一种基于cars效应的太赫兹波频率测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置及方法，激光器射出的激光依次垂直入射至分光镜和离轴抛物面镜，经分光镜和离轴抛物面镜反射后的激光和待探测光通过凸透镜聚焦后入射至样品，通过样品后的光一部分被挡板吸收，另一部分形成反斯托克斯光，挡板的后方设有用于探测反斯托克斯光的探测装置，步进移动平台的前方一侧设有标尺，标尺连接有用于采集狭缝位置信息的信息采集器。本发明装置具有测量范围广、灵敏度高、可靠性高、结构紧凑、成本低且能够在室温条件下工作的特点，适用于太赫兹科研领域以及太赫兹技术的实际应用领域，并可通过其测量方法得到精确可靠的待测光频率。
【专利说明】
一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电磁波检测技术，具体的说，是涉及一种基于空间折叠的相干反 斯托克斯(简称BOX CARS)效应测量太赫兹(THZ)的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来很多不同类型的太赫兹辐射源都得到了很大的发展，并且被广泛应用于成 像、光谱分析等领域中。在太赫兹光谱分析领域，太赫兹时域光谱技术由于通常只能实现数 十GHz的光谱分辨能力，在部分应用中已经不能满足实际的需求。在这样的背景下，人们提 出了各种较精确的方法来探测THZ的频率，但是都有不足之处，具体如下：
[0003] 目前太赫兹长波段频率测量普遍应用的是外差法，它是将被测信号与频率相当的 本地振荡信号差频，通过分析输出的中频信号来获得被测太赫兹波的频率。但是对于THz高 功率脉冲波，外差法仍存在以下两个缺陷:一是THz本地振荡源很少，而且价格昂贵;二是被 测THz脉冲波的脉冲宽度太短，无法保证本地连续波信号与脉冲波混频的效果，从而影响了 测量精度。
[0004] 还有一种测量THZ频率的方法是利用FP干涉仪去探测，FP干涉仪测量太赫兹波频 率的原理是太赫兹波垂直入射FP干涉仪后，当金属网栅对入射波的反射率较大时，透射光 发生多光束干涉，通过移动FP干涉仪两金属网栅间距调节透射光两相邻光束之间的光程 差，干涉光束经过透镜后会聚在探测器上。实验通过采集FP干涉仪两金属网栅的不同间距 所对应的透射光强，进行曲线拟合，便可得出相邻两个光强峰值的间距，计算出太赫兹频 率。其特点是干涉仪精细度高，测量结果准确，缺点是需要采用特殊技术制作金属网栅，且 制作的金属网栅的线宽，厚度以及周期都处于微米量级，难于保存，此外，构建Fabry-Perot 干涉仪时难于安装及保证两金属网栅的平行度。改进这种方法选用有衬底的金属网栅构建 Fabry-Perot干涉仪来测量窄线宽太赫兹辐射波长时有紧凑，易于安装、调节、保证平行度， 便于保存的优势，但是精细度随之降低。
[0005] 除了上面的两种THZ频率探测方法，还有工作在太赫兹波段的傅里叶变换光谱仪 也可以用于测量THZ的频率谱，但是该技术使用的探测器只有在液氮冷却的温度条件下才 能进行低频太赫兹波探测和高灵敏度探测。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于空间折叠的相干反斯 托克斯效应(BOX CARS)的太赫兹频率测量装置及方法，这种装置具有测量范围广、灵敏度 高、可靠性高、结构紧凑、成本低且能够在室温条件下工作的特点，适用于太赫兹科研领域 以及太赫兹技术的实际应用领域，并可通过其测量方法得到精确可靠的待测光频率。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，包括激光器、分光镜、离轴抛物面 镜、凸透镜、样品、挡板、步进移动平台和计算机，所述激光器射出的激光依次垂直入射至分 光镜和离轴抛物面镜，经分光镜和离轴抛物面镜反射后的激光和待探测光通过所述凸透镜 聚焦后入射至所述样品，通过所述样品后的光一部分被所述挡板吸收，另一部分形成有反 斯托克斯光，所述挡板的后方设有用于探测所述反斯托克斯光的探测装置，所述探测装置 由依次设置在所述步进移动平台上的狭缝、准直元件、色散元件、聚焦元件和CCD检测器构 成，所述步进移动平台的前方一侧还设有标尺，所述标尺连接有用于采集狭缝位置信息的 信息采集器，所述信息采集器、CCD检测器和步进移动平台均通过线缆与所述计算机相连。
[0009] 所述激光器由连续宽带激光器构成。
[0010] 所述离轴抛物面镜的表面镀有金属金。
[0011] 所述标尺的精度为纳米级或纳米级以下。
[0012] -种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0013] (1)打开激光器，移动步进移动平台，使探测装置随着步进移动平台移动；
[0014] (2)探测装置在移动过程中探测到反斯托克斯光信号增强的点，通过标尺和计算 机记录该时刻下探测装置的位置数据；
[0015] (3)通过待探测光的频率计算公式得到待测光频率；
[0016] (4)为使测量数据精确可靠，在所述测量装置的基础上相对应地增加两个分光镜、 一个凸透镜，一个样品和一个挡板，从上往下移动步进移动平台，使探测装置随着步进移动 平台移动；
[0017] (5)通过步骤(2)使探测装置在移动过程中探测到两个反斯托克斯光信号增强的 点，分别记录下两个时刻下探测装置的位置数据；
[0018] (6)通过步骤(3)得到两个待测光频率，若这两个待测光频率的值相差较大，则重 新测量;若相差微小，则取两者平均值后作为最终的待测光频率，以消除随机误差。
[0019] 步骤(4)中所述两个分光镜的其中一个的参数为1/4反射率、3/4透射率;另一个的 参数为1 /3反射率、2/3透射率。
[0020] 步骤(4)中在所述测量装置的基础上相对应地增加多组分光镜、凸透镜，样品和挡 板，通过步骤(2)记录下多组探测装置的位置数据，通过步骤(3)得到多组待测光频率，若多 组待测光频率的值相差微小，则取多组待测光频率的平均值后作为最终的待测光频率。
[0021] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0022] 1.本发明测量装置成本低、误差小、精度高，并且具有较快的测量速度，可以广泛 应用于从事研究太赫兹相关领域的实验室中。
[0023] 2.测量范围广，除了可以测量整个THZ波段的频率，还可以测量远红外和微波波段 的电磁波频率。
[0024] 3.装置整体搭建完毕后，测量时只需步进移动平台来获取反斯托克斯光信号出现 增强点时探测装置的位置数据，最终由计算机完成数据采集及计算，操作方便，测量速度 快。
[0025] 4.可在测量装置的基础上相对应地增加多组分光镜、凸透镜，样品和挡板，从而测 得多组待测光频率，取组待测光频率的平均值后作为最终的待测光频率，使得测量数据精 确可靠，精度高。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的结构示意图。
[0027] 图2是频率测量中相位匹配原理示意图。
[0028] 图3是本发明其中一实施例的结构示意图。
[0029]附图标记：1_激光器2-待探测光3-分光镜4-离轴抛物面镜5-凸透镜6-样品 7_挡板8-标尺9-狭缝10-准直元件11-色散元件12-聚焦元件13-CXD检测器14-步进 移动平台15H十算机16-彳目息米集器
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：
[0031] 如图1所示，一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，包括激光器1、分光镜3、 离轴抛物面镜4、凸透镜5、样品6、挡板7、步进移动平台14和计算机15，激光器1由连续宽带 激光器构成，用于发射连续宽带的激光;离轴抛物面镜4用于转折光路，其表面镀有金属金； 凸透镜5用于将两束激光和一束待探测光2汇聚于样品6上，待探测光2为需要探测的光，本 实施中将其频率设为ω 2;样品6选用拉曼频移较大的并使其位于凸透镜5的焦点处;挡板7 用于过滤一些不需要的光。
[0032] 激光器1射出的激光依次垂直入射至分光镜3和离轴抛物面镜4,本实施例中分光 镜的参数为1/2透射率、1/2反射率，经分光镜3和离轴抛物面镜4反射后的激光和待探测光2 通过凸透镜5聚焦后入射至样品6,通过样品6后的光一部分被挡板7吸收，另一部分形成有 反斯托克斯光，挡板7的后方设有用于探测反斯托克斯光的探测装置，探测装置由依次设置 在步进移动平台14上的狭缝9、准直元件10、色散元件11、聚焦元件12和(XD检测器13构成， 狭缝9的作用是在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点;准直元件10使狭缝9发出的 光线变为平行光;色散元件11通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束； 聚焦元件12聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝9的像，其中每一像点 对应于一特定波长;CCD检测器13放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。步进移动 平台14的前方一侧还设有用于观察和标定狭缝9位置的高精度的标尺8,标尺8的精度为纳 米级或纳米级以下;标尺8连接信息采集器16,信息采集器16、CCD检测器13和步进移动平台 14均通过线缆与计算机15相连，计算机15的程序控制步进移动平台14沿标尺8的方向步进 运动，信息采集器16将出现了反斯托克斯光信号增强时的狭缝9的位置数据传给计算机15， 计算机15运行测量程序，读取信息采集器16输出的数字电压值，对步进移动平台14发出工 作指令，最终为用户计算得出测量结果。
[0033]本发明测量装置的原理如下：
[0034] 如图1所示：由于激光器1是一个宽带激光器，包含了各种频率，于是其中必然存在 某个频率〇^满足公式(1.1)
[0035] ωι-ω2 = ων 公式（1.1)
[0036] 式中：ων为样品6的拉曼活性的振动频率，其中ων是确定的已知量。
[0037] ω2是待探测光2的频率。〇^是激光器1入射的激光频率，共有两束：由连续的宽带 激光器1发射的光在前期光路中一分为二，一部分通过了凸透镜5的上方，一部分通过了凸 透镜5的下方。
[0038]由相干反斯托克斯拉曼光谱学(CARS)理论可知:这两个入射光对应于受激拉曼散 射的栗浦光（ω 1= gh)和斯托克斯光（ω 2= ω s)。频率为ω ω 2的光通过受激拉曼散射产 生了粒子数密度很大的振动激发态分子。作为非线性介质，这些激发态分子利用频率ω :的 入射光产生《a = 2 ω广^^的反斯托克斯光。如图2所示，在满足相位匹配条件 2万=/7； +/7； =/7 (〗:由此式计算可得)后，得到的反斯托克斯光信号的强度将会比自发拉曼光 谱信号大1〇4~1〇5倍。
[0039]本发明专利利用空间折叠的相干反斯托克斯(BOX CARS)取代通常使用的共线的 相干反斯托克斯(CARS)。从而克服了一个缺陷（彼此平行的两束入射激光和信号光束在空 间上是重叠的，必须用昂贵的光谱滤波片将他们区分开来）。本实施例中选用的是价格较低 的连续宽带激光器。选择一个拉曼活性的振动频率较高的样品6,探测装置随着步进移动平 台14移动，在满足相位匹配的一个位置，将会出现反斯托克斯光信号增强的点，记录下此刻 探测器的位置数据d。根据相关计算可以得到以下的方程组：
[0041] 式中石、ξ、ξ分别是的波矢，其方向及角度α如图1和图2所示；
[0042] $ .、勾、&、&分别是I.、冢:.、fg对应的模值，c是光速。
[0043] 再联立公式(1.1)，可得待测光频率的公式为：
[0045] 若要进一步提高精确度和可靠性，减少误差(样品性质微变、噪声信号干扰等），可 以在图1的基础上添加两个个分光镜3、一个凸透镜5和一种新的样品6,如图3所示。当探测 装置从上往下移动的时候，就会发现两个反斯托克斯光信号突增的位置，分别记录下位置 信息。按照公式（1.3)中的计算方式，就可以得到两个待测光的频率分别为如果 发现相差较大，那么就说明可能发生了材质的结构性质变化或者出现了较大的误 差，需要改善后重新测量;如果发现与基本相等，那么可以选取两者的平均值作为最 后的待测光的频率，以消除随机误差。
[0046] 进一步的，可以再添加多组分光镜、透镜和样品来采集一系列的出现反斯托克斯 光信号增强的位置点。从而可以计算出多组待测光频率^ U、……，如果 多组频率基本相等，则最终的待测光频率计算式为
[0048] -种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0049] (1)打开激光器1，移动步进移动平台14，使探测装置随着步进移动平台14移动；
[0050] (2)探测装置在移动过程中探测到反斯托克斯光信号增强的点，通过标尺和计算 机记录该时刻下探测装置的位置数据；
[0051] (3)通过待探测光的频率计算公式(1.3)得到待测光频率；
[0052] (4)为使测量数据精确可靠，在所述测量装置的基础上相对应地增加两个分光镜 3、一个凸透镜5,一个样品6和一个挡板7,从上往下移动步进移动平台14,使探测装置随着 步进移动平台14移动；
[0053] 图3中较为靠近的两个分光镜3中位于上面的参数为1/4反射率、3/4透射率；另一 个的参数为1/3反射率、2/3透射率；
[0054] (5)探测装置在移动过程中探测到两个反斯托克斯光信号增强的点，分别记录下 两个时刻下探测装置的位置数据；
[0055] (6)通过待探测光的频率计算公式得到两个待测光频率，若这两个待测光频率的 值相差较大，则重新测量;若相差微小，则取两者平均值后作为待测光频率，以消除随机误 差。
[0056] 优选的，在所述测量装置的基础上相对应地增加多组分光镜3、凸透镜5,样品6和 挡板7,从而通过步骤(2)、（3)测得多组待测光频率，若多组待测光频率的值相差微小，则采 用公式(1.4)计算得到最精确的待测光频率。
【主权项】
1. 一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，其特征在于，包括激光器、分光镜、离 轴抛物面镜、凸透镜、样品、挡板、步进移动平台和计算机，所述激光器射出的激光依次垂直 入射至分光镜和离轴抛物面镜，经分光镜和离轴抛物面镜反射后的激光和待探测光通过所 述凸透镜聚焦后入射至所述样品，通过所述样品后的光一部分被所述挡板吸收，另一部分 形成有反斯托克斯光，所述挡板的后方设有用于探测所述反斯托克斯光的探测装置，所述 探测装置由依次设置在所述步进移动平台上的狭缝、准直元件、色散元件、聚焦元件和CCD 检测器构成，所述步进移动平台的前方一侧还设有标尺，所述标尺连接有用于采集狭缝位 置信息的信息采集器，所述信息采集器、CCD检测器和步进移动平台均通过线缆与所述计算 机相连。2. 根据权利要求1所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，其特征在于，所述 激光器由连续宽带激光器构成。3. 根据权利要求1所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，其特征在于，所述 离轴抛物面镜的表面镀有金属金。4. 根据权利要求1所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置，其特征在于，所述 标尺的精度为纳米级或纳米级以下。5. 根据权利要求1所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置的测量方法，其特 征在于，包括以下步骤： (1) 打开激光器，移动步进移动平台，使探测装置随着步进移动平台移动； (2) 探测装置在移动过程中探测到反斯托克斯光信号增强的点，通过标尺和计算机记 录该时刻下探测装置的位置数据； (3) 通过待探测光的频率计算公式得到待测光频率； (4) 为使测量数据精确可靠，在所述测量装置的基础上相对应地增加两个分光镜、一个 凸透镜，一个样品和一个挡板，从上往下移动步进移动平台，使探测装置随着步进移动平台 移动； (5) 通过步骤(2)使探测装置在移动过程中探测到两个反斯托克斯光信号增强的点，分 别记录下两个时刻下探测装置的位置数据； (6) 通过步骤(3)得到两个待测光频率，若这两个待测光频率的值相差较大，则重新测 量;若相差微小，则取两者平均值后作为最终的待测光频率，以消除随机误差。6. 根据权利要求5所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置的测量方法，其特 征在于，步骤(4)中所述两个分光镜的其中一个的参数为1/4反射率、3/4透射率；另一个的 参数为1 /3反射率、2/3透射率。7. 根据权利要求5所述一种基于CARS效应的太赫兹波频率测量装置的测量方法，其特 征在于，步骤(4)中在所述测量装置的基础上相对应地增加多组分光镜、凸透镜，样品和挡 板，通过步骤(2)记录下多组探测装置的位置数据，通过步骤(3)得到多组待测光频率，若多 组待测光频率的值相差微小，则取多组待测光频率的平均值后作为最终的待测光频率。
【文档编号】G01J3/44GK106092321SQ201610493507
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】郑伟, 徐德刚, 许浩展, 孙忠诚
【申请人】天津大学