本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法。

背景技術(shù)：

以下對本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。

太赫茲時域光譜(Terahertz time domain spectroscopy,THz-TDS)技術(shù)是太赫茲技術(shù)的典型代表，是一種新興的、非常有效的相干探測技術(shù)。由于許多大分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)動、振動能級都在太赫茲頻段，因此太赫茲時域光譜技術(shù)可用于一些違禁藥品的鑒定；另一方面，利用太赫茲時域光譜技術(shù)可獲得材料在太赫頻段的透射率、反射率，可間接計算出材料在太赫茲頻段折射率、消光系數(shù)、介電常數(shù)等，為在太赫茲頻段材料特性研究提供了測量手段。

THz-TDS技術(shù)作為一種較為的太赫茲測試技術(shù)，由于其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，使其在近十年間得到了快速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。但是目前THz-TDS技術(shù)的光譜分辨率與窄波段技術(shù)相比還很粗糙，其測量的頻譜范圍也比傅立葉變換光譜(FTS)技術(shù)小。提高光譜分辨率和擴(kuò)大測量頻譜范圍將是未來THz-TDS技術(shù)發(fā)展的主要方向。

太赫茲時域光譜系統(tǒng)中利用電光晶體的電光效應(yīng)探測太赫茲波能夠獲得較寬的頻譜和較高的動態(tài)范圍，是其它探測方法(如光電導(dǎo)取樣)所無法比擬的，因此該被方法廣泛應(yīng)用于太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，被認(rèn)為是一種理想的太赫茲波探測手段，其探測原理如圖1所示，當(dāng)僅有線偏振的探測激光經(jīng)過電光晶體后，線偏振的探測激光的偏振方向并不改變，調(diào)節(jié)1/4波片可使出射激光為圓偏振，經(jīng)過沃拉斯頓棱鏡，探測激光分為兩束正交偏振且等光強(qiáng)的激光，進(jìn)入雙眼探頭，雙眼探頭將光信號轉(zhuǎn)化為電信號作差后,其差分信號為零。當(dāng)有太赫茲波和線性偏振的探測激光脈沖同時經(jīng)過電光晶體后，太赫茲電場將調(diào)制電光晶體，發(fā)生普克爾效應(yīng)，使原本線性偏振的探測激光經(jīng)過電光晶體后的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，再經(jīng)過1/4波片后，以橢圓偏振出射，此時探測激光再經(jīng)過沃拉斯頓棱鏡時將被分成兩束正交偏振但光強(qiáng)不等的兩束激光，入射到雙眼探頭，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并作差，其差分信號正比于太赫茲波的電場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波電場的探測。盡管電光取樣探測太赫茲波有著很多優(yōu)勢，但也有一個缺點(diǎn)一直阻礙著電光取樣技術(shù)的應(yīng)用，即探測激光進(jìn)入晶體后會有一部分探測光會在電光晶體的前后表面發(fā)生多次反射、震蕩，并與太赫茲波發(fā)生多次相互作用，從而形成了太赫茲回波，這些回波并不是太赫茲波的真實(shí)反映，是由于探測激光在器件內(nèi)部反射后與太赫茲波再次作用造成的，因此在使用太赫茲光譜系統(tǒng)測量樣品時，只能保留回波之前的數(shù)據(jù)，這將嚴(yán)重影響可用太赫茲波的時域長度，從而影響太赫茲的頻譜分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是消除太赫茲時域光譜系統(tǒng)的系統(tǒng)回波，增加有效的太赫茲時域波形數(shù)據(jù)長度，提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)的頻譜分辨率。

本發(fā)明中的提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法，包括：將太赫茲時域光譜系統(tǒng)中的電光晶體設(shè)計為楔形，電光晶體的前表面與探測激光的光軸垂直、后表面與探測激光的光軸形成夾角；

使用吸波體遮擋住在所述電光晶體內(nèi)震蕩后出射的探測激光；

其中，太赫茲時域光譜系統(tǒng)包括：

開孔的離軸拋物面鏡，用于太赫茲波的聚焦；長焦激光透鏡，用于探測激光的聚焦；電光晶體和光電自平衡探測器，用于太赫茲波的探測；吸光體，用于遮擋和吸收在電光晶體內(nèi)多次震蕩的探測激光。

優(yōu)選地，探測激光的焦點(diǎn)與太赫茲波的焦點(diǎn)重合，并位于電光晶體的后表面。

優(yōu)選地，電光晶體的后表面為圓錐面，圓錐面的頂點(diǎn)位于探測激光的光軸上、且朝向電光晶體的前表面。

優(yōu)選地，電光晶體的后表面為二維平面。

優(yōu)選地，電光晶體的切割角滿足如下關(guān)系：

式中，θ為電光晶體的切割角，即圓錐面的母線與電光晶體前表面之間的夾角、或者二維平面與電光晶體前表面之間的夾角，單位為°；X為最小分開距離，L為探測激光在電光晶體內(nèi)傳輸一次的距離，單位為mm。

優(yōu)選地，X≥h；式中，h為聚焦后的光斑尺寸，單位為mm。

優(yōu)選地，吸光體設(shè)置在電光晶體的后表面上、或者設(shè)置在電光晶體后表面的后側(cè)。

優(yōu)選地，吸光體貼附在電光晶體的后表面上，吸光體的中心設(shè)置有通孔用于透射從電光晶體出射、且未在電光晶體內(nèi)震蕩的探測激光。

本發(fā)明將太赫茲時域光譜系統(tǒng)中的電光晶體設(shè)計為為楔形，電光晶體的前表面與探測激光的光軸垂直、后表面與探測激光的光軸形成夾角。通過設(shè)計電光晶體的切割角度能夠改變激光在晶體后表面的傳播方向，避免了在晶體內(nèi)多次震蕩的探測激光與太赫茲波發(fā)生多次重復(fù)相互作用后進(jìn)入探測器，消除回波，增加有效的太赫茲波測量數(shù)據(jù)，提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)的頻譜分辨率。

附圖說明

通過以下參照附圖而提供的具體實(shí)施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，在附圖中：

圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲時域光譜系統(tǒng)中探測部分的原理示意圖；

圖2是示出本發(fā)明提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法的原理示意圖；

圖3是示出本發(fā)明電光晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是示出本發(fā)明一種提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法所涉及到的探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，10、長焦激光透鏡；11探測激光；12太赫茲波；13’、現(xiàn)有技術(shù)中的電光晶體；13、本發(fā)明中的電光晶體；14、吸光體；15光電自平衡探測器；17、開孔的離軸拋物面鏡。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實(shí)施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲時域光譜系統(tǒng)的原理。太赫茲波12經(jīng)開孔離軸拋物面鏡17聚焦后照射到現(xiàn)有技術(shù)中的電光晶體13’的前表面，探測激光11經(jīng)長焦激光透鏡10聚焦后照射到現(xiàn)有技術(shù)中的電光晶體13’的前表面，從現(xiàn)有技術(shù)中的電光晶體13’后表面出射的探測激光進(jìn)入光電自平衡探測器15。從圖1中可以看出，探測激光經(jīng)過電光晶體時，會在電光晶體前后表面多次反射，太赫茲波與在晶體內(nèi)多次震蕩的探測激光發(fā)生相互作用，在探測到的太赫茲時域波形上將呈現(xiàn)出多個太赫茲脈沖波形，其中只有主峰(即時域波形上第一個出現(xiàn)的太赫茲波)為太赫茲脈沖波形的真實(shí)反映，其余均為回波。這些回波將嚴(yán)重影響可用太赫茲波的時域長度，從而影響太赫茲的頻譜分辨率。

為了解決這個問題，本發(fā)明提出了一種提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法，包括：將太赫茲時域光譜系統(tǒng)中的電光晶體設(shè)計為楔形，電光晶體的前表面與探測激光的光軸垂直、后表面與探測激光的光軸形成夾角；使用吸波體遮擋住在電光晶體內(nèi)震蕩后出射的探測激光。圖4示出本發(fā)明提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)頻譜分辨率的方法所涉及到的探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中開孔離軸拋物面鏡17用于太赫茲波的聚焦；長焦激光透鏡10用于探測激光的聚焦；電光晶體13和光電自平衡探測器15，用于太赫茲波的探測；吸光體14用于遮擋和吸收在電光晶體內(nèi)多次震蕩的探測激光。太赫茲波12經(jīng)開孔離軸拋物面鏡17聚焦后照射到電光晶體13的前表面，探測激光11經(jīng)長焦激光透鏡10聚焦后照射到電光晶體13前表面；從電光晶體13后表面出射的探測激光進(jìn)入光電自平衡探測器15。本發(fā)明的電光晶體13為楔形，其前表面與探測激光的光軸垂直、后表面與探測激光的光軸形成夾角。從圖2和圖3可以看出，一部分探測激光直接穿透電光晶體13與太赫茲波發(fā)生一次作用；還有一部分探測激光11進(jìn)入電光晶體13后，被電光晶體13反射到前表面，經(jīng)前表面反射后再次從后表面出射。由于本發(fā)明電光晶體13的后表面與前表面之間形成夾角，激光在晶體后表面的傳播方向發(fā)生改變，被電光晶體13再次反射的激光與直接穿透電光晶體13的激光之間分開一定的距離，避免避免探測激光以及太赫茲波在晶體內(nèi)部震蕩引起的干涉信號，提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)的頻譜分辨率。

此外，現(xiàn)有的回波消除方法主要有兩種，一種截去回波數(shù)據(jù)并補(bǔ)零，另一種方法通過數(shù)據(jù)處理方法濾去回波，兩種方法均采用后期數(shù)據(jù)處理的方法減小回波的影響，并不能從根源上消除回波，也不能完全消除回波的影響。本發(fā)明從產(chǎn)生回波的根源處著手，通過設(shè)計楔形的電光晶體有效消除回波的影響，改變激光在晶體后表面的傳播方向，避免探測激光和太赫茲波在電光晶體內(nèi)部的反射和相互作用，消除由非線性電光晶體引起的回波信號，提高可用時域波形長度，達(dá)到提高太赫茲時域光譜系統(tǒng)的頻譜分辨率的效果。

為了盡量提高光電自平衡探測器15的探測靈敏度，防止由于激光強(qiáng)度過小導(dǎo)致光電自平衡探測器15無法探測到有效激光，在一些實(shí)施例中，探測激光11的焦點(diǎn)與太赫茲波12的焦點(diǎn)重合，并位于電光晶體13的后表面。采用這種結(jié)構(gòu)形式，還能盡可能的使在電光晶體13中直接通過的探測激光11與震蕩后出射的激光光斑都相對較小，從而使兩激光更容易分開。

在圖2-4示出的優(yōu)選實(shí)施例中，電光晶體13的后表面為二維平面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，電光晶體13的后表面也可以是其他的結(jié)構(gòu)形式，只要能夠改變激光在電光晶體13內(nèi)的傳播方向即可。例如，電光晶體13的后表面可以圓錐面，圓錐面的頂點(diǎn)位于探測激光11的光軸上、且朝向電光晶體13的前表面。圓錐面的母線與電光晶體前表面之間的夾角、或者二維平面與電光晶體前表面之間的夾角記為電光晶體13的切割角。

本發(fā)明通過改變電光晶體13的切割角能夠改變探測激光11與回波之間的分開距離，因此，在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的最小分開距離確定電光晶體13的切割角。電光晶體13的切割角滿足如下關(guān)系：

式中，θ為電光晶體的切割角，即，單位為°；X為最小分開距離，L為探測激光在電光晶體內(nèi)傳輸一次的距離，單位為mm。

優(yōu)選地，最小分開距離X≥h；式中，h為聚焦后的光斑尺寸，單位為mm。激光的光斑尺寸可通過四象限探測器或尺子測量。

吸光體14用于吸收在電光晶體13內(nèi)部震蕩后出射后出射的回波。在圖2-4示出的實(shí)施例中，吸光體14設(shè)置在電光晶體13后表面的后側(cè)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以將吸光體14直接設(shè)置在電光晶體13的后表面上，例如，吸光體14貼附在電光晶體13的后表面上，吸光體14的中心設(shè)置有通孔(圖中未示出)用于透射從電光晶體13出射、且未在電光晶體13內(nèi)震蕩的探測激光11。

雖然參照示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細(xì)描述和示出的具體實(shí)施方式，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。