[发明专利]时域光谱学中用于增加测量精度的连续参考

说明书

技术领域

本发明一般涉及时域系统和方法，以及更具体涉及用于时域光谱仪的技术，其使得样本脉冲的相位和幅值能够借助于参考脉冲而被追踪和校正，由此显著地增加时域光谱仪的测量精度。

背景技术

时域系统是用于测量物体属性的重要分析工具。近来，已经开发了被称为太赫（terahertz）时域光谱仪（THz-TDS）的太赫系统。这些系统通常使用对于均持续近10到几百飞秒的近红外激光脉冲，到均持续大约1皮秒的电磁秒冲（“T射线”）的可见物。T射线可以通过各种物体透射，使用透镜或反射镜的成像系统来聚焦或准直T射线。在T射线穿过受测试的物体时，它们通常被扭曲。T射线信号中的这些改变可以被分析，以确定物体的属性。可以通过测量穿过到检测器的T射线的（来自吸收、分散和反射的）扭曲量来表征材料。数字信号处理系统从Thz检测器获取数字化的数据，并在光谱或时间域中分析数据。

因为许多化合物以特有方式改变T射线（例如吸收或分散），所以分子或化学化合物示出了可被用作分子的“指纹”的强吸收线。T射线光谱学可以在材料内的不同化学成分之间进行区分，即使当物体在可见光中看起来一致。例如，太赫传感器可以被用来测量厚度与T射线的波长近似的纸的卡规测量厚度（caliper）、水分和基础重量。

在时域（太赫）光谱学（THz-TDS）中的幅值和相位测量的精度通常受到系统中噪声的限制。已经证明的是，THz-TDS中存在的噪声的主要类型通常是时基和幅值抖动，其由行进通过相同材料（或空气）的脉冲所表征，由于环境参数中的波动（例如，温度波动或振动）或硬件误差（例如，在延迟线中的编码器误差），该脉冲在稍微不同的时间并以稍微不同的幅值到达检测器。在一些特定的THz-TDS系统中，抖动对噪声有显著贡献，并因此限制了系统的测量精度。在其他的THz-TDS系统中，其是主要来自作为不精确的主要来源的激光器的倍增噪声（即，幅值噪声）。

现有技术努力减少抖动的不利影响，其集中在控制诸如温度的环境参数和最小化振动。此外，提高延迟阶段的质量也是重要的考虑。例如，Beselt的美国专利申请公布2010/0007955描述了大幅值高频率光延迟，其尤其适于在扫描太赫传感器系统中使用，该扫描太赫传感器系统采用了用作启动和返回光学器件的光纤。

发明内容

本发明部分基于对一种用于实现时域光谱学的装置的开发，该装置创建连续的一组参考脉冲，由此可以追踪和校正样本脉冲的相位和幅值。该装置可以在任何现有的时域光谱仪中被容易地采用，在任何现有的时域光谱仪中对幅值和相位两者都感兴趣。该装置的特征在于，当其在THz-TDS中被采用时，可以显著减少抖动的影响。而且，当结合THz-TDS使用本发明性技术时，发射器不必移开样本来收集进行进一步分析所需要的参考脉冲。这可以潜在地简化最终传感器的设计。

在一个方面中，本发明指向一种具有用于测量样本的至少一个属性的连续参考的装置，其包括：

辐射源，其生成辐射脉冲；

用于分裂辐射脉冲以产生参考辐射脉冲和样本辐射脉冲的装置，其中所述样本辐射脉冲被引导到样本；以及

检测器，被放置以用于接收所述参考辐射脉冲，其中所述参考辐射脉冲与所述样本不相互作用，以及其中所述检测器被放置以用于接收从所述样本出现（透射或反射）的所述样本辐射脉冲。

在一个方面中，本发明指向一种具有用于测量样本的至少一个属性的连续参考的时域光谱学装置，其包括：

发射器，其生成辐射脉冲；

用于分裂辐射脉冲以产生参考辐射脉冲和样本辐射脉冲的装置，其中所述样本辐射脉冲被引导到样本，并且其中所述参考辐射脉冲与所述样本不相互作用；

第一反射镜，被放置成反射已经通过所述样本透射或从所述样本反射的样本辐射；

第二反射镜，被放置成反射所述参考辐射脉冲；以及

检测器，被放置以用于接收所反射的参考辐射脉冲和所反射的样本辐射脉冲。

在又一方面中，本发明指向一种改善时域光谱学装置的精度的方法，所述装置包括生成辐射脉冲的发射器和接收从样本出现的辐射脉冲的检测器，所述方法包括以下步骤：

沿着在所述发射器和所述检测器之间的光路放置射束分裂器，以形成参考辐射脉冲和被引导到所述样本的样本辐射脉冲，并且所述参考辐射脉冲与所述样本不相互作用；

放置第一反射镜以将样本辐射脉冲反射到所述检测器；以及

放置第二反射镜以将参考辐射脉冲反射到所述检测器，并使用所反射的辐射脉冲来监测所述参考辐射脉冲的相位和幅值中的波动。