[发明专利]一种太赫兹频域光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹频域光谱仪，特别涉及一种基于光子混频以及带太赫兹天线的光电转换器的太赫兹频域光谱仪。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz)波介于毫米波与红外光两者之间，对应的波长从3mm到30μm，通常是指频率从100GHz到10THz的宽频谱电磁波。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹辐射源与传统非相干光源相比，具有相干性好、量子能量低、穿透性强等特性，因此它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境检测、食品检测、射电天文、卫星通讯和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。

太赫兹波对非极性物质具有很高的透射性，通过测量服装、药品、毒品、病毒和建材等非极性材料的透射谱，能够实现对这些材料的无损检测、品质评估和真假甄别，因此基于太赫兹波辐射技术的频谱仪市场前景巨大。当前的太赫兹频谱仪，分为时域频谱系统和频谱频谱系统两大类：

第一类：太赫兹时域光谱系统的核心是首先测量参考(一般为空气)和样品的时域谱，再对测量到的信号进行傅立叶变换，得到参考(一般为空气)和样品的频域谱。对两频谱进行简单的处理即可获得样品的吸收系数和折射率。这种技术的缺陷是：

(1)飞秒激光器的体积大、成本高，限制了系统的普及和推广。使用光纤飞秒激光器的系统可以在一定程度上克服体积大的问题，但成本难以降低；

(2)系统中延迟线的存在，降低了系统的稳定性；

(3)系统的频谱分辨率与测得时域信号的长度成反比，而时域信号的长度由延迟线的可调节长度决定。延迟线的可调节长度较短，所以一般的太赫兹时域光谱系统的频谱分辨率较低。

第二类：太赫兹频域光谱系统的核心是利用频率可调谐的窄带、相干太赫兹辐射源完成频谱的扫描，用太赫兹波能量/功率计测量不同频率的太赫兹波的能量，实现频谱的直接测量。其缺陷是：

(1)最常见的太赫兹能量/功率计是热辐射计(Si-Bolometer)，必须工作在液氦温度下，使用成本高昂，工作效率低、难以走出实验室，极大的限制了这种技术的使用；

(2)用热辐射计作为探测器，难以使太赫兹频谱仪向小型化、紧凑型。便携式等方向迈进，缺乏市场竞争力。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种太赫兹频域光谱仪，体积小，测谱时间短，频谱范围宽，频谱分辨率高，室温工作。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种太赫兹频域光谱仪，包括：激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环、带太赫兹辐射天线的光电转换器、带太赫兹探测天线的光电转换器、两个太赫兹聚焦元件；其中，激光器输出的连续光经其中一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，然后通过移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲与第二路光一起通过另一个光纤耦合器被分为第三路和第四路，第三路辐射在带太赫兹辐射天线的光电转换器上，产生光生载流子，在偏置电场的加速下，光生载流子加速运动产生变化的电流，辐射出一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲；这些太赫兹脉冲经过两个太赫兹聚焦元件后同第四路光脉冲一起辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上，第四路光脉冲辐射在带太赫兹探测天线的光电转换器上产生光生载流子，在太赫兹电场的加速下，光生载流子加速运动产生电流，此电流正比于太赫兹电场，测得电流即测得了太赫兹电场，从电流时序中读得太赫兹的频率，联合太赫兹电场的值，即可获得太赫兹的光谱。