CN206311210U - 一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，应用中，避开采用傅里叶变换的方法，因此无需先得到待测太赫兹波的时域谱，也不需要使用机械延迟装置，其结构和光路较为简单，并且整个设计结构易于制作，且可选择的材料种类繁多，因此整个装置的成本较低；而且对于各种预设滤波条件所对应的滤波单元来说，太赫兹波在滤波单元各个出射部位和出射的各个方向上，具有相同的透射波谱，它们都是经过相同的滤波作用，能够提高光谱测量的稳定性；不仅如此，所设计基于滤波效应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。

Description

一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，属于波谱探测技术领域。

背景技术

近年来太赫兹波技术发展迅猛，在天文遥感、公共安全、高速通信以及生物医学等众多科学领域都引起了广泛的关注和研究。太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁波，其波长介于微波与近红外之间。由于太赫兹波光子具有较低的能量，且许多材料在太赫兹波段具有特征吸收，许多非金属及非极性材料在太赫兹波段是透明的，太赫兹波谱在无损检测中具有巨大的应用潜力。然而太赫兹波段位于电子学与光子学的交界处,用传统的电子学和光学方法均难以产生和检测太赫兹波。20世纪90年代以后,激光技术、量子阱技术和化合物半导体等技术的发展,为太赫兹辐射提供了稳定、可靠的激发光源，推动了太赫兹相关技术与研究的进一步发展，其中也包括太赫兹波谱测量技术。

由超快激光技术发展出来的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是目前主流的太赫兹波谱测量***。它利用飞秒激光技术获得宽波段THz脉冲并能够测量产生的太赫兹波电场强度随时间的变化，通过傅里叶变换能够获得太赫兹波频域谱，进而得到待测样品的光谱信息。但是，典型的太赫兹时域光谱仪使用单锁模飞秒激光器以及机械时间延迟装置，其频谱分辨率越高，扫描速度越慢。这是因为该光谱仪的分辨率数值与延迟时间窗口的宽度成反比，而要获取较大的延迟时间窗宽度则需要更多的扫描时间，例如：平移台可提供数百皮秒的延迟时间窗口宽度，但需要耗时数分钟；而振动镜的扫描速率能达到100Hz，但其时间窗宽度只能限制在100皮秒以内。因此，传统的太赫兹时域光谱仪不能同时提供较高的分辨率和较快的扫描速度。

文献(T.Yasui,E.Saneyoshi,and T.Araki,Asynchronous optical samplingterahertz time-domain spectroscopy for ultrahigh spectral resolution andrapid data acquisition.Appl.Phys.Lett,87,061101-1～061101-3(2005))提出了异步光采样时域光谱仪(ASOPS THz-TDS)以解决上述太赫兹时域光谱仪存在的问题。该太赫兹光谱仪采用两台重复频率具有固定差值的锁模激光器分别作为泵浦光和探测光。两束激光脉冲之间的相对延迟从0到泵浦脉冲重复频率的倒数呈线性增长，并在重复频率倒数的时间间隔内完成一次THz脉冲的时间取样。同样通过傅里叶变换可以得到太赫兹波的频域谱。由于该光谱仪避开了机械延迟装置的使用，可以在获取高分辨率的同时提供较快的扫描速度。然而，使用ASOPS太赫兹光谱仪测得的太赫兹波形具有严重的尾部震荡，这可能是由各个光学部件之间的多重反射引起的。由于该震荡已经超出了背景噪声的范围，对太赫兹波谱的测量性能造成了严重的影响。

因此，对于太赫兹波谱测量***来说，要求其在获取高分辨率的同时提高扫描速度，又不带来其他性能上的问题，并且希望减小体积和制作成本是较为困难的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服传统太赫兹波谱测量技术存在的体积过大、分辨率不高、成本较高等不足，提供一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，包括滤波器、滤波参数控制器、探测器和计算处理单元；待测太赫兹波经由滤波器进行滤波作用后被探测器接收；其中，滤波参数控制器针对滤波器进行各种预设滤波条件控制，由滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波作用，使得不同预设滤波条件下从滤波器出射的太赫兹波的波谱互不相同；探测器用于探测获得不同预设滤波条件下从滤波器出射太赫兹波的功率；计算处理单元用于接收探测器的探测结果，并进行数据分析和处理。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括太赫兹波准直装置，所述待测太赫兹波经由太赫兹波准直装置转化为平行波束后，再入射到所述滤波器中，其中，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜，以及设置于两个太赫兹波透镜之间共同焦点处的小孔光阑。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述滤波参数控制器通过电场强度调控、磁场强度调控、声场强度调控、机械强度调控，或者以上调控手段的组合，针对所述滤波器进行各种预设滤波条件控制，由滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述滤波器包括具有不同滤波透射特性的各个滤波单元，所述滤波参数控制器针对滤波器进行电控机械调制，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述滤波参数控制器包括光学平移台，所述滤波器还包括基底，所述各个滤波单元分布设置在基底上，基底设置于光学平移台上，光学平移台针对基底进行电控机械调制，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述滤波参数控制器包括步进电机和轮盘基底，所述各个滤波单元以轮盘基底的轴心为中心分布设置在轮盘基底上，步进电机的驱动端与轮盘基底相联动，步进电机针对轮盘基底进行电控机械调制，控制轮盘基底以其轴心为轴进行转动，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波吸收特性的各个滤波薄膜；或者所述各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波谱透射特性的各个谐振频率选择面，各个谐振频率选择面上分别设置周期性分布的谐振单元。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述滤波器为太赫兹磁控滤波器，所述滤波参数控制器为磁场调制器，磁场调制器针对太赫兹磁控滤波器进行磁场强度调制，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

本实用新型所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型所述基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置应用中，避开采用傅里叶变换的方法，因此无需先得到待测太赫兹波的时域谱，也不需要使用机械延迟装置，其结构和光路较为简单，并且整个设计结构易于制作，且可选择的材料种类繁多，因此整个装置的成本较低；而且对于各种预设滤波条件所对应的滤波单元来说，太赫兹波在滤波单元各个出射部位和出射的各个方向上，具有相同的透射波谱，它们都是经过相同的滤波作用，能够提高光谱测量的稳定性；不仅如此，所设计基于滤波效应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是本实用新型设计中太赫兹波谱频率划分示意图；

图2是本实用新型设计中实施例1的太赫兹波谱测量装置结构示意图；

图3是本实用新型设计中实施例2的太赫兹波谱测量装置结构示意图；

图4是本实用新型设计中实施例3的太赫兹波谱测量装置结构示意图；

图5是本实用新型设计中实施例4的太赫兹波谱测量装置结构示意图；

图6是文献(Carelli P,Chiarello F,Cibella S,et al.A Fast TerahertzSpectrometer Based on Frequency Selective Surface Filters,Journal of InfraredMillimeter&Terahertz Waves,Vol.33，No.5,pp.505-512(2012))中谐振频率选择面的透射波谱示意图；

其中，1.待测太赫兹波，2.太赫兹波透镜，3.小孔光阑，4.探测器，5.不同滤波薄膜组成的滤波器，6.滤波薄膜，7.不同谐振频率选择面组成的滤波器，8.谐振频率选择面，9.轮盘基底，10.滤波单元，11.磁场调制器，12.太赫兹偏振片，13.液晶盒。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型的思路是通过参数控制器改变滤波器对入射太赫兹波的滤波作用，测量不同控制条件下入射太赫兹波各频率分量通过滤波器后的总强度，代入并求解线性方程组获得各频率分量强度的值并拟合得到入射太赫兹波的频谱。

滤波器常用来提高***的性能，广泛使用于实际应用中，在太赫兹领域内同样如此。本实用新型使用的滤波器为可调谐的宽频太赫兹滤波器，在滤波参数控制器的各种预设滤波条件下对入射的待测太赫兹波具有不同的滤波作用。当入射的待测太赫兹波经过滤波器并被探测器接收时，探测器所探测到的数值是每一个频率的太赫兹波分量在经过滤波后强度的线性叠加。而当滤波参数控制器的预设滤波条件改变时，通过滤波器的太赫兹波透射谱线发生变化，探测器所探测到的太赫兹波各频率分量总强度也不断改变，因此通过测量这些数据可以反演得到待测太赫兹波的频谱信息，详细解释如下：

首先，将所述太赫兹探测器的探测频率范围划分为n个频宽为Δf的频段，划分后的太赫兹频域谱如图1所示，其中每一个频率分量的中心频率为f_i(i＝1,…,n)，当划分份数足够大时，每一个频段的幅值都可由其中心频率f_i的幅值表示，即各频段分别以其中心频率f₁,…,f_n进行标记。将各频段的幅值进行线性拟合就可以得到待测太赫兹波的频谱信息。由于各频段的频宽相同，也可以通过求解图1中每个频率分量对应的小矩形的面积来获取入射太赫兹波的频谱。根据微积分的原理，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。在滤波参数控制器的某个控制条件下，入射的待测太赫兹波经过滤波器后被探测器接收。此时，探测器检测到的太赫兹波功率值应等于太赫兹波经过滤波器后各频率分量功率值的叠加。由于滤波器的滤波作用，所叠加的太赫兹波各频段的功率与入射时太赫兹波谱中各频段功率相比有一定程度的改变，即图1中每一个小矩形的面积在经过滤波器滤波后发生了变化，且这个变化的比例对于太赫兹波的各频段来说不尽相同。当各部件的位置和结构固定时这些改变比例，即探测器对于太赫兹波各频段的探测率是固定值，可以事先通过将各频率的太赫兹波在经过滤波之后与未经滤波时探测器所测值分别减去探测器的固有噪声相比后计算测得。若将太赫兹波入射时各频段的功率作为未知数，将探测器对于太赫兹波各频段的探测率作为各项系数，可以得到关于这些未知数的一个线性方程，方程的右边是探测器探测测得的太赫兹功率值，方程组的左边是待测太赫兹波中各频段的功率乘以探测器对太赫兹波各频段的探测率后再相加所得到的计算值。此后，通过滤波参数控制器改变滤波器对入射待测太赫兹波的滤波作用，即改变探测器对待测太赫兹波各频段的探测率，那么当滤波参数控制器输不同控制条件时，在探测器位置处将测得一系列不同的太赫兹波功率。将滤波参数控制不同控制条件下得到的线性方程组合得到一个线性方程组，解此方程组就可以得到待测太赫兹波的归一化光谱。

基于上述分析，本实用新型设计了一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，应用中，具体包括太赫兹波准直装置、滤波器、滤波参数控制器、探测器和计算处理单元；待测太赫兹波经由太赫兹波准直装置转化为平行波束后，入射到滤波器中，经由滤波器进行滤波作用后被探测器接收；其中，太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜，以及设置于两个太赫兹波透镜之间共同焦点处的小孔光阑；滤波参数控制器通过电场强度调控、磁场强度调控、声场强度调控、机械强度调控，或者以上调控手段的组合，针对所述滤波器进行各种预设滤波条件控制，由滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波作用，使得不同预设滤波条件下从滤波器出射的太赫兹波的波谱互不相同，即获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波；探测器用于探测获得不同预设滤波条件下从滤波器出射太赫兹波的功率；计算处理单元用于接收探测器的探测结果，并进行数据分析和处理；基于上述结构设计，本实用新型进一步具体设计如下。

首先，就滤波器来讲，本专利设计滤波器包括具有不同滤波透射特性的各个滤波单元，滤波参数控制器针对滤波器进行电控机械调制，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。这里对于滤波单元来说，本实用新型进一步设计，各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波吸收特性的各个滤波薄膜；或者所述各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波谱透射特性的各个谐振频率选择面，各个谐振频率选择面上分别设置周期性分布的谐振单元；实际应用中，就针对各个滤波单元的电控机械调制，本实用新型划分两种，一种是所述滤波参数控制器包括光学平移台，所述滤波器还包括基底，各个滤波单元分布设置在基底上，基底设置于光学平移台上，光学平移台针对基底进行电控机械调制；另一种是所述滤波参数控制器包括步进电机和轮盘基底9，所述各个滤波单元以轮盘基底的轴心为中心分布设置在轮盘基底上，步进电机的驱动端与轮盘基底相联动，步进电机针对轮盘基底进行电控机械调制，控制轮盘基底以其轴心为轴进行转动，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

就上述设计结构，实际应用中，本专利具体设计如下各个实施例。

实施例1

本实施例中基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置的结构图如图2所示，包括太赫兹波准直装置、由多个不同滤波薄膜6组成的滤波器5、探测器4、对滤波器5进行位置控制的光学平移台(图中未示出)，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4信号连接的计算处理单元(图中未示出)。在本实施例中，入射的待测太赫兹波1首先经过太赫兹波准直装置，该太赫兹波准直装置包括2个共焦的太赫兹波透镜2以及设置于其共同焦点处的小孔光阑3，用以校正入射太赫兹波的平行度和光束宽度。整形后的待测太赫兹波1通过不同滤波薄膜6组成的滤波器5，该滤波器5由n个不同种类的滤波薄膜6组合而成，为了降低滤波器的制作难度，滤波器5上的n个滤波薄膜6还共用一个对太赫兹波透明的基底，优选PTFE(聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene或teflon)或TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methyl pentene copolymer)等材料。滤波器5上的滤波薄膜6可以选用多种对太赫兹波具有特征吸收谱的生物或化学薄膜，本实施例中使用多种氨基酸分子材料制成的薄膜，如L-,D-,DL-丙氨酸，不同晶型甘氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等。滤波器可以通过以下方法制作：将所需的不同种氨基酸材料分别溶入蒸馏水配置成氨基酸溶液，将不同氨基酸溶液滴在基底上的不同位置并在300K温度下晾晒30分钟成膜，不断重复上述步骤直至膜的厚度到达40-100μm。由于氨基酸分子的弱相互作用、骨架振动(构型弯曲)、偶极的旋转和振动跃迁以及晶格的低频振动吸收都处于太赫兹波段，太赫兹波对不同氨基酸物质结构间微小的差异非常敏感，不同氨基酸材料在太赫兹波段都具有不同的吸收谱。因此本实施例中滤波器5上的n个滤波薄膜6在探测器4探测频率范围内的透射谱线互不相同。探测器4正对滤波器5上某一滤波膜的中心位置，待测太赫兹波1通过滤波器5后被探测器4接收，探测器4可采用Golay Cell或者Bolometer。参数控制器在本实施例中为光学平移台，它可以通过移动滤波器5控制滤波器5相对于探测器4的位置，即在不同控制条件下使得探测器4正对滤波器5上的不同滤波薄膜6位置。

实施例2

本实施例中基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置的结构图如图3所示，包括太赫兹波准直装置、由多个不同谐振频率选择面8组成的滤波器7、探测器4、对滤波器进行位置控制的光学平移台(图3中未示出)。所述各个谐振频率选择面8可以使用同一个金属平板或者金属薄膜作为衬底。每一个谐振频率选择面8上都设置有周期性分布的谐振单元，不同谐振频率选择面8上的谐振单元具有不同形状或者不同的几何尺寸。其中，使用金属平板作为衬底的滤波器7可以通过机械加工的方法制作，而使用金属薄膜上作为衬底的滤波器7可通过离子刻蚀或者光学刻蚀的方法制作；滤波参数控制器在本实施例中为光学平移台，它可以通过移动滤波器7控制滤波器7与探测器4的相对位置，使得不同控制条件下探测器4接收到从滤波器7上不同谐振频率选择面8透射出的太赫兹波。本实施例所使用的谐振频率选择面8在原理上类似一个空间滤波器，当频率较低的太赫兹波照射到谐振频率选择面8上时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿谐振单元缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射太赫兹波频率的不断升高，沿谐振单元缝隙流动的电流不断增大，从而透射系数得到改善，当入射太赫兹波的频率达到一定值时，谐振单元两侧的电子刚好在入射波电场向量的驱动下来回移动，形成较大的感应电流，由于电子吸收大量入射波的能量，同时运动的电子透过谐振单元的缝隙向透射方向辐射电场，此时透射率达到峰值，该频率就是谐振频率点。当入射波的频率继续升高，将导致电子的运动范围减小，并且高频入射波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限，因此透过率又将逐渐减小。谐振频率选择面8的谐振频率取决于其谐振单元的结构和形状，这是因为当空间电磁波照射到各个谐振频率选择面8构成的周期阵列平面时会产生频率响应特性，这种响应特性可以用等效电路的思想加以解释，对于普通的环形结构或者实心结构，其谐振频率点可参考下式：

式中：L_e是谐振频率选择面8上谐振单元等效的电感，C_e为谐振频率选择面8上谐振单元之间的间隔缝隙等效的电容。由于滤波器7上各谐振频率选择面8的谐振单元形状大小不同，它们对入射太赫兹波的谐振频率也不同。因此，本实施例中不同的谐振频率选择面8与实施例1中滤波器5上设置有不同生化薄膜的滤波薄膜6有着异曲同工的作用：都能够对入射太赫兹波起到不同的滤波效果。为了便于理解，我们以文献2(Carelli P,ChiarelloF,Cibella S,et al.A Fast Terahertz Spectrometer Based on Frequency SelectiveSurface Filters,Journal of Infrared Millimeter&Terahertz Waves,Vol.33，No.5,pp.505-512(2012))中提出的一种结构作为滤波器进行举例说明。该结构中包括了18个谐振频率选择面，它们分别具有不同的谐振中心频率，范围为0.74-4.76THz，图6显示了其中晶格常数为20μm的谐振频率选择面的透射谱线。我们可以使用该文献中的参数制作滤波器上的n个谐振频率选择面，则每个谐振频率选择面的谐振频率不相同，它们对入射太赫兹波的频率响应也不同，我们通过实验可以测得这n个谐振频率选择面对入射太赫兹波的频率响应，即所求线性方程组的系数矩阵。如此，通过探测器4测量经过滤波器7上某个谐振频率选择面8后的太赫兹波强度，并通过光学平移台移动滤波器7，就可以获得从滤波器7上各个谐振频率选择面8透射的太赫兹波强度，代入线性方程组求解就可以复原得到太赫兹波谱。

实施例3

实施例1和实施例2都是使用光学平移台作为滤波参数控制器来调节滤波器5与探测器4的相对位置，从而使得待测太赫兹波分别通过滤波器5上各个不同滤波薄膜6或者滤波器7上各个不同谐振频率选择面8后被探测器4接收。除了这种结构以外，实施例1和实施例2中的滤波器也可以使用滤波轮型结构。如图4所示，此时轮盘基底9上的滤波单元10可以使用实施例1和实施例2中的滤波薄膜6或者谐振频率选择面8，滤波单元10绕轮盘基底9的轴心分布。滤波参数控制器可以选用步进电机，它可以控制轮盘基底9绕轴心旋转，在各种预设滤波条件下，轮盘基底9旋转过不同的角度，并使得不同的滤波单元10正对探测器4。通过实验测得各滤波单元10的探测率就可以确定该结构的系数矩阵，通过步进电机控制轮盘基底9旋转就可以探测到不同强度的太赫兹波。因此上述结构和控制方式也可以实现本实用新型的技术方案。

实际应用中，就滤波器来说，本实用新型还设计了如下结构：所述滤波参数控制器包括步进电机和轮盘基底，所述各个滤波单元以轮盘基底的轴心为中心分布设置在轮盘基底上，步进电机的驱动端与轮盘基底相联动，步进电机针对轮盘基底进行电控机械调制，控制轮盘基底以其轴心为轴进行转动，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波，具体设计如下实施例。

实施例4

本实施例中基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置的结构图如图5所示，本装置中包括太赫兹波准直装置、太赫兹波磁控滤波器，磁场调制器11、探测器4。本实施例中的太赫兹波磁控滤波器包括向列型液晶盒13和附着于液晶盒前后两端面的两个平行太赫兹偏振片12，本实施例中的磁场调制器11由螺旋线圈与驱动电源组成(图中由一对磁极表示)，探测器采用Golay Cell或Bolometer探测器。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4信号连接的计算处理单元(图中未示出)。由于液晶分子具有旋光性和双折射效应，经过第一个太赫兹偏振片12后的线偏振太赫兹波在进入向列型液晶盒13时形成两束极化光，由于在磁场内具有不同的相位延迟，两束极化光合并出射时与原来相比旋转了一定角度，再经过第二片太赫兹偏振片12后被探测器4接收，此时探测器4接收到的太赫兹强度与磁场和太赫兹波的频率相关。通过控制驱动电源改变磁场强度，可以控制向列液晶材料的双折射特性，从而改变探测器4接收到的太赫兹波强度。当磁场调制器11实现各种预设滤波条件时，所述滤波器会产生不同的滤波效应，使得探测器4接收到的太赫兹波强度不断变化，通过实验测量磁场调制器11的每一个预设滤波条件下探测器4对于待测太赫兹波各频率分量的探测率，即可得到波谱测量所需要的系数矩阵，通过测量磁场调制器11各种预设滤波条件下太赫兹波的强度并求解线性方程组就可以实现太赫兹波谱复原。

由上述分析可知，当通过光学平移台移动滤波器，使得滤波单元与探测器的相对位置不断改变时，由于每一次探测器所正对的滤波薄膜在探测器测量频率范围内的透射谱线都互不相同，每一次探测器所探测到的太赫兹波强度也不同。如果按照滤波器上滤波薄膜的个数n，将太赫兹波探测器探测频率范围划分为n等份，每一份中心频率的频段在待测太赫兹波中的强度大小作为未知数；将光学平移台经过n次控制后探测器探测到的值去除环境噪声后作为增广矩阵；测得滤波器上每一个滤波薄膜对太赫兹波各频段的探测率/透过率作为系数矩阵，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实用新型的波谱测量(波谱复原)方法，具体如下：

基于本实用新型所设计基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，对应上述各个具体实施例结构，本实用新型进一步设计了基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1.将所述探测器所能探测到的频率范围等分为n个频宽为Δf的频段，各频段分别以其中心频率f₁,…,f_n进行标记，n为大于3的整数。

如图1所示，在探测器的测量频率范围内，将待测太赫兹波谱曲线均匀划分成n段。整个波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,…,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：

步骤2.所述滤波参数控制器针对滤波器对应待测太赫兹波的滤波作用，进行n种预设滤波条件控制，使得探测器分别探测获得滤波器在n种预设滤波条件控制下、针对待测太赫兹波进行滤波作用后太赫兹波的功率，即探测获得n个太赫兹波功率，再分别减去环境噪声，更新获得n种预设滤波条件控制下的n个太赫兹波功率P₁,…,P_n。

由于测量环境中或多或少会存在噪声影响，本实用新型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，即在没有入射太赫兹波条件下，探测器所探测到的测量环境中的功率数据。将滤波器的n个位置所对应探测器探测到的太赫兹波功率分别减去环境噪声后，分别记为P₁,…,P_n。

在探测器位置正对滤波器上第i个滤波膜时，探测器所测到的功率值再减去噪声功率后，应为：

其中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示探测器位置正对滤波器上第i个滤波薄膜时，频率为f_j的太赫兹波在经过与未经过滤波膜的情况下，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。

当光学平移台控制滤波器与探测器的相对位置不断发生变化时，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)+C₁₂P(f₂)+…+C_1nP(f_n)，

P₂＝C₂₁P(f₁)+C₂₂P(f₂)+…+C_2nP(f_n)，

…

P_n＝C_n1P(f₁)+C_n2P(f₂)+…+C_nnP(f_n)，

其中，C₁₁,C₁₂,…C_1n分别是频率为f₁,f₂,…f_n的太赫兹波在经过与未经过滤波器上第一个滤波膜时，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光学平移台控制滤波器与探测器的各个相对位置确定后，可认为C_ij是一组定值，并能够通过实验测得，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(例如德国Thorlabs公司生产的FB19M系列滤波片，此处的滤波片用来获得单一频率的太赫兹波，而非本实例中的滤波器)，分别生成n个频率为f₁,f₂,…f_n的频段，将光路中的滤波器撤下，让这n个频段在不经过滤波器的情况下分别使用探测器测量其强度；然后将滤波器重新放置，通过光学平移台移动滤波器使探测器正对滤波器上某一滤波薄膜位置，测量此时这n个中心频率为f₁,f₂,…f_n的频段在通过滤波器后探测器所探测到的强度，与没有设置滤波器时探测器测量的强度分别减去噪声强度后相比，就可以得到在该滤波器与探测器的相对位置下探测器对这n个频段的太赫兹波的探测率C_i1,C_i2,…C_in(i＝1,2…n)。通过光学平移台改变滤波器与探测器的相对位置，使得探测器分别正对滤波器上不同滤波薄膜的位置，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，如下所示：

当光学平移台控制滤波器的各个位置确定后上述系数矩阵C为固有参数，即滤波参数控制器的输出各种预设滤波条件后，该太赫兹波谱测量装置对应了一个恒定的系数矩阵C。

步骤3.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(1)，并且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，如此通过针对矩阵方程(1)的求解，获得待测太赫兹波中各频段f₁,…,f_n的功率大小P(f₁),…,P(f_n)：

式中，i∈{1,…,n}，j∈{1,…,n}，C_ij表示在参数控制器针对滤波器进行第i种预设滤波条件控制下，f_j频段的太赫兹波在通过和不通过该滤波器时，探测器所探测到功率值分别减去环境噪声后的比值。

利用吉洪诺夫(Tikhonov)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(1)，并且在所述吉洪诺夫(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。

步骤4.针对P(f₁),…,P(f_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。

在实际器件构建过程中，器件中各元件的位置、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，滤波参数控制器控制不变的情况下，探测器对于一定频率的太赫兹波的探测率是一个固定值，通过实验可以事先测得该探测率并获得器件的系数矩阵。另外，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段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参数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。

上述基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置应用及测量方法，避开采用傅里叶变换的方法，因此无需先得到待测太赫兹波的时域谱，也不需要使用机械延迟装置，其结构和光路较为简单，并且整个设计结构易于制作，且可选择的材料种类繁多，因此整个装置的成本较低；而且对于各种预设滤波条件所对应的滤波单元来说，太赫兹波在滤波单元各个出射部位和出射的各个方向上，具有相同的透射波谱，它们都是经过相同的滤波作用，能够提高光谱测量的稳定性，而如果采用散射、干涉、衍射的方法，由于不同的频率的电磁波经过散射、干涉、衍射作用后，具有不同的散射、干涉、衍射波角分布，即使在其中一个参数控制器输出条件下，在分光器件的不同部位以及出射的不同角度，所透射的太赫兹波都具有不同的波谱；不仅如此，所设计基于滤波效应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。除此之外，所设计基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置的测量方法，通过解方程组复原太赫兹波谱的方法，使得光谱复原范围和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。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：包括滤波器、滤波参数控制器、探测器和计算处理单元；待测太赫兹波经由滤波器进行滤波作用后被探测器接收；其中，滤波参数控制器针对滤波器进行各种预设滤波条件控制，由滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波作用，使得不同预设滤波条件下从滤波器出射的太赫兹波的波谱互不相同；探测器用于探测获得不同预设滤波条件下从滤波器出射太赫兹波的功率；计算处理单元用于接收探测器的探测结果，并进行数据分析和处理。

2.根据权利要求1所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：还包括太赫兹波准直装置，所述待测太赫兹波经由太赫兹波准直装置转化为平行波束后，再入射到所述滤波器中，其中，所述太赫兹波准直装置包括两个共焦的太赫兹波透镜，以及设置于两个太赫兹波透镜之间共同焦点处的小孔光阑。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述滤波参数控制器通过电场强度调控、磁场强度调控、声场强度调控、机械强度调控，或者以上调控手段的组合，针对所述滤波器进行各种预设滤波条件控制，由滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

4.根据权利要求3所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述滤波器包括具有不同滤波透射特性的各个滤波单元，所述滤波参数控制器针对滤波器进行电控机械调制，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

5.根据权利要求4所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述滤波参数控制器包括光学平移台，所述滤波器还包括基底，所述各个滤波单元分布设置在基底上，基底设置于光学平移台上，光学平移台针对基底进行电控机械调制，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

6.根据权利要求4所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述滤波参数控制器包括步进电机和轮盘基底，所述各个滤波单元以轮盘基底的轴心为中心分布设置在轮盘基底上，步进电机的驱动端与轮盘基底相联动，步进电机针对轮盘基底进行电控机械调制，控制轮盘基底以其轴心为轴进行转动，切换各个滤波单元分别位于待测太赫兹波的传播路径上，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下对待测太赫兹波的不同滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。

7.根据权利要求4所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波吸收特性的各个滤波薄膜；或者所述各个滤波单元为彼此具有不同太赫兹波谱透射特性的各个谐振频率选择面，各个谐振频率选择面上分别设置周期性分布的谐振单元。

8.根据权利要求3所述一种基于滤波效应的太赫兹波谱测量装置，其特征在于：所述滤波器为太赫兹磁控滤波器，所述滤波参数控制器为磁场调制器，磁场调制器针对太赫兹磁控滤波器进行磁场强度调制，实现滤波器分别在各种预设滤波条件下针对待测太赫兹波进行滤波作用，获得分别对应各种预设滤波条件、彼此波谱互不相同的各个太赫兹波。