探测经由太赫兹波窄带滤波片和半导体的中心频率分别为f₁,f₂,…f_n的太赫兹波强度；然后通过激光器6、数字微反射镜7和透镜组8在半导体表面照射某个激光图案，测量由太赫兹波窄通滤波片出射的不同频率的太赫兹波通过半导体后探测器所探测到的太赫兹波强度，测得的太赫兹波强度与没有激光照射在半导体表面时所测强度分别减去噪声强度后两者的比值，即为不同频率的太赫兹波在该激光图案照射下对于太赫兹波探测器的探测率C_1j,C_2j,…C_nj(j＝1,2…n)。通过数字微反射镜7改变照射在半导体表面的图案，重复上述步骤，即可得到一组数据C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)。这一组数据可组成系数矩阵C：

系数矩阵C是波谱测量装置在以上几组激光照射图案确定后的固有参数，当散射控制器的输出参数确定后，该太赫兹波谱测量装置对应一个恒定的系数矩阵C。

步骤3、通过求解以下矩阵方程得到待测入射太赫兹波中各频率分量f₁,f₂,…f_n的功率P(f₁),P(f₂),…P(f_n)。

如果用矩阵形式y＝Cx表示，设x代表每一份的中心频率在待测太赫兹波中的归一化功率的大小，C代表探测率组成的系数矩阵，而太赫兹波探测器所接收到相应的功率减去噪声功率后作为增广矩阵y，则线性方程组可表示为以上矩阵形式。

而吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法是求解病态方程组较为先进的方法，但必须选择合适的正则化参数，并在必要时在吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法中加入平滑因子项，使得所得到的频谱曲线更加平滑。求解上述线性方程组得x：

$x=\left(\begin{array}{c}P\left(f_1\right)\\ P\left(f_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ P\left(f_n\right)\end{array}\right)$

就可以求得待测太赫兹波谱中各频率分量所对应功率P(f_i)的大小。

除了上述采用的吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法外，还可以采用最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法等数学优化方法求解上述线性方程组。

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)进行线性拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱。

在实际器件构建过程中，器件的位置、尺寸、形状、材料特性等可能与最初的设计要求有一定的偏差，但是当器件做好后，散射控制器输出不变的情况下探测器对于一定频率的太赫兹波的探测率是一个固定值。只要对于不同的散射控制器输出和不同的频率的太赫兹波，探测器的响应不同，就可以解方程组。在求解方程组过程中，探测器所采集到的太赫兹波强度以及对不同频率的太赫兹波的探测率都是测量值。由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法较难求解，而采用吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法等数学优化方法求解该线性方程组可以消除明显失真而且求解速度快，该方程组求解后即可得待测太赫兹波各频率所对应的归一化波谱强度，最后进行波谱定标就得到了复原的波谱曲线。以上的计算过程可利用计算处理单元自动进行，并可进一步利用计算处理单元同时对散射控制器进行自动控制，从而实现自动快速的太赫兹波谱测量。

实施例2：

实施例1是通过数字微反射镜7照射在半导体表面的激光光束，使得照射的半导体表面排布有各种形状激光图样，从而实现散射控制器的功能。除了用这种方式进行控制外，也可以直接通过激光器的电源对激光光源加不同的电压(或者可以通过接到激光光源上的稳压电源进行调制)，从而使得照射在数字微反射镜上的激光光强发生变化。但这时数字微反射镜的开关位置不变，照射在半导体表面的激光图案不发生变化。由于照射在半导体表面的光强发生变化，从而使得照射与不照射位置处的半导体的介电常数之间的差异发生变化，从而也可以使得不同频率的散射光的角分布发生变化。因此，以上步骤中通过控制数字微反射镜7实现散射控制器的不同输出，也可以通过改变激光器6的输入电压实现。

实施例3：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图6和图7所示，包括太赫兹波准直装置2、等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体薄片3、太赫兹波探测器5、激光器6等，本征半导体薄片上至少一个表面是粗糙不平整的。本征半导体粗糙表面17上有很多线宽比太赫兹波长的十分之一还要小的凸起或凹槽。本征半导体粗糙表面17上的凸起或凹槽，可以是本征半导体这一种材料表面不光滑所构成，也可以是半导体表面嵌入其它颗粒型杂质构成。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图6和图7中未示出)。散射器件22在本实施例中由本征半导体粗糙表面17组成，折射器件23在本实施例中为本征半导体薄片3(当本征半导体粗糙表面朝向太赫兹波入射方向)，散射控制器24在本实施例中为激光器6以及透镜组8，探测器5采用太赫兹波探测器，如GolayCell或者Bolometer等。本征半导体粗糙表面17上的凸起或凹槽可以作为散射粒子10使得太赫兹波发生散射。折射器件23所用本征半导体可为本征砷化镓(GaAs)或者本征硅(Si)。半导体的粗糙表面可以通过光刻蚀、X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等方式制作。本征半导体薄片的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度。激光器6、透镜组8可以在半导体的表面形成激光光斑12。这里散射控制器24有两种方式进行控制，其一是改变照射在半导体粗糙表面17的激光光强(图6)，其二是改变背向半导体粗糙表面17的激光光强(图7)。根据公知常识，当激光照射在本征半导体表面时，会在本征半导体表面形成光生载流子。而载流子浓度改变后，被照射半导体表面的介电常数也会相应变化，从而使得该处半导体的折射率发生变化。当改变照射在半导体粗糙表面的激光光强时(图6)，根据散射公式，散射粒子或散射粒子周边介质的折射率发生变化，太赫兹散射波的场强角分布也会相应变化，从而使得探测器5接收到不同的太赫兹散射波4强度。而当改变背向半导体粗糙表面的激光光强时(图7)，太赫兹波散射波4经过被激光照射的半导体时会发生折射。不同强度的激光照射，光生载流子的数量不同，使得半导体折射率变化的程度也不相同，从而对太赫兹散射波产生折射的程度也不同。因此，通过对激光光强进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹散射波强度。

实施例4：

散射粒子10除了可以是实施例3中半导体的粗糙表面17上的凸起或凹槽外，也可以是一个透明薄膜(比如聚合物薄膜)内散进的半导体粉状微小颗粒，如图8所示。本征薄膜的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度，当改变照射在半导体粉状微小颗粒的激光光强时，根据散射公式，散射粒子的折射率发生变化，太赫兹散射波的场强角分布也会相应变化，从而使得探测器5接收到不同的太赫兹散射波4强度。

实施例5：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图9所示，包括太赫兹波准直装置2、表面粗糙的太赫兹波电光晶体28、电源与电极29、太赫兹波探测器5等。本实施例中的太赫兹波电光晶体28可以是碲化锌、砷化镓、铌酸锂晶体。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图9中未示出)。散射器件22在本实施例中由太赫兹波电光晶体28上的粗糙表面17构成，折射器件23在本实施例中为太赫兹波电光晶体，散射控制器24在本实施例中由电极及电源29组成。探测器5采用太赫兹波探测器，如GolayCell或者Bolometer等。太赫兹波电光晶体粗糙表面上微米尺度的凸起或凹槽可以作为散射粒子10使得太赫兹波发生散射。电光晶体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度。太赫兹波透过电光晶体粗糙表面后，形成太赫兹散射波4，可被太赫兹波探测器5探测到。通过对电极施加不同电压，从而使得对太赫兹波电光晶体施加不同的外加电场。根据电光晶体的性质，在不同电场作用下，太赫兹波电光晶体对太赫兹波具有不同的折射率。根据散射公式，散射粒子的折射率发生变化，太赫兹散射波的场强角分布也会相应变化，而另一方面，太赫兹波散射波4经过电光晶体时会发生折射，当电光晶体的折射率发生变化，电光晶体对太赫兹散射波产生折射的程度也不同。因此，通过对电极所加电压进行控制，就可以使得探测器5接收到不同的太赫兹散射波强度。

实施例6：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图10和图11所示，包括太赫兹波准直装置2、具有粗糙表面17的薄片、太赫兹波探测器5、对具有粗糙表面17的薄片进行位置控制的光学平移台(图10和图11中未示出)。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图10和图11中未示出)。散射器件22在本实施例中由具有粗糙表面17的薄片构成。具有粗糙表面17的薄片可以是具有粗糙表面17的聚合物薄片30，可由PTFE(聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene或teflon)或TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methylpentenecopolymer)等材料构成。粗糙表面上微米尺度的凸起或凹槽可以作为散射粒子10使得太赫兹波发生散射。粗糙表面上微米尺度的凸起或凹槽，可以是一种聚合物材料材料表面不光滑所构成，也可以是聚合物薄片表面嵌入其它颗粒型杂质构成。散射控制器在本实施例中为光学平移台，它可以对粗糙表面的薄片与太赫兹波的相对位置进行控制，该位置控制包括对具有粗糙表面的薄片上下左右的位移变化(如图10)或者粗糙表面与太赫兹波的相对角度(如图11)变化。探测器采用太赫兹波探测器5，如GolayCell或者Bolometer。太赫兹波透过具有粗糙表面的薄片后，形成太赫兹散射波4，可被太赫兹波探测器5探测到。通过光学平移台调节散射器件22相对于太赫兹波的位置，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹散射波强度。

如图12所示，除了以上调节粗糙表面薄片的相对位置的方法外，也可以通过光学平移台调节太赫兹波探测器5相对于太赫兹波散射波的相对位置或者接收角度，使得探测器接收到不同的太赫兹散射波强度。

除了采用具有粗糙表面17的薄片构成散射器件22外，也可以采用实施例4中所采用的通过在透明薄膜内部散进的其它材料的微小颗粒构成散射器件22。同样通过光学平移台调节散射器件22相对于太赫兹波的位置，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹散射波强度。

实施例7：

本实施例中太赫兹波谱测量装置的结构如图13和图14所示，包括太赫兹波准直装置2、具有粗糙表面17的薄片、太赫兹波探测器5、太赫兹波凸透镜15、对太赫兹波凸透镜15进行位置或角度控制的光学平移台(图13和图14中未示出)。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与探测器5信号连接的计算处理单元25(图13和图14中未示出)。散射器件22在本实施例中由具有粗糙表面17的薄片构成，可以是具有粗糙表面17的聚合物薄片30，如具有粗糙表面17的TPX或PTFE薄片。粗糙表面17上微米尺度的凸起或凹槽可以作为散射粒子10使得太赫兹波发生散射。折射器件23在本实施例中采用太赫兹凸透镜15，这里的太赫兹透镜可以采用TPX或PTFE等材料制作。探测器采用太赫兹波探测器5，如GolayCell或者Bolometer。散射控制器在本实施例中为光学平移台，它可以对太赫兹波凸透镜的相对位置进行控制，所控制的位置变化包括对太赫兹波凸透镜15上下左右等各方向的位移变化(如图13)或者太赫兹波凸透镜15光轴与太赫兹散射波4的相对角度(如图14)变化，图中实心箭头方向为可能的位置改变的方向。当太赫兹波透过具有粗糙表面17的薄片后，形成太赫兹散射波4，而太赫兹散射波4经过折射器件22后，可被太赫兹波探测器5探测到。所以，通过光学平移台调节太赫兹凸透镜15的相对位置或者放置角度，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹散射波强度。

上述折射器件23除了采用图13、14和图15(a)中所示的凸透镜15外，还可以采用图15(b)中所示的凹透镜18，或者图15(c)至(e)所示的几种棱镜19结构。

实施例8：

上述所有实施例中，折射器件23除了采用太赫兹波凸透镜外，还可以采用太赫兹反射镜20，如图16所示。太赫兹反射镜20具有金属表面，可以反射太赫兹波。通过光学平移台调节太赫兹反射镜20光轴相对位置和角度，就可以使得探测器接收到不同的太赫兹散射波强度。图16中实心箭头方向为可能的太赫兹反射镜相对位置或角度改变的方向。

实施例9：

上述所有实施例中，准直装置2除了采用如图5中的太赫兹凸透镜外，还可以采用太赫兹反射镜20。如图17所示的太赫兹波准直装置2的结构包括两个共焦的太赫兹波反透镜20，两个太赫兹波反透镜20共同的焦点处设置有光阑17，待测太赫兹波通过该光学准直装置2后即可转变为平行传输的太赫兹波。这样不仅使得只有平行传输的太赫兹波才能入射到该太赫兹波谱测量装置，而且限定了待测太赫兹波的波束宽度，有利于提高测量的准确度。

实施例10：

上述实施例1-9中，太赫兹波1透过散射器件22后形成太赫兹散射波4，因此该太赫兹散射波4是太赫兹波正向散射产生的。形成正向散射的前提是散射器件22或散射器件的基底是透明的。正向散射的特点是探测器5与入射的太赫兹波1分别在散射器件22的两侧分布。

散射除了正向散射，还有反向散射。反射散射的特点是探测器5与入射的太赫兹波1在散射器件22的同侧分布。前述实施例1-9中的探测器也可以通过探测反向散射的太赫兹散射波进行波谱测量。不仅如此，当散射器件或散射器件的基底是非透明材料制成时，太赫兹正向散射波无法透过散射器件22，此时只能通过反向散射进行波谱测量。比如：在实施例6、实施例7中散射器件22可以由具有粗糙表面的TPX或PTFE薄片构成，此时探测器5既可以测正向散射波，也可以测反向散射波。但如果实施例6、实施例7中散射器件22是由具有粗糙表面17的金属薄片32构成时，探测器5只能通过测量反向散射波进行波谱测量，如图18所示为波谱测量结构示意图。再如，实施例1、实施例2、实施例3中，本征半导体薄片3如果有一个金属的基底，探测器5也只能通过测量反向散射波的强度进行波谱测量。

实施例11：

上述太赫兹波谱测量方法的步骤1中，除了“将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各波长段的中心波长为f₁,f₂,…f_n”外，也可以采用“将所述探测器所能探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各波段的中心波长为λ₁,λ₂,…λ_n”。其余各步骤中将频率换成波长，同样的方法也可以实现太赫兹波谱复原。

以上的多个实施例仅是便于公众理解本发明的技术方案，而并非对本发明所要求保护范围的限制。本领域技术人员应知:除以上实施例以外，所有根据本发明的发明思路，利用可令不同频率(波长)的入射太赫兹波形成不同的散射场强角分布，且相同频率(波长)的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器所接收到的散射场强度也不同的器件，从而实现太赫兹波谱测量的产品及方法，均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，包括散射器件、散射控制器、探测器和计算处理单元，其特征在于，待测太赫兹波经由散射器件后形成太赫兹频率的散射波，散射波在散射控制器的不同控制条件作用下被探测器所接收；所述散射器件可令不同频率的入射太赫兹波形成不同的散射波强度角分布，所述散射控制器用来改变透过散射器件的太赫兹散射波在探测器位置处的散射场分布，使得固定频率的入射太赫兹波在散射控制器不同控制条件作用下被太赫兹波探测器位置处所接收到的散射波强度互不相同；所述计算处理单元用来接收探测器的测量结果，并进行数据分析和处理。

2.根据权利要求1所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述太赫兹波谱测量装置还包括设置于散射器件之前的太赫兹波准直装置。

3.根据权利要求2所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜以及设置于两个透镜之间共同焦点处的小孔光阑，或者所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波反射镜以及设置于两个反射镜之间共同焦点处的小孔光阑。

4.根据权利要求1所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变散射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散射器件与探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹散射波的场强分布发生变化。

5.根据权利要求1所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件的表面不光滑，或者散射器件的折射率不均匀，使得太赫兹波发生正向或反向散射；当所述探测器接收太赫兹波发生正向散射的散射波时，所述探测器与入射的太赫兹波分别在散射器件的两侧分布；当所述探测器接收太赫兹波发生反向散射的散射波时，所述探测器与入射的太赫兹波在散射器件的同侧分布。

6.根据权利要求5所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器和空间光调制器，激光器发出的激光通过空间光调制器呈现出的激光图案信号照射在所述本征半导体的表面。

7.根据权利要求5所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件包括等离子体频率小于太赫兹波频率的本征半导体，所述本征半导体的表面粗糙，所述本征半导体的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射在所述本征半导体的表面。

8.根据权利要求5所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件包括对太赫兹波透明的薄膜，所述薄膜内部有半导体粉状颗粒，所述薄膜的表面与太赫兹波传输方向垂直或者与太赫兹波传输方向呈固定角度；所述散射控制器包括激光器，激光器将强弱不同的激光信号照射到半导体粉状颗粒上。

9.根据权利要求5所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件包括太赫兹波电光晶体，所述电光晶体的表面粗糙；所述散射控制器包括电极与电源，用于对电光晶体施加不同电场以控制电光晶体的折射率。

10.根据权利要求1-5之一所述的任一基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射控制器通过移动散射器件或者探测器，来控制散射器件与探测器之间的相对位置或者放置角度。

11.根据权利要求1-9之一所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，折射器件可以使得透过散射装置后的太赫兹散射波的传播方向发生变化；所述散射控制器通过光调制、电调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变折射器件与散射器件、探测器之间的相对位置或者放置角度，从而使得探测器位置处的太赫兹散射波的场强分布发生变化。

12.根据权利要求1所述的基于散射效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于，所述计算处理单元与所述散射控制器可以进行数据交换，在散射控制器每次控制时，探测器自动记录数据，记录完成后，散射控制器自动进行下一次控制，即输出另一个控制参数，使得探测器测到另一个值。

13.基于散射效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、将所述探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频段，或者将探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波段，n为大于3的整数，各频段的中心频率记为f₁,f₂,…f_n，或者各波段的中心波长记为λ₁,λ₂,…λ_n；

步骤2、令待测太赫兹波依次通过散射器件和探测器，并通过所述散射控制器的控制，输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下，可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值，用这n个控制参数下所述探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P₁,P₂,…P_n；

步骤3、通过求解矩阵方程(1)得到待测太赫兹波中各频率分量f₁,f₂,…f_n的大小P(f₁),P(f₂),…P(f_n)，或者通过求解矩阵方程(2)得到待测太赫兹波中各波长分量λ₁,λ₂,…λ_n的大小P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)：

式中，C_ij表示在散射控制器第j个控制参数下，频率为f_i或者波长为λ_i的太赫兹波在发生散射与不发生散射的情况下，探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，这个值通过实验预先测得；其中，i＝1,2…n，j＝1,2…n；

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)或者P(λ₁),P(λ₂),…P(λ_n)进行曲线拟合，并经波谱定标，得到待测太赫兹波的波谱曲线。

14.根据权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，所述散射器件与探测器之间还设有折射器件，在所述n个控制参数的作用下，散射控制器可以通过光调制、电调制、温度调制、机械调制或者以上调制方法的组合，来改变散射器件或者折射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散射器件、折射器件、探测器三者之一的相对位置或者放置角度，从而可以使得所述探测器探测到n个不同的测量值。

15.根据权利要求13或14所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，利用吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法或者交替方向乘子法的数学优化方法求解矩阵方程。

16.根据权利要求15所述的测量方法，其特征在于，在所述吉洪诺夫正则化方法、最小均方算法、模拟退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子项，通过控制两个相邻解之间的距离，使得所得到的太赫兹波谱曲线更加平滑。