CN208076388U - 一种太赫兹检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及安全检查技术领域，提供了一种太赫兹检测装置，包括用于产生激光的激光***、用于对激光进行色散补偿的色散补偿***、光分束器、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸***、用于产生和接收太赫兹波并对待检测样品进行检测的样品检测***和用于对测试数据进行分析的数据处理***，激光***通过光纤与色散补偿***连接，色散补偿***通过光纤与光分束器连接，光分束器通过光纤同时与光纤拉伸***、样品检测***连接，光纤拉伸***通过光纤与样品检测***连接，同时样品检测***通过光纤与数据处理***连接；不仅可以对多种物质进行识别，而且可以自动识别待检测样品，从而大大提高了安全检查的效率，满足不同场景的使用需求。

Description

一种太赫兹检测装置

技术领域

本实用新型涉及安全检查技术领域，更具体地说，是涉及一种太赫兹检测装置。

背景技术

易燃、易爆物品的检测关乎公共场所的安全，因此在人流量较为密集的场所，例如机场、地铁、汽车站等，通常需要进行安全检查，以便排除隐患。液态危险品在常温下通常呈液态，具有组分均匀、流动性好、运输方便、易于制造和伪装、隐蔽性强等特点；此外，液态危险品的原材料可以分开运输，或者可以与多种化合物混合，从而增加了安全检查工作的难度。

目前，排除易燃、易爆物品的通常做法是：液体类，让携带者喝一口，以示没有危害，然而这种做法不仅效率低，而且容易引发旅客的抵触情绪；固体类，在安检区提供的安检机，需要工作人员仅凭借其外型信息来简单判定是否是违禁品。目前国内外的安检设备中，虽然有针对***、***物、毒品等重大危险物质的自动识别***，但技术尚不完善，而且价格昂贵。此外，面对人们日常生活中大量的常见危险品，却没有哪一种安检产品能够达到自动识别，都需要对其进行半人工识别，甚至是开包检查人工识别。

现有的安全检测设备包含的技术有X射线、拉曼光谱技术、介电常数探测技术等。但是，X射线对生物体损害强，对于那些不容易挥发的液态危险品，尤其是密闭容器中的液态危险品，基本上无法检测，对于金属检测则很容易受到金属杂物的干扰而增大误报率；激光拉曼光谱采用低功率激光光源，激光光束可以穿透透明瓶装液体，其对非透明容器却无能无力；介电常数技术作用范围有限，通常是用于探测容器内的液态物品，需要贴近样品探测，且穿透能力有限。

以上不足，有待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太赫兹检测装置，以解决现有技术中存在的安全检查效率低下、且检测的危险品种类有限的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种太赫兹检测装置，包括用于产生激光的激光***、用于对所述激光进行色散补偿的色散补偿***、光分束器、用于对所述激光进行延时扫描的光纤拉伸***、用于产生和接收太赫兹波并对待检测样品进行检测的样品检测***和用于对测试数据进行分析的数据处理***，所述激光***通过光纤与所述色散补偿***连接，所述色散补偿***通过光纤与所述光分束器连接，所述光分束器通过光纤同时与所述光纤拉伸***、所述样品检测***连接，所述光纤拉伸***通过光纤与所述样品检测***连接，同时所述样品检测***与所述数据处理***连接。

进一步地，所述激光***包括依次连接的激光器、可饱和吸收体、光耦合器、增益光纤和光纤光栅，所述光耦合器与所述可饱和吸收体连接的一侧还连接有泵浦源。

进一步地，所述激光***还包括重复频率锁定机构，所述重复频率锁定机构用于锁定所述激光器产生的激光的频率，所述激光器设有可用于调节其激光腔的腔长的压电陶瓷，所述重复频率锁定机构与所述压电陶瓷连接，同时所述重复频率锁定机构与所述激光器连接。

进一步地，所述重复频率锁定机构包括依次连接的光电探测器、带通滤波器、混频器、环路滤波器和高压放大器，所述光电探测器与所述激光器相连，所述高压放大器与所述压电陶瓷连接，所述混频器连接所述带通滤波器的一侧还连接有基准信号发生器，所述基准信号发生器锁定在铷钟上。

进一步地，所述色散补偿***包括用于调整所述激光传输方向的光纤环形机构，用于对所述激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅，所述光纤环形机构设有用于与光纤连接的输入端，所述光纤用于传输所述激光，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅均与所述光纤环形机构连接，且所述激光依次通过所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅后从所述光纤环形机构中出射，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅的色散补偿量的绝对值不相等。

进一步地，所述样品检测***包括用于产生太赫兹波的光电导发射天线、用于接收所述太赫兹波的光电导接收天线和用于对所述太赫兹波进行聚焦的光学组件，所述光电导发射天线与所述光分束器连接，所述光电导接收天线与所述光纤拉伸***连接且所述光电导接收天线与所述数据处理***连接。

进一步地，所述光学组件包括用于将所述光电导发射天线产生的太赫兹波聚焦在所述待检测样品上的第一透镜组和用于将经过所述待检测样品后的太赫兹波聚焦在所述光电导接收天线的第二透镜组。

进一步地，所述光纤拉伸***包括用于对激光进行分束的第一耦合器、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器、用于将光信号转换为电信号的光电探测器和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置，所述光分束器与所述第一耦合器通过光纤连接，所述第一耦合器同时与两个所述光纤拉伸器通过光纤连接，两个所述光纤拉伸器均与所述第二耦合器通过光纤连接，所述第二耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述光电探测器与所述显示装置连接。

进一步地，所述光电导接收天线与所述数据处理机构之间还设有锁相放大模块。

进一步地，所述数据处理***包括数据处理模块和对所述待检测样品进行识别的计算机，所述数据处理模块通过网线与所述计算机连接，所述数据处理模块与所述锁相放大模块连接。

本实用新型提供的一种太赫兹检测装置的有益效果在于：

(1)由于采用了太赫兹波对待检测样品进行检测，太赫兹时域光谱技术具有可进行无损检测及样品探测、获取物质信息方便快捷、对外界条件要求低等特点，从而使得太赫兹检测装置不仅可以对多种物质进行识别，而且拓展了太赫兹检测装置的应用场景。

(2)太赫兹检测装置可以对待检测样品进行自动识别，而不需要人工进行辅助识别，从而大大提高了安全检查的效率，满足不同场景的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的***原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的激光锁模原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的重复频率锁定机构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的色散补偿***的一种结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的色散补偿***的另一种结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的色散补偿***的负色散啁啾光纤光栅的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的色散补偿***的正色散啁啾光纤光栅的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的光纤拉伸***的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的光纤拉伸器的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置的锁相放大模块的结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置测量饮料示意图；

图12为本实用新型实施例提供的太赫兹检测装置测量待检测样品时的反射脉冲的波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，一种太赫兹检测装置，包括用于产生激光的激光***1、用于对激光进行色散补偿的色散补偿***2、光分束器3、用于对激光进行延时扫描的光纤拉伸***4、用于发射和接收太赫兹波并对待检测样品6进行检测的样品检测***5和用于对测试数据进行分析的数据处理***7，激光***1通过光纤10与色散补偿***2连接，色散补偿***2通过光纤10与光分束器3连接，光分束器3通过光纤10同时与光纤拉伸***4、样品检测***5连接，光纤拉伸***4通过光纤10与样品检测***5连接，同时样品检测***5与数据处理***7连接。

本实施例提供的一种太赫兹检测装置的工作原理如下：首先激光***1产生的激光通过光纤10传输到色散补偿***2，并通过色散补偿***2预先进行色散补偿；然后激光通过光分束器3后分成两束，一束激光到达样品检测***5后用于发射太赫兹波，太赫兹波照射到待检测样品6上后会携带待检测样品6的信息，然后携带待检测样品6的信息的太赫兹波被样品检测***5接收；另一束激光通过光纤拉伸***4后到达样品检测***5，并与携带待检测样品6的信息的太赫兹波进行耦合形成测试数据；然后测试数据传输到数据处理***7进行处理，对待检测样品6进行识别，从而实现对易燃易爆物品的判断及报警。

其中，由于太赫兹波的独特性质，太赫兹时域光谱技术具有以下优点：

(1)频带宽：具有大约从0.1THz～5THz的频带宽度。

(2)信噪比髙：太赫兹时域光谱***在小于3THz时信噪比可高达10⁴，远髙于傅里叶变换红外光谱技术，且具有较好的稳定性。

(3)可进行无损检测及样品探测：利用太赫兹时域光谱技术可以有效探测待检测样品反映于太赫兹波段的各种物理信息和化学信息等方面的信息，从而可用于进行物质的定性鉴别分析。此外，由于太赫兹波的安全性和穿透性，使其适合用来对生物组织进行无损检测。太赫兹时域光谱技术还具有探测灵敏度高以及能在室温下稳定工作等特点，因此可以广泛应用于样品的探测。

(4)获取介质信息方便快捷：利用太赫兹时域光谱技术能够方便、迅速地获取多种材料信息，如电介质材料、生物大分子以及半导体材料等的振幅和相位信息，也可以直接反映出导电材料中的载流子信息；同时，太赫兹时域光谱的相干性使电场波形包含了太赫兹脉冲的强度、相位、时间等完整信息，通过傅立叶变换使其转换为频谱信号，便可得到吸收光谱与色散光谱。

(5)对外界条件要求低：太赫兹时域光谱***可在室温下工作，省去了复杂的制冷***。

(6)非接触测量：太赫兹辐射能够直接反映导电材料中载流子的信息，因而太赫兹时域光谱***比基于霍尔(Hall)效应的非接触性测量更为方便、有效。

(7)安全无害：太赫兹波的单光子能量低，1THz对应4.1meV的能量，检测物质时不会破坏被检测物质的成分，且对操作人员也是安全的。

本实施例提供的一种太赫兹检测装置的有益效果在于：

(1)由于采用了太赫兹波对待检测样品6进行检测，太赫兹时域光谱技术具有可进行无损检测及样品探测、获取物质信息方便快捷、对外界条件要求低等特点，从而使得太赫兹检测装置不仅可以对多种物质进行识别，而且拓展了太赫兹检测装置的应用场景。

(2)太赫兹检测装置可以对待检测样品6进行自动识别，而不需要人工进行辅助识别，从而大大提高了安全检查的效率，满足不同场景的使用需求。

本实施例提供的太赫兹检测装置内设有锂电池，可方便进行户外检测，同时也可以防止由于瞬间断电而无法进行检测，以及可以对设备进行保护。太赫兹检测装置的底部还设有万向轮，从而使得太赫兹检测装置可以随意移动，从而可以根据需要在任何位置进行检测。

请参阅图2，进一步地，激光***1包括依次连接的激光器11、可饱和吸收体12、光耦合器13、增益光纤14和光纤光栅15，光耦合器13与可饱和吸收体12连接的一侧还连接有泵浦源16。优选地，激光器11为飞秒激光器，从而可以产生飞秒激光脉冲。

由于可饱和吸收体12对弱光吸收大，而对强光吸收少，因此当激光器11产生的激光强度太低时，激光会被可饱和吸收体12吸收，而当激光器11产生的激光强度变高时，激光才会透过可饱和吸收体12，因此采用可饱和吸收体12，可保证激光器11的输出功率满足要求。在本实施例中，激光器11的输出功率高于80mW，飞秒激光脉冲的脉冲宽度小于100fs。

由于泵浦源16与经过可饱和吸收体12的激光在光耦合器13中进行耦合，耦合后的激光经过增益光纤14进行增益，并经过光纤光栅15进行滤波，从而可以获得特定波长的激光，满足使用要求。

请参阅图3，进一步地，激光***1还包括重复频率锁定机构，重复频率锁定机构可用于锁定激光器11产生的激光的频率；激光器11设有可用于调节其激光腔的腔长的压电陶瓷，优选为PZT压电陶瓷111，PZT压电陶瓷在PZT驱动110的控制下工作；重复频率锁定机构与PZT压电陶瓷111连接，同时重复频率锁定机构与激光器11连接。激光器产生的激光的一小部分光通过耦合器分光后进入到重复频率锁定机构中，经过重复频率锁定机构后产生相应的高压信号，然后高压信号通过PZT驱动110控制PZT压电陶瓷111运动，从而改变激光腔的腔长，进而对激光的频率进行调节，使得输出激光的重复频率稳定。

在本实施例中，重复频率锁定机构包括依次连接的光电探测器171、带通滤波器172、混频器173、环路滤波器174和高压放大器175，光电探测器171与激光器11相连，高压放大器175与PZT压电陶瓷111连接，混频器173连接带通滤波器172的一侧还连接有基准信号发生器176，基准信号发生器176锁定在铷钟177上。

飞秒激光器产生的激光中有一小部分光通过耦合器分光后照射在光电探测器171上，并被光电探测器171捕获。光电探测器171输出频率为重复频率整数倍(记为Nf_rep)的信号，该信号通过带通滤波器172可以进行滤波，从而获得需要频率的信号(即Nf_rep的信号)。优选地，N为4，即光电探测器171输出频率为4倍重复频率，经过带通滤波器172后获得的是重复频率的四次谐波；当然，也可以获得更高次的谐波；事实上，混频输入的谐波次数越高，***对频率的变化越敏感，从而形成闭环控制***后可以获得更高的稳定度。

经过带通滤波器172后的信号与基准信号发生器176产生的基准信号进入混频器173进行混频，从而可得到差频信号。基准信号发生器76锁定在铷钟177上，并且根据待锁定的重复频率设定基准信号的频率，在本实施例中，基准信号的频率为1000MHz。差频信号进入环路控制器174后输出补偿控制信号，补偿控制信号通过高压放大器175后得到高压信号，用于控制PZT驱动110，从而控制PZT压电陶瓷111，通过PZT压电陶瓷111的微小位移改变激光腔的腔长，从而可以抑制重复频率的微小波动，最终动态跟踪上基准信号(即锁定至基准信号)，从而使得重复频率f_rep获得和铷钟177同样的稳定度，确保输出激光的重复频率稳定。

其中环路控制器174是整个重复频率锁定机构的核心，不仅具有低通滤波的作用，而且还可以改善***的动态响应特性和稳定特性。

进一步地，环路控制器174包括比例积分控制器和直流偏置电路，其中比例积分控制器的功能是改善***的动态响应特性，而直流偏置电路是为了在锁定前寻找合适的频率点，为实现快速锁定做准备。比例积分控制器包括带宽选择部分、积分环节部分和低频增益限制(Low Frequency Gain Limit，简写为LFGL)部分；其中带宽选择部分是为了选择合适的带宽，在未锁定时，将环路切换到宽带的位置，便于快速扫频，当锁定时再把环路切换到窄带的位置，减小误差，提高锁定性能；低频增益限制部分用于限制低频增益，防止在锁定的瞬间由于条件不合适而发生积分饱和，在锁定前限制低频增益，寻找锁定点，待锁定后解除限制，从而进入纯积分环节。上述设置使得重复频率锁定过程的操作更加灵活，有利于快速找到锁定点，高效准确地完成锁定。常用的飞秒激光器的重复频率的稳定性在20Hz左右(即重复频率±20Hz)，在本实施例中，飞秒激光重复频率可稳定在100MHz±1mHz，从而极大提高了飞秒激光器的稳定性。

请参阅图4，进一步地，色散补偿***2包括用于调整激光传输方向的光纤环形机构，用于对激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，光纤环形机构设有用于与光纤10连接的输入端，光纤10用于传输激光100，第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222均与光纤环形机构连接，且激光100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后从光纤环形机构中出射，第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222对激光100的色散补偿量的绝对值不相等。

色散补偿***2的工作原理如下：首先将传输激光100的光纤10与光纤环形机构连接，同时将第一啁啾光纤光栅221、第二啁啾光纤光栅222与光纤环形机构顺次连接，从而使得激光100通过光纤3进入到光纤环形机构中后，依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222进行色散补偿，然后从光纤环形机构中出射。由于第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿相反且色散补偿量不相等，因此当激光100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，其总色散补偿量为第一啁啾光纤光栅221的色散补偿量和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿量之和，且总色散补偿量可以达到fs/nm(飞秒/纳米)的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿。

这样设置的有益效果在于：由于设置有用于对激光100进行色散补偿、且色散补偿相反的第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，因此当激光100依次通过第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，总色散补偿量可以达到fs/nm的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿，有效保障激光传输的可靠性。

请参阅图,4，在一个实施例中，光纤环形机构包括第一光纤环形器211，第一光纤环形器211包括沿激光传输方向设置的第一输入端口2110、第一端口2111、第二端口2112和第三端口2113，第一输入端口2110与光纤10连接，第一端口2111与第一啁啾光纤光栅221连接，第二端口2112与第二啁啾光纤光栅222连接。通过第一光纤环形器211将第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222连接，不仅可以实现对激光100的微小色散补偿，而且结构紧凑，安装方便。优选地，第一光纤环形器211为四端口光纤环形器。

请参阅图5，在一个实施例中，光纤环形机构包括第二光纤环形器212和第三光纤环形器213，第二光纤环形器212包括沿激光传输方向设置的第二输入端口2120、第四端口2121和第五端口2122，第三光纤环形器213包括沿激光传输方向设置的第三输入端口2130、第七端口2131和第八端口2132，第二输入端口2120与光纤10连接，第四端口2121与第一啁啾光纤光栅221连接，第五端口2122与第三输入端口2130连接，第七端口2131与第二啁啾光纤光栅222连接。优选地，第二光纤环形器212为三端口光纤环形器，第三光纤环形器213为三端口光纤环形器，第二光纤环形器212和第三光纤环形器213通过光纤103相互连接。通过两个光纤环形器分别连接第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222，不仅可以实现对激光100的微小色散补偿，而且可以根据需要进行连接，安装更加灵活。

应当理解的是，第二光纤环形器212和第三光纤环形器213也可为其它类型的光纤环形器，例如四端口光纤环形器，在使用时，仅顺次使用其中的三个端口即可。

请参阅图6和图7，在一个实施例中，第一啁啾光纤光栅221内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐增大，第二啁啾光纤光栅222内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐减小。具体地，第一啁啾光纤光栅221为负色散啁啾光纤光栅，激光100中的不同频率的激光分量在负色散啁啾光纤光栅的不同位置发生全反射，其中高频激光分量1001发生全反射的位置比低频激光分量1002发生全反射的位置更深，使得高频激光分量1001的光程大于低频激光分量1002的光程，从而产生负色散；第二啁啾光纤光栅222为正色散啁啾光纤光栅，激光100中的不同频率的激光分量在正色散啁啾光纤光栅的不同位置发生全反射，其中高频激光分量1001发生全反射的位置比低频激光分量1002发生全反射的位置更浅，使得高频激光分量1001的光程小于低频激光分量1002的光程，从而产生正色散。事实上，在实际使用时，只需要将负色散啁啾光纤光栅反向与光纤环形器连接，即可得到正色散啁啾光纤光栅。

在一个实施例中，第一啁啾光纤光栅221内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐减小，即第一啁啾光纤光栅221为正色散啁啾光纤光栅；第二啁啾光纤光栅222内的折射率变化周期沿激光100入射方向逐渐增大，即第二啁啾光纤光栅222为负色散啁啾光纤光栅。

由于第一啁啾光纤光栅221和第二啁啾光纤光栅222产生的色散补偿相反，因此当激光100依次经过第一啁啾光栅221和第二啁啾光纤光栅222后，第一啁啾光纤光栅221的色散补偿量和第二啁啾光纤光栅222的色散补偿量之和为激光100实际获得的色散补偿量。

在本实施例中，可以通过改变曝光功率密度I和曝光时间t的方式来控制啁啾光纤光栅中的折射率变化幅度。折射率n(I,t)与曝光功率密度I和曝光时间t具有如下关系：

n(I,t)＝AI^at^b(I)

其中A为3.6×10^-7，为常数；a为0.78，为常数；b为曝光强度依赖系数，b(I)＝0.165+0.028exp(-I×1×10^-5)。

由上述公式可知，在曝光时间t相同的情况下，当曝光功率密度I的范围为0～600mW/cm²时，折射率n(I,t)的变化和曝光功率密度I的变化近似为线性，因此改变曝光功率密度I可以很好地控制光纤的折射率n(I,t)的变化。得到光纤光栅中折射率n(I,t)微小差异后，即可得到光纤光栅中不同位置布拉格反射波长λ_B的微小差异，其关系满足：

λ_B＝2n_effΛ

其中n_eff为光纤有效折射率，Λ为光栅周期。

不同位置布拉格反射波长微小差异λ_B，表示在啁啾光纤光栅的同一位置，满足反射条件的波长具有微小差异，或者相同频率的两束光在啁啾光纤光栅中的反射位置具有微小差异，整体考虑即为啁啾光纤光栅的色散补偿量具有微小差异。

将曝光功率密度I的值设定为450mW/cm²时可得到色散补偿量为14ps/nm色散量的光纤光栅，而曝光功率密度I的设定值为440mW/cm²时可得到色散补偿量为13.95ps/nm光纤光栅。在实际使用时，将上述两个光纤光栅与光纤环形器反向连接，其总色散补偿量为两个光纤光栅的色散补偿量之和，即为50fs/nm(即0.05ps/nm)，因此总色散补偿量可以达到fs/nm的量级，从而可以对飞秒激光的微小色散量进行补偿。

进一步地，第一啁啾光纤光栅21和第二啁啾光纤光栅22的总色散补偿量的绝对值的范围为50fs/nm～100fs/nm。优选地，总色散补偿量的绝对值为50fs/nm，从而可对飞秒激光的微小色散量进行补偿，有效保障激光传输的可靠性。

请参阅图1，进一步地，样品检测***5包括用于发射太赫兹波的光电导发射天线51、用于接收太赫兹波的光电导接收天线52和用于对太赫兹波进行聚焦的光学组件52，光电导发射天线51与光分束器3连接，光电导接收天线52与光纤拉伸***4连接且光电导接收天线52与数据处理***7连接。光学组件53包括用于将光电导发射天线51产生的太赫兹波聚焦在待检测样品6上的第一透镜组和用于将经过待检测样品56后的太赫兹波聚焦在光电导接收天线52的第二透镜组。

优选地，光分束器3与光电导发射天线51之间还设有光纤延时线54。目前的太赫兹时域光谱仪的延迟线是自由空间延迟线，其中大部分使用移动平台进行延时。这样的设备缺乏稳定性且容易受到振动和温度波动而导致延迟失调。而本实施例中采用光纤延时线，稳定性高，且易于集成。

在本实施例中，光学组件53包括四个聚烯烃透镜，其中第一透镜组包括两个聚烯烃透镜，第二透镜组包括另外两个聚烯烃透镜，聚烯烃透镜可以是非球面镜或球面镜，用于对太赫兹波进行准直聚焦。光电导发射天线51发射的太赫兹波首先经过第一透镜组的两个聚烯烃透镜后聚焦至待检测样品6的表面，并在待检测样品6的表面反射后携带了待检测样品6的信息，然后太赫兹波经过第二透镜组的两个聚烯烃透镜后被光电导接收天线52接收，并转化为相应的电信号。

请参阅图8和图9，传统的光纤拉伸器使用压电陶瓷拉伸光纤，这些压电体通常由大功率高压源驱动，驱动器成本高，高压电源也容易对周围电路造成干扰，不利于设备集成。本实施例提供的光纤拉伸***4包括用于对激光进行分束的第一耦合器43、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器44、用于将光信号转换为电信号的光电探测器45和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置46。优选地，显示装置46为示波器，从而可以将电信号转化为可视化的时域波形。

为了便于描述，两个光纤拉伸器分别记为第一光纤拉伸器4101和第二光纤拉伸器4102。光分束器3通过光纤10与第一耦合器43连接，第一耦合器43通过光纤10同时与第一光纤拉伸器4101、第二光纤拉伸器4102连接，第一光纤拉伸器4101、第二光纤拉伸器4102通过光纤10均与第二耦合器44连接，第二耦合器44通过光纤10与光电探测器45连接，光电探测器45与显示装置46连接。

其中，与第一光纤拉伸器4101连接的光纤10缠绕在第一光纤拉伸器4101的外表面，与第二光纤拉伸器4102连接的光纤10缠绕在第二光纤拉伸器4102的外表面。第一光纤拉伸器4101所在的一端为参考臂，第二光纤拉伸器102所在的一端则作为信号臂。

本实施例提供的光纤拉伸***4的工作原理如下：

激光经过光纤10传输到第一耦合器处；

激光经过第一耦合器43后分成两束，一束通过缠绕在第一光纤拉伸器4101的光纤10传输到第二耦合器44处，另一束通过缠绕在第二光纤拉伸器4102的光纤10传输到第二耦合器44处；

两束到达第二耦合器44的激光经过第二耦合器44后合并成一束，并通过光纤10传输到光电传感器45处；

光电传感器45将接收到的光信号转变为电信号，并将电信号传递到显示装置46处；

显示装置46将电信号转换为可视化图形并进行显示。

具体地，当作为参考臂的第一光纤拉伸器4101处的光纤10和作为信号臂的第二光纤拉伸器4102处的光纤10的拉伸长度一致时，两束激光所经历的光程一样，因此光程差为零；然后，对作为信号臂的第二光纤拉伸器4102施加三角波调制信号，从而使得经过第二光纤拉伸器4102处的光纤10传输的激光的光程与经过第一光纤拉伸器4101处的光纤10传输的激光的光程不同，从而产生光程差；由于两束激光传递到第二耦合器后合并成一束，当合并后的激光传输到光电传感器45处时会发生干涉；通过对干涉信号进行分析，即可获得光程差，从而获得光纤的拉伸长度。

应当理解的是，第一光纤拉伸器4101与第二光纤拉伸器4102完全相同，从而可有效保证当电机处于初始状态、光纤10以相同的方式缠绕在第一光纤拉伸器4101或第二光纤拉伸器4102时，其光程差为零。将第一光纤拉伸器4101所在的一端作为参考臂，目的是为了解决因绕接弯曲而造成的光效应干涉条纹对比度降低的问题。

请参阅图9，进一步地，光纤拉伸器包括伸缩杆411、可驱动伸缩杆411进行伸缩的电机412和用于缠绕光纤10的伸缩部413，伸缩杆411的一端与电机412连接，伸缩杆411的另一端与伸缩部413连接并可带动伸缩部413扩张或收缩。

光纤拉伸器的工作原理如下：首先将电机412固定，并将电机412与伸缩杆411的一端连接，然后将伸缩杆411的另一端与伸缩部413连接，然后将光纤10缠绕在伸缩部413上；当需要对光纤10进行拉伸时，电机412接通电源，并根据需要驱动伸缩杆411伸长，从而可带动伸缩部413进行扩张，进而可带动缠绕在伸缩部413上的光纤10进行拉伸；当不需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411回缩，从而可带动伸缩部413进行收缩，进而使得缠绕在伸缩部413上的光纤10收缩。

这样设置的有益效果在于：由于采用电机412驱动伸缩杆411运动、进而带动伸缩部413运动的方式对光纤10进行拉伸，从而可有效增大光纤10的拉伸长度，进而可增加激光在光纤10中的传输长度，从而增大了光程扫描范围。

进一步地，伸缩部413包括第一伸缩部4131和第二伸缩部4132，电机412设于第一伸缩部4131和第二伸缩部4132之间，且电机412与第一伸缩部4131固定连接，伸缩杆411也设于第一伸缩部4131和第二伸缩部4132之间，且伸缩杆的411另一端与第二伸缩部4132连接，光纤10缠绕在第一伸缩部4131和第二伸缩部4132的外表面。

当需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411伸长，伸缩杆411带动第二伸缩部4132向远离第一伸缩部4131的方向运动，从而使得伸缩部413整体向外扩张，进而带动缠绕在第一伸缩部4131和第二伸缩部4132表面的光纤10进行拉伸；当不需要对光纤10进行拉伸时，电机412驱动伸缩杆411回缩，从而使得第二伸缩部4132向靠近第一伸缩部4131的方向运动，从而伸缩部413整体收缩，进而带动缠绕在第一伸缩部4131和第二伸缩部4132表面的光纤10收缩。

由于伸缩部413包括可相对运用的第一伸缩部4131和第二伸缩部4132，从而通过第一伸缩部4131和第二伸缩部4132的相对运动带动光纤10进行拉伸和收缩，不仅运动方式简单灵活，而且光纤10的拉伸长度容易调节，且可有效增大光纤10的拉伸长度，增大了光程扫描范围。

进一步地，第一伸缩部4131为第一半圆柱体，第一半圆柱体缠绕光纤10的表面为曲面；第二伸缩部4132为第二半圆柱体，第二伸半圆柱体缠绕光纤10的表面为曲面。优选地，第一伸缩部4131和第二伸缩部4132构成一个圆柱体，且第一伸缩部4131和第二伸缩部4132尺寸相同。由于光纤10缠绕在第一半圆柱体和第二半圆柱体的曲面上，因此光纤10在拉伸和收缩时更加平滑，从而使得光纤10的拉伸和收缩更加自然和精确，也防止了光纤10在拉伸和收缩过程中被损坏。

优选地，第一伸缩部4131的材料为金属，第二伸缩部4132的材料为金属。因此第一伸缩部4131和第二伸缩部4132质地坚硬，能更好地带动光纤10进行拉伸和收缩。应当理解的是，第一伸缩部4131的材料也可为其它质地坚定的材料，第二伸缩部4132的材料也可为其它质地坚硬的材料。

进一步地，电机412的数量为两个，伸缩杆411的数量相应为两个，两个电机412沿第一伸缩部4131的轴向排列固定，每个电机412均连接一个伸缩杆411，两个伸缩杆411的另一端均与第二伸缩部4132连接。优选地，两个电极412分别固定连接在靠近第一伸缩部4131的两端的位置，从而使得第一伸缩部4131在运动过程中更加平稳，进而使得光纤10的拉伸和收缩更加平稳。

在本实施例中，电机412连接有电机驱动器，通过对电机驱动器进行控制，从而实现对电机412的运动方式的控制，进而对光纤拉伸器进行控制。光纤拉伸器对缠绕在伸缩部413上的光纤10的最大拉伸量为6cm,从而可以实现延时200ps。

请参阅图10，进一步地，光电导接收天线52与数据处理机构7之间还设有锁相放大模块8。由于经过光电导接收天线52转化的电信号能量较低，因此需要通过电流放大器放大后进入锁相放大模块8二次放大，然后再传输到数据处理***7进行处理和分析。

为了压缩噪声的带宽，并提高信噪比，需要对信号进行放大和去噪声处理。锁相放大模块8在提取强噪声中的微弱信号时具有抗干扰能力强、信号精确度高等特点，并且能获取被测量信号的大小和方向的变化，因而可广泛应用于信号检测。

锁相放大模块8包括信号通道、参考通道、相敏检波器84(简写为PSD)和低通滤波器85。信号通道包括与光电导接收天线52连接的锁相放大器81，其作用是先把伴有噪声的被以参考信号相同频率调制的输入信号放大，并经选放初步减小噪声。参考通道包括依次连接的方波信号源82和移相器83，其作用是提供一个与输入信号同相位的参考信号，参考信号为方波信号。移相器83和锁相放大器81均与相敏检波器84相连，相敏检波器84的作用是对输入信号和参考信号进行混频，输出和频信号和差频信号。相敏检波器84与低通滤波器85相连，低通滤波器85的作用是将和频信号滤除，仅保留差频信号。保留的差频信号进行放大处理后输出。在本实施例中，为实现低成本小体积的锁相放大器，采用平衡调制解调器进行锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱太赫兹信号，其动态范围宽，达到100dB，能检测pA级的信号。

进一步地，数据处理***7包括数据处理模块71和对待检测样品6进行识别的计算机72，数据处理模块71通过网线与计算机72连接，数据处理模块71与锁相放大模块8连接。

进一步地，数据处理模块71也具有控制作用，可以控制太赫兹检测装置的各个***的工作状态。具体地，数据处理模块71可以对激光***1的工作状态进行控制，从而控制激光***1是否开始工作。数据处理模块71可以通过电机驱动器控制电机412的运动状态，从而控制光纤拉伸***4的工作状态。数据处理模块71可以对光电导发射天线51的工作状态进行控制，从而控制光电导发射天线51是否发射太赫兹波。同时数据处理模块71也可以对锁相放大模块8的工作状态进行控制。

数据处理模块71采用等效采样方法提取时域电场信号，并通过光纤拉伸***4改变两个激光脉冲之间的时间延迟，将高频、快速信号转变为低频、慢速信号进行处理，从而准确重建太赫兹波形，实现太赫兹信号的有效采集及分析及噪声抑制。

虽然利用光电导探测技术可以得到一个正比于太赫兹辐射场的瞬变电流，但由于太赫兹时域信号大约在皮秒(ps)量级甚至更短，电流响应时间上升沿基本都在亚皮秒量级，普通的电流探测器很难测到该信号，因此需要利用等效时间采样技术提取太赫兹时域电场信号。由于激光脉冲为飞秒激光脉冲，其持续时间远小于太赫兹脉冲的持续时间，通过改变两个激光脉冲之间的时间延迟，可以把高频、快速信号转变为低频、慢速信号处理，在重复信号的每个周期或相隔几个周期取一个样，而每个取样点分别取自每个输入信号波形不同的位置上，若干个取样点组成一个周期，可以组成类似于原信号一个周期的波形，进而可以提取出太赫兹波形。

进一步地，计算机72采用的易燃易爆物品识别算法为反射式太赫兹时域光谱***(简写为THz-TDS***)的识别算法。

常见的THz-TDS***可分为两类：透射式和反射式。利用透射式THz-TDS技术通过测量各类物质的透射谱，提取光学参数，从而对物质进行识别。然而采用透射式THz-TDS技术进行测量时需要和物质的两端接触，对液体、特别是在太赫兹波段具有很强吸收性的液体，透射式THz-TDS技术在实用性和通用性上都有极大的瓶颈。相对而言，采用反射式THz-TDS技术时，由于太赫兹波仅在容器内壁界面上和液体作用、而不需要透射过液体，因此在液体强吸收性的问题上展现出了优越性。

传统利用反射式THz-TDS技术对不同液体进行识别检测时，在数据处理的过程中需要把时域信号转换到频域；然而在实际应用中由于容器壁往往很薄，参考信号和检测信号相距很近，使得数据处理困难，因此该方法实用程度不高，不能适应不同厚度的容器或包装。

本实施例提供的太赫兹检测装置利用不同物质的折射率不同、从而导致检测信号光脉冲的振幅和形状不相同的特性，针对时域的检测信号光脉冲，利用模式识别的方法对容器或包装内的物品成分进行判别。

本实施例提供的太赫兹检测装置的易燃易爆物品识别算法的过程为：

首先利用主成分分析进行数据降维，实现数据的特征提取；

利用人工智能算法(例如可采用线性判别分析或支持向量机算法设计)，对物品安全与否进行判别。

由于无需进行傅里叶变换转换到频域再分析，因而可以减少物质判别的时间。

请参阅图11和图12，以检测饮料成分为例，说明本实施例利用太赫兹时域光谱技术危险品识别的方法。太赫兹脉冲611在空气、液体瓶602和液体601中传播时，分别在空气与瓶外壁603接触处、瓶内壁604与液体601接触处发生两次反射。反射率的菲涅尔公式为：

其中n₁、n₂为相接触的两种材料的折射率，θ角为入射角。

第一次测量太赫兹脉冲611在空气、液体瓶602和空气界面上传播，可以获得第一反射脉冲612，从而可以测量出液体瓶602的材料的介电常数和厚度；当得到液体瓶602的材料参数后，再进行一次在空气、液体瓶602的瓶内壁604和液体601界面的测量，可以获得第二反射脉冲613，通过数据处理后可以得到液体601的介电常数。

不同的液体601在反射不同形状的太赫兹脉冲。对不同液体的反射脉冲形状进行主成分分析，计算得到其累积方差值，累积方差公式如下：

其中，N为校准样品集中样品的数量，是样品的第i个参考值，是样品的第i个预测值。对累积方差值进行阈值判断，超过阈值则为危险品。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹检测装置，其特征在于：包括用于产生激光的激光***、用于对所述激光进行色散补偿的色散补偿***、光分束器、用于对所述激光进行延时扫描的光纤拉伸***、用于产生和接收太赫兹波并对待检测样品进行检测的样品检测***和用于对测试数据进行分析的数据处理***，所述激光***通过光纤与所述色散补偿***连接，所述色散补偿***通过光纤与所述光分束器连接，所述光分束器通过光纤同时与所述光纤拉伸***、所述样品检测***连接，所述光纤拉伸***通过光纤与所述样品检测***连接，同时所述样品检测***与所述数据处理***连接。

2.如权利要求1所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述激光***包括依次连接的激光器、可饱和吸收体、光耦合器、增益光纤和光纤光栅，所述光耦合器与所述可饱和吸收体连接的一侧还连接有泵浦源。

3.如权利要求2所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述激光***还包括重复频率锁定机构，所述重复频率锁定机构用于锁定所述激光器产生的激光的频率，所述激光器设有可用于调节其激光腔的腔长的压电陶瓷，所述重复频率锁定机构与所述压电陶瓷连接，同时所述重复频率锁定机构与所述激光器连接。

4.如权利要求3所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述重复频率锁定机构包括依次连接的光电探测器、带通滤波器、混频器、环路滤波器和高压放大器，所述光电探测器与所述激光器相连，所述高压放大器与所述压电陶瓷连接，所述混频器连接所述带通滤波器的一侧还连接有基准信号发生器，所述基准信号发生器锁定在铷钟上。

5.如权利要求1所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述色散补偿***包括用于调整所述激光传输方向的光纤环形机构，用于对所述激光进行色散补偿、且色散补偿量相反的第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅，所述光纤环形机构设有用于与光纤连接的输入端，所述光纤用于传输所述激光，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅均与所述光纤环形机构连接，且所述激光依次通过所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅后从所述光纤环形机构中出射，所述第一啁啾光纤光栅和所述第二啁啾光纤光栅的色散补偿量的绝对值不相等。

6.如权利要求1所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述样品检测***包括用于产生太赫兹波的光电导发射天线、用于接收所述太赫兹波的光电导接收天线和用于对所述太赫兹波进行聚焦的光学组件，所述光电导发射天线与所述光分束器连接，所述光电导接收天线与所述光纤拉伸***连接且所述光电导接收天线与所述数据处理***连接。

7.如权利要求6所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述光学组件包括用于将所述光电导发射天线产生的太赫兹波聚焦在所述待检测样品上的第一透镜组和用于将经过所述待检测样品后的太赫兹波聚焦在所述光电导接收天线的第二透镜组。

8.如权利要求6所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述光纤拉伸***包括用于对激光进行分束的第一耦合器、两个光纤拉伸器、用于对激光进行合束的第二耦合器、用于将光信号转换为电信号的光电探测器和用于将电信号转化为可视化图形的显示装置，所述光分束器与所述第一耦合器通过光纤连接，所述第一耦合器同时与两个所述光纤拉伸器通过光纤连接，两个所述光纤拉伸器均与所述第二耦合器通过光纤连接，所述第二耦合器与所述光电探测器通过光纤连接，所述光电探测器与所述显示装置连接。

9.如权利要求6所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述光电导接收天线与所述数据处理***之间还设有锁相放大模块。

10.如权利要求9所述的太赫兹检测装置，其特征在于：所述数据处理***包括数据处理模块和对所述待检测样品进行识别的计算机，所述数据处理模块通过网线与所述计算机连接，所述数据处理模块与所述锁相放大模块连接。