CN107917757A - 一种便携式太赫兹光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型便携式太赫兹光谱仪，包括太赫兹光谱仪组件和用于固定太赫兹光谱仪组件的壳体。太赫兹光谱仪组件包括：用于将入射光分为泵浦光和探测光的分束模块、调节泵浦光和探测光之间时间信号的延迟的延迟模块，用于转折泵浦光和探测光的光学转折模块。壳体包括：元器件固定装置，固定装置分别固定分束模块、延迟模块、光学转折模块，保证入射光传输路径的准确性，进而提升光路的稳定性，同时壳体将各模块整合，集成于壳体内，减小各模块所占空间，具有易装配、整体、可移动等作用，实现便携的功能。

Description

一种便携式太赫兹光谱仪

技术领域

本发明涉及太赫兹时域光谱仪，特别是涉及一种便携式太赫兹光谱仪。

背景技术

太赫兹光谱与成像技术相比于其他光谱分析和成像技术具有独特的优势。相比于X射线，太赫兹辐射不会引起物质损伤及光致电离；相比于无线电波，太赫兹波穿透能力强；相比于红外波段，太赫兹波能够直接获取样品的厚度、折射率、吸收系数。基于此，太赫兹波在食品安全领域展现出强大的应用前景。

现有的太赫兹光谱仪，包括分束模块、延迟模块、光学转折模块，各模块分开设置，功能齐全，但存在体型大且笨重的问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有的太赫兹光谱仪存在体型大且笨重的问题，提供一种便携式太赫兹光谱仪。

一种小型便携式太赫兹光谱仪，包括太赫兹光谱仪组件和用于固定太赫兹光谱仪组件的壳体；太赫兹光谱仪组件包括：

分束模块，用于将入射光分为泵浦光和探测光；

延迟模块，设置在探测光所在光路，调节泵浦光和探测光之间时间信号的延迟；

光学转折模块，用于转折分束模块输出的泵浦光和探测光，使泵浦光和探测光两路光分别输出至对应输出装置上；

壳体，包括元器件固定装置，元器件固定装置分别固定分束模块、延迟模块、光学转折模块。

在其中一个实施例中，元器件固定装置包括光学平板和光学固定器，其中光学平板用于固定光学固定器的位置，光学固定器放置于光学平板上。

在其中一个实施例中，光学固定器包括固定架、支撑台、调整架、凹槽中的至少一种。

在其中一个实施例中，光学固定器的位置或数量与预设光路相适应。

在其中一个实施例中，延迟模块包括快扫单元和/或慢扫单元。

在其中一个实施例中，当所述延迟模块包括快扫单元和慢扫单元时，所述快扫单元包括音圈电机和反射镜，慢扫单元包括步进电机，其中快扫单元的音圈电机安装于慢扫单元的步进电机之上。

在其中一个实施例中，光学转折模块包括反射镜、透射镜、耦合器中的至少一种。

在其中一个实施例中，泵浦光所在光路上，所述光学转折模块包括一个反射镜和一个耦合器，所述反射镜和所述耦合器的中心位置处在平行线上。

在其中一个实施例中，探测光所在光路上，所述光学转折模块包括两个用于转折探测光的反射镜，一个用于耦合探测光的反射镜和一个用于接收耦合光路的耦合器，所述具有耦合作用的反射镜和耦合光路的耦合器的中心位置处在平行线上。

在其中一个实施例中，分束模块包括二分之一波片和偏振分束立方体。

上述小型便携式太赫兹光谱仪，通过壳体内设的元器件固定装置将分束模块、延迟模块、光学转折模块固定在壳体内部，保证入射光传输路径的准确性，进而提升光路的稳定性，同时壳体将各模块整合，集成于壳体内，减小各模块所占空间，具有易装配、整体、可移动等作用，实现便携的功能。同时光学转折模块进可能减少所需光学器材，减少成本。

附图说明

图1为本发明实施例的便携式太赫兹光谱仪整体光路图；

图2为本发明实施例的壳体结构示意图；

图3为本发明实施例的壳体内元器件固定装置结构示意图。

具体实施方式

请参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种便携式太赫兹光谱仪，小型便携式太赫兹光谱仪，包括壳体70和太赫兹光谱仪组件10。壳体70为各元器件的支撑杆框架，用于固定太赫兹光谱仪组件10，在壳体70内设有元器件固定装置710。太赫兹光谱仪组件10包括光源100、分束模块200、延迟模块300、光学转折模块400、输出装置500、处理模块600。其中，光源100与分束模块200对应放置，分束模块200用于将入射光分为泵浦光和探测光，延迟模块300设置在探测光所在光路，调节泵浦光和探测光之间时间信号的延迟；光学转折模块400设置于分束模块200和输出模块500之间，用于转折分束模块200输出的泵浦光和探测光，使两束光输出至对应输出装置500上。输出装置500包括太赫兹辐射装置和太赫兹探测装置探测端。

请参见图2和图3所示，该壳体70材质为绝缘材质，包括气垫式防震台720和元器件固定装置710元器件固定装置710放置于气垫式防震台720上。气垫式防震台720，用于防震；元器件固定装置710，用于分别固定分束模块200、延迟模块300、光学转折模块400。其中元器件固定装置710包括光学平板711、光学固定器712，其中光学平板711用于固定光学固定器712的位置，光学固定器712用于固定上述模块所包含的元器件，光学固定器712放置于光学平板711上。当然，根据设计需要，壳体70外部还设有显示(图中未画出)和控制窗口(图中未画出)，用于分析和操作。

该光学固定器712包括固定架、支撑台、调整架、凹槽中的至少一种。

请参见图3所示，在本实施例中，光学固定器712选用调整架7121、支撑台7122、凹槽7123，调整架7121、支撑台7122用于固定分束模块200和光学转折模块400中的各元器件，凹槽7123用于固定延迟模块300中的各元器件。

根据设计需要，由于太赫兹波对于水分比较敏感，在样品检测中需要干燥的环境，因此可采用密封圈进行密封设计。

壳体70是小型便携式太赫兹光谱仪的重要组成部分，具有保证内部光路不受干扰、提供密闭空间(减少空气中的水分、粉尘对检测结果的影响)，保证光路的传输路径的准确性)、易装配、维修等作用，同时起到安装、传动、定位、防护、美化、和指示的功能。壳体70使各元器件进行整合，进入仪器化，使光谱仪进入整体化、可移动化。

该光源100，用于提供飞秒脉冲光。光源100相对壳体70属外部设备，光源100安装置于壳体70光输入口处。

优选地，激光器波长为1560nm，脉宽80fs，重复频率100MHZ，输出功率大于100mW。目前，飞秒激光器技术成熟，已经有成熟的商家可以直接购买，常见的厂商有TOPTICA以及menlosystem。

该分束模块200，用于将光源100发射出的光分成两束光，两束光分别为泵浦光和探测光，两束光的功率比可以根据需要任意改变，其中，分束模块200与光源100相对应放置，保证光源100发出的光脉冲进入分束模块200。分束模块200包括光纤准直器210、衰减片220、二分之一波片230、偏振分束立方240。分束模块200内的各元器件基于光学固定器712固定放置于壳体70内部。其中：

该光纤准直器210与光源100相对应，保证光源100发出的光经由光纤传输到自由空间。

在本实施例中，光纤准直器210基于调整架7121，固定放置于壳体70内部的光学平板711上。

该衰减片220用于衰减光源100发射的光脉冲的光功率，避免光源100发出光脉冲的光功率过大，造成器件损坏，其中衰减片220与光纤准直器210相对应放置。

在本实施例中，衰减片220基于调整架7121，固定放置于壳体70内部的光学平板711上。当然根据设计需要，可调整衰减片220和光纤准直器210之间的距离，只需保证衰减片220和光纤准直器210的光路同轴即可。

该二分之一波片230用于任意改变脉冲光的偏振方向，二分之一波片230与衰减片220相对应，并与偏振分束立方240相对应放置。二分之一波片230和偏振分束立方240相结合，通过改变二分之一波片230的角度可以任意改变脉冲光的偏振方向，从而改变两分束光脉冲的功率比例。其中偏振分束立方240是由两个直角棱镜组成，并在交接处镀有介质膜，反射s偏振(垂直偏振光脉冲)，透射p偏振(水平偏振光脉冲)。

在本实施例中，二分之一波片230放置在调整架7121上，调整架7121放置在壳体70内部的光学平板711上。偏振分束立方240放置于支撑台7122上，同理根据设计需要，可以在光学平板711上移动二分之一波片230或偏振分束立方240，只需保证二者中心点在一条直线上即可。

该延迟模块300通过时间延时使泵浦光和探测光之间具有可调时间延迟，延迟模块300设置在探测光所在光路。延迟模块300包括快扫单元310或慢扫单元320。其中快扫单元310包括音圈电机和反射镜，反射镜安装在音圈电机上，音圈电机用于提高扫描速度，反射镜实现探测光的180度转折。慢扫单元320包括步进电机，用于精确扫描。

在本实施例中，通过移动步进电机满足太赫兹辐射装置和太赫兹探测装置探测端之间的间距，经过精确扫描寻找信号点。其中音圈电机安装在步进电机上，待找到信号后开启音圈电机进行快扫模式，进而调节延迟线。延迟模块300通过凹槽7123固定在光学平板711上。

步进电机和音圈电机相结合，经过步进电机的精确扫描，确定信号点后，进行音圈电机的快速扫描，提高采样速度和采样效率，整体提高光谱仪的信号品质。

该输出装置500包括太赫兹辐射装置和太赫兹探测装置。太赫兹辐射装置接收光脉冲，并在驱动电压驱动下辐射太赫兹；太赫兹探测装置通过接收辐射装置所辐射的太赫兹并接收光脉冲，在太赫兹脉冲的驱动下产生微弱的电流信号。太赫兹辐射装置和太赫兹探测装置相对壳体70属外置设备，放置于壳体70光输输出口处。其中：

该太赫兹辐射装置包括光电导天线和偏置电压，偏置电压与光电导天线相连接。其中光电导天线是由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成一定宽度的带状天线，当光源100发射出的光脉冲辐射在天线间隙中间产生光生载流子，并在偏置电压的驱动下辐射出太赫兹。其中偏置电压不要超过120V否则会击穿天线。

优选地，光电导天线是由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成宽度100微米的带状天线。

该太赫兹探测装置包括光电导天线，光电导天线是由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成一定长的蝴蝶状偶极天线。当光源100辐射在偶极天线间隙中间产生光生载流子，同时接受太赫兹脉冲，在太赫兹脉冲的驱动下产生微弱的电流信号。

优选地，光电导天线是由多层InGaAs沉积在InP衬底上形成25微米长的蝴蝶状偶极天线，天线间隙10微米。

该光学转折模块400，用于转折泵浦光和探测光光，光学转折模块400设置在分束模块200和输出装置500之间，保证分束模块200输出的两路光输出至对应输出装置500上。光学转折模块400包括反射镜、透射镜、耦合器中的至少一种。

在本实施例中，光源100发出的光经过偏振分束立方240分为两束光脉冲，即泵浦光和探测光。在泵浦光的光路上，设有第一反射镜4020、第一光纤耦合器4021。在探测光的光路上，设有第二反射镜4010、第三反射镜4011、第四反射镜4012、第二光纤耦合器4013。泵浦光经过一个耦合作用的第一反射镜4020耦合进入第一光纤耦合器4021传输至太赫兹辐射装置。

其中第一反射镜4020、第一光纤耦合器4021通过调整架7121固定放置在光学平板711上，可以根据设计需要移动第一反射镜4020、第一光纤耦合器4021，只需保证第一反射镜4020与对应第一光纤耦合器4021的中心位置处在平行线上即可。当然根据设计需要，可以增加反射镜数量或增加设***，只需保证经偏振分束立方240射出的泵浦光汇聚传输至第一光纤耦合器4021上即可，保证光由自由空间传输至光纤中。

探测光依次经过第二反射镜4010和第三反射镜4011反射，使得探测光较准直的平行于延时模块300内的电机运动方向，探测光经过延时模块300内置反射镜330反射，探测光反向传输，反射回的探测光基本不随电机往返运动而发生光路偏移，经过耦合作用的第四反射镜4012耦合进入第二光纤耦合器4013传输至太赫兹探测装置。

其中第二反射镜4010、第三反射镜4011、第四反射镜4012、第二光纤耦合器4013通过调整架7121固定放置在光学平板711上，保证第四反射镜4012、第二光纤耦合器4013的中心位置处在平行线上。当然根据设计需要，可以根据设计需要移动或增加反射镜数量或增加设***，只需保证经偏振分束立方240射出的探测光汇聚传输至第二光纤耦合器4013上，同时保证探测光较准直的平行于延时模块300内的电机运动方向即可。

该处理模块600，用于将输出装置500输出的电流信号经过相应处理最终显示出太赫兹脉冲信号。处理模块600包括前置放大器、锁相放大器、ADC数据采集卡、PC端，处理模块600放置于壳体70外部。

在本施例中，光源100为光纤激光器，激光器波长为1560nm，辐射出脉宽小于100fs、功率大于100mW、重复频率100MHz的光脉冲。

本实施例小型便携式太赫兹光谱仪在工作时，光源100发射出水平偏振光脉冲，经光纤传输至光纤准直器210，实现水平偏振光脉冲传输介质的转换。水平偏振光脉冲依次经过衰减片210、二分之一波片220、偏振分束器230，调节二分之一波片220的角度，改变入射光脉冲的偏振方向，入射光脉冲经过偏振分束器后分为两束相互垂直的光脉冲，偏振分束器透射水平偏振光，反射垂直偏振光，因此，垂直偏振光为泵浦光，水平偏振光为探测光。

泵浦光经过一个耦合作用的第一反射镜4020耦合进入第一光纤耦合器4021传输至太赫兹辐射装置，在太赫兹辐射装置内偏置电压的驱动下用来产生太赫兹。

探测光依次经过第二反射镜4010和第三反射镜4011反射，使得探测光较准直的平行于延时模块300内的电机运动方向，探测光经过延时模块300内置反射镜330反射，探测光反向传输，反射回的探测光基本不随电机往返运动而发生光路偏移，经过耦合作用的第四反射镜4012耦合进入第二光纤耦合器4013传输至太赫兹探测装置探测端，探测光辐射在偶极天线间隙中间产生光生载流子，同时接受来自太赫兹辐射装置产生的太赫兹脉冲，在太赫兹脉冲的驱动下产生微弱的电流信号，电流信号经处理模块600相应处理最终显示出太赫兹脉冲信号。其中光纤准直器210、衰减片220、二分之一波片230，偏振分束器230、模块300、相关反射镜及光纤耦合器均固定在壳体70内的光学平板711上成为一体，使得从此处辐射的光脉冲更加稳定，避免了由于仪器挪动导致激光输出源头抖动带来的光线偏折的问题。

本发明第二实施例提供一种便携式太赫兹光谱仪，与实施例一所述太赫兹光谱仪大体相同，不同之处在于，将二分之一波片230、偏振分束立方240去掉，换成分束器代替。其中分束器为固定分束比的光学元件，若想改变分束比，直接更换不同分束比的分束器即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，包括太赫兹光谱仪组件和用于固定太赫兹光谱仪组件的壳体；所述太赫兹光谱仪组件包括：

分束模块，用于将入射光分为泵浦光和探测光；

延迟模块，设置在探测光所在光路，调节泵浦光和探测光之间时间信号的延迟；

光学转折模块，用于转折分束模块输出的泵浦光和探测光，使泵浦光和探测光分别输出至对应输出装置上；

壳体，包括元器件固定装置，所述元器件固定装置分别固定所述分束模块、所述延迟模块、所述光学转折模块。

2.根据权利要求1所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述元器件固定装置包括光学平板和光学固定器，其中所述光学平板用于固定光学固定器的位置，光学固定器放置于光学平板上。

3.根据权利要求2所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述光学固定器包括固定架、支撑台、调整架、凹槽中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述光学固定器的位置或数量与预设光路相适应。

5.根据权利要求1所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述延迟模块包括快扫单元和/或慢扫单元。

6.根据权利要求5所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，当所述延迟模块包括快扫单元和慢扫单元时，所述快扫单元包括音圈电机和反射镜，所述慢扫单元包括步进电机，快扫单元的音圈电机安装于慢扫单元的步进电机之上。

7.根据权利要求1所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述光学转折模块包括反射镜、透射镜、耦合器中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述泵浦光所在光路上，所述光学转折模块包括一个反射镜和一个耦合器，所述反射镜和所述耦合器的中心位置处在平行线上。

9.根据权利要求7所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述探测光所在光路上，所述光学转折模块包括两个用于转折探测光的反射镜，一个用于耦合探测光的反射镜和一个用于接收耦合光路的耦合器，所述具有耦合作用的反射镜和耦合光路的耦合器的中心位置处在平行线上。

10.根据权利要求1所述的小型便携式太赫兹光谱仪，其特征在于，所述分束模块包括二分之一波片和偏振分束立方体。