CN113655024B - 一种可视化太赫兹时域光谱检测装置、检测方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化太赫兹时域光谱检测装置、检测方法及应用，检测装置和检测方法提供一种光路复用方案，通过对飞秒激光进行分光，其中第一路光实现太赫兹波的产生与探测，第二路光实现激光指示功能，进而实现样品的可视化探测。本发明的可视化太赫兹时域光谱检测装置，通过分光设计，将用于产生太赫兹波的飞秒激光复用为指示激光，有助于样品加载位置和缺陷检测位置确定和可视化，方便用户使用；还可为用户快速识别激光故障情况。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析和无损检测领域，具体涉及一种可视化的太赫兹时域光谱检测装置、检测方法及应用。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz–10THz之间的远红外电磁辐射，近二十年来光学技术在THz频段取得了巨大的进步，为THz波提供了合适的光源和探测手段，THz科学和技术才得以快速发展。THz波具有相干性和低光子能量等优点，基于THz波的成像技术可以同时辨别样品的形貌特征和组成成分，是一个优异的无损检测技术。绝缘材料在不同老化状态下，组分、分子内部化学结构、微观作用力存在不同，从而对THz波产生不同的频谱响应，分析频谱信息即可对绝缘材料老化状态进行评估。
在实际应用过程中，由于太赫兹波的不可见性，样品的实际探测位置往往不可知，对样品定点缺陷位置的测量较为困难，因此需要开发一种可视化的太赫兹时域光谱检测装置，为样品加载位置提供指引，并使得样品被检测位置可视化。
目前也有对太赫兹光谱测量方式的改进方案，如申请号为201721697935.5的实用新型专利《一种用于太赫兹时域光谱测量的装置》通过红光校准仪和在反射镜上小孔径开孔来校准光路，进而确定样品加载位置，从而实现可视化操作。然而，引入新的光源和在反射镜上开孔对现有检测***测量存在干扰，需要对该***进行改进，复用现有的飞秒激光，在不破坏现有光路及光学器件的基础上实现检测***的可视化。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的第一目的是提供一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，可以在不破坏现有光路及光学器件的基础上实现检测***的可视化。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下的技术方案：
一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，包括：
激光分光镜，用于将入射飞秒激光进行分光以产生第一路激光和第二路激光；
太赫兹发射器，设置于所述激光分光镜的前方，用于供所述第一路激光产生太赫兹波；
第一太赫兹波反射镜，设置于所述太赫兹发射器的前方，用于反射经所述太赫兹发射器产生的所述太赫兹波；
激光反射镜，设置于所述激光分光镜的下方，用于反射所述第二路激光；
透镜，设置于所述第一太赫兹波反射镜的下方，用于透射经所述第一太赫兹波反射镜反射的所述太赫兹波，以及用于反射经所述激光反射镜反射的所述第二路激光；
第二太赫兹波反射镜，设置于所述透镜的下方，用于反射经所述透镜透射的所述太赫兹波以及用于反射经所述透镜反射的所述第二路激光，经所述第二太赫兹波反射镜反射的所述太赫兹波穿过位于其前方的样品，经所述第二太赫兹波反射镜反射的所述第二路激光直射于所述样品；
太赫兹接收器，用于接收穿过所述样品的的所述太赫兹波并将穿过所述样品的所述太赫兹波转换为光信号传出。
激光分光镜对入射飞秒激光进行分光，其中第一路激光实现太赫兹波的产生与探测，第二路激光实现激光指示功能，进而实现样品的可视化探测。
上述技术方案中，优选地，所述入射飞秒激光的中心波长为800nm，所述入射飞秒激光还掺杂有同轴的指示光。设置同轴的指示光，指示光选用红光，使得第二路激光具有指示作用，实现太赫兹波的可视化。
上述技术方案中，进一步优选地，所述激光分光镜的透射与反射分光比例为(6～16):1。激光分光镜的透射与反射分光比例最优选为9:1。
上述技术方案中，再进一步优选地，所述透镜与经由所述激光反射镜反射的所述第二路激光呈45°夹角，所述透镜与经由所述第一太赫兹波发射镜反射的所述太赫兹波呈45°夹角。透镜通过设置与两束光线都呈45°的夹角，以实现经透镜透射的太赫兹波和经透镜反射的第二路激光共轴。
上述技术方案中，更进一步优选地，所述透镜用于反射所述第二路激光的一面设置有高阻单晶硅材质的介质膜。通过镀高阻单晶硅材质的介质膜，一方面能够增强透镜反射面的反射效果，另一方面能够保证透镜的透射效果，实现经过第一太赫兹波反射器反射的太赫兹波全部透射过透镜到达第二太赫兹波反射镜上。
上述技术方案中，还进一步优选地，所述激光分光镜与所述激光反射镜之间的距离为所述第一太赫兹波反射镜与所述第二太赫兹波反射镜之间的距离的二分之一。
本发明的第二目的是提供一种可视化太赫兹时域光谱检测方法，可以在不破坏现有光路及光学器件的基础上实现检测***的可视化。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下的技术方案：
一种可视化太赫兹时域光谱检测方法，包括如下步骤：
入射飞秒激光通过激光分光镜产生第一路激光和第二路激光；
所述第一路激光通过太赫兹发射器产生太赫兹波，所述太赫兹波依次经第一太赫兹波反射镜反射，经透镜透射至第二太赫兹波反射镜，经所述第二太赫兹波反射镜反射，穿过样品并经太赫兹接收器转换为光信号传出；
所述第二路激光依次通过激光反射镜反射至所述透镜，经所述透镜反射至所述第二太赫兹波反射镜，经所述第二太赫兹波反射镜反射，并直射于所述样品的表面。
上述技术方案中，优选地，所述入射飞秒激光的中心波长为800nm，所述入射飞秒激光还掺杂有同轴的指示光。设置同轴的指示光，指示光选用红光，使得第二路激光具有指示作用，实现太赫兹波的可视化。
上述技术方案中，进一步优选地，经由所述透镜透射的所述太赫兹波和经由所述透镜反射的所述第二路激光共轴，共轴的所述太赫兹波和所述第二路激光通过所述第二太赫兹波反射镜反射至所述样品同一位置。
本发明的第三目的是提供一种可视化太赫兹时域光谱检测装置的应用，用于评价核电厂非金属材料的老化程度，所述非金属材料包括电缆绝缘材料和橡胶密封材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明是一种可视化太赫兹时域光谱检测装置、检测方法及应用，用于对核电厂关键非金属材料(如电缆绝缘材料、橡胶密封材料等)的服役行为高效评价，相比现有方法的优势在于：通过分光设计，将用于产生太赫兹波的飞秒激光复用为指示激光，有助于样品加载位置和缺陷检测位置确定和可视化，方便用户使用；还可为用户快速识别激光故障情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置的光路示意图；
图2为本发明实施例的高阻单晶硅透镜示意图；
其中：1-入射飞秒激光；2-飞秒激光分光镜；3-光电导太赫兹发射器；4-太赫兹波；5-第一太赫兹波反射镜；6-第四太赫兹波反射镜；7-光电导太赫兹接收器；8-第三太赫兹波反射镜；9-样品；10-第二太赫兹波反射镜；11-高阻单晶硅透镜；12-飞秒激光反射镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，包括：
飞秒激光分光镜2，用于将入射飞秒激光1进行分光以产生第一路激光和第二路激光；其中，第一路激光用于实现太赫兹波4的产生以及利用产生的太赫兹波4对样品9内部材料老化程度进行探测，第二路激光用于指示样品9的加载位置以及其缺陷检测位置以实现检测的可视化。其中，入射飞秒激光1的中心波长为800nm，入射飞秒激光1还掺杂有同轴的红光，红光作为指示光的作用存在，飞秒激光分光镜2的透射与反射分光比例为9:1。
光电导太赫兹发射器3，设置于飞秒激光分光镜2的前方，用于供第一路激光产生太赫兹波4；
第一太赫兹波反射镜5、第二太赫兹波反射镜10、第三太赫兹波反射镜8和第四太赫兹波反射镜6，其中，第一太赫兹波反射镜5设置于光电导太赫兹发射器3的前方，第二太赫兹波反射镜10设置于第一太赫兹波反射镜5的下方，第三太赫兹波反射镜8设置于第二太赫兹波反射镜10的前方，第四太赫兹波反射镜6设置于第三太赫兹波反射镜8的上方；太赫兹波4在经由第一太赫兹波反射镜5、第二太赫兹波反射镜10、第三太赫兹波反射镜8和第四太赫兹波反射镜6之间形成U字型的行程轨迹。
高阻单晶硅透镜11，设置于第一太赫兹波反射镜5和第二太赫兹波反射镜10之间，用于将经过第一太赫兹波反射镜5反射的太赫兹波4全部透射至第二太赫兹波反射镜10，以及用于反射第二路激光至第二太赫兹波反射镜10；其中，高阻单晶硅透镜11为一种透镜，该透镜用于反射第二路激光的一面设置有高阻单晶硅，以使得一方面能够增强透镜反射面的反射效果，另一方面能够保证透镜的透射效果，实现经过第一太赫兹波反射器5反射的太赫兹波全部透射过高阻单晶硅透镜11到达第二太赫兹波反射镜10上。另外，样品9设置于第二太赫兹波反射镜10和第三太赫兹波反射镜8之间；
光电导太赫兹接收器7，设置于第四太赫兹波反射镜6的前方，用于接收经过第四太赫兹波反射镜6反射的太赫兹波4并将太赫兹波4转换为光信号传出；
飞秒激光反射镜12，设置于飞秒激光分光镜2的下方，用于接收第二路激光并将第二路激光反射至高阻单晶硅透镜11。
其中，高阻单晶硅透镜11与经由飞秒激光反射镜12反射的第二路激光呈45°夹角，高阻单晶硅透镜11与经由第一太赫兹波发射镜5反射的太赫兹波4呈45°夹角。
其中，飞秒激光分光镜2与飞秒激光反射镜12之间的距离为第一太赫兹波反射镜5与第二太赫兹波反射镜10之间的距离的二分之一。
实施例2
本实施例中的可视化太赫兹时域光谱检测方法，基于实施例1中的检测装置，包括如下步骤：
中心波长为800nm，并掺杂同轴红光的入射飞秒激光1通过飞秒激光分光镜2进行分光，产生第一路激光和第二路激光，飞秒激光分光镜2的透射与反射分光比例为9：1，第一路激光通过光电导太赫兹发射器3产生太赫兹波4，并经第一太赫兹波发射镜5反射，经由高阻单晶硅透镜11全部透射至第二太赫兹波反射镜10反射，穿过样品9到达第三太赫兹波反射镜8，再反射至第四太赫兹波反射镜6，最终太赫兹波反射镜6反射太赫兹波4，太赫兹波4通过光电导太赫兹接收器7转换为光信号传出；第二路激光通过飞秒激光反射镜12反射至高阻单晶硅透镜11，再反射至第二赫兹波反射镜10反射，并直射于样品9表面；
其中，经由高阻单晶硅透镜11透射的太赫兹波4和经由高阻单晶硅透镜11反射的第二路激光共轴，共轴的太赫兹波4和第二路激光通过第二太赫兹波反射镜10反射至样品9同一位置。从而以实现第一路激光用于实现太赫兹波4的产生以及利用产生的太赫兹波4对样品9内部材料老化程度进行探测，第二路激光用于指示样品9的加载位置以及其缺陷检测位置以实现检测的可视化。
参见图2，本实施例的高阻单晶硅透镜11与经由飞秒激光反射镜12反射的激光呈45°夹角，与经由第一太赫兹波发射镜5反射的太赫兹波4呈45°夹角；高阻单晶硅透镜11的AB面进行高反射飞秒激光膜层镀膜，该膜层应为材质为高阻单晶硅的介质膜，高阻单晶硅透镜11的CD面则能够实现全透射效果，以供经过第一太赫兹波反射器5反射的太赫兹波4全部透射过高阻单晶硅透镜11；经由高阻单晶硅透镜11透射的太赫兹波4和反射的第二路激光共轴，并通过第二太赫兹波反射镜10反射至样品9同一位置。
本实施例的可视化太赫兹时域光谱检测装置，可以用于对核电厂关键非金属材料(如电缆绝缘材料、橡胶密封材料等)的服役行为高效评价，相比现有方法的优势在于：通过分光设计，将用于产生太赫兹波的飞秒激光复用为指示激光，有助于样品加载位置和缺陷检测位置确定和可视化，方便用户使用；还可为用户快速识别激光故障情况。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，其特征在于，包括：
激光分光镜，用于将入射飞秒激光进行分光以产生第一路激光和第二路激光；
太赫兹发射器，设置于所述激光分光镜的前方，用于供所述第一路激光产生太赫兹波；
第一太赫兹波反射镜，设置于所述太赫兹发射器的前方，用于反射经所述太赫兹发射器产生的所述太赫兹波；
激光反射镜，设置于所述激光分光镜的下方，用于反射所述第二路激光；
透镜，设置于所述第一太赫兹波反射镜的下方，用于透射经所述第一太赫兹波反射镜反射的所述太赫兹波，以及用于反射经所述激光反射镜反射的所述第二路激光；
第二太赫兹波反射镜，设置于所述透镜的下方，用于反射经所述透镜透射的所述太赫兹波以及用于反射经所述透镜反射的所述第二路激光，经所述第二太赫兹波反射镜反射的所述太赫兹波穿过位于其前方的样品，经所述第二太赫兹波反射镜反射的所述第二路激光直射于所述样品；
太赫兹接收器，用于接收穿过所述样品的的所述太赫兹波并将穿过所述样品的所述太赫兹波转换为光信号传出；
所述入射飞秒激光的中心波长为800nm，所述入射飞秒激光还掺杂有同轴的指示光；
经由所述透镜透射的所述太赫兹波和经由所述透镜反射的所述第二路激光共轴，共轴的所述太赫兹波和所述第二路激光通过所述第二太赫兹波反射镜反射至所述样品同一位置。
2.根据权利要求1所述的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，其特征在于，所述激光分光镜的透射与反射分光比例为6～16:1。
3.根据权利要求2所述的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，其特征在于，所述透镜与经由所述激光反射镜反射的所述第二路激光呈45°夹角，所述透镜与经由所述第一太赫兹波发射镜反射的所述太赫兹波呈45°夹角。
4.根据权利要求3所述的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，其特征在于，所述透镜用于反射所述第二路激光的一面设置有高阻单晶硅材质的介质膜。
5.根据权利要求4所述的一种可视化太赫兹时域光谱检测装置，其特征在于，所述激光分光镜与所述激光反射镜之间的距离为所述第一太赫兹波反射镜与所述第二太赫兹波反射镜之间的距离的二分之一。
6.一种可视化太赫兹时域光谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
入射飞秒激光通过激光分光镜产生第一路激光和第二路激光；
所述第一路激光通过太赫兹发射器产生太赫兹波，所述太赫兹波依次经第一太赫兹波反射镜反射，经透镜透射至第二太赫兹波反射镜，经所述第二太赫兹波反射镜反射，穿过样品并经太赫兹接收器转换为光信号传出；
所述第二路激光依次通过激光反射镜反射至所述透镜，经所述透镜反射至所述第二太赫兹波反射镜，经所述第二太赫兹波反射镜反射，并直射于所述样品的表面；
所述入射飞秒激光的中心波长为800nm，所述入射飞秒激光还掺杂有同轴的指示光；
经由所述透镜透射的所述太赫兹波和经由所述透镜反射的所述第二路激光共轴，共轴的所述太赫兹波和所述第二路激光通过所述第二太赫兹波反射镜反射至所述样品同一位置。
7.一种基于权利要求1-5任意一项所述的可视化太赫兹时域光谱检测装置的应用，其特征在于，用于评价核电厂非金属材料的老化程度，所述非金属材料包括电缆绝缘材料和橡胶密封材料。
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