[发明专利]基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于单元胞立体相位光栅的被动式THz光谱仪，所述光谱仪由前置会聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、后置孔径光阑、窗口片、左线阵探测器、右线阵探测器、左线阵探测器控制处理系统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述单元胞立体相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，再通过归一化技术消除相位调制带来的光谱失真情况，得到目标的太赫兹辐射谱。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标太赫兹波段的光谱信息，适用于深空探测等相关领域。

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光谱测量仪，具体涉及一种能实时、高效获取被测 量目标太赫兹光谱信息的太赫兹光谱测量仪。所述被动式THz光谱仪由前置会 聚透镜、前置视场光阑、准直镜、单元胞立体相位光栅、后置会聚透镜、后置 孔径光阑、左线阵探测器、右线阵探测器，窗口片、左线阵探测器控制处理系 统、右线阵探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述单元胞立体 相位光栅采用特殊的单元胞结构，通过控制槽深，引入附加光程，对衍射太赫 兹波进行相位调制，使衍射太赫兹波的能量集中于±1级，所述探测器探测由窗 口片滤光后的±1级衍射光束，通过归一化技术消除由于相位干涉加强引入的失真，得到物体的太赫兹光谱。所述光谱仪能实时、高效获取被测量目标全太赫 兹波段的光谱信息，适用于深空探测等相关领域。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围内的电磁波，对应单光子能量 0.38meV到38meV，对应分子或分子基团的转、振动能级间光子的跃迁。通过 探测物质辐射的太赫兹谱能够提供物质的基本结构信息，如许多极性分子的振 动、转动频率，药物的基本成分和作用机理，电子材料的低能激励现象，固体 材料的声子，磁振子，等离子体激元及液体分子振动等激励现象。

在现阶段，太赫兹波段的探测仪器主要有两类仪器，一类为主动式太赫兹 探测仪器，另一类为被动式太赫兹探测仪器，主动式太赫兹探测仪器包括主要 两种，分别为远红外傅里叶变换光谱仪和太赫兹时域光谱仪。

远红外傅里叶变换光谱仪基于傅里叶变换技术实现光谱探测，具有多通道、 高通量的优点，但傅里叶光谱仪完成谱线测量依赖动镜的顺次扫描，不能实时 成谱；其次，傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本机构，其中分束器使入 射太赫兹波损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；第三，由于运动 部件的存在，傅里叶变换光谱仪存在能耗高、使用寿命较短的问题。

太赫兹时域光谱仪对太赫兹波的探测基于光电导天线或电光取样。在对物 体成像时，太赫兹时域光谱仪需要完成波长维和空间维的扫描，需要耗费大量 的时间，无法达到实时成谱的高要求。

对于这两种主动式太赫兹探测仪器，它们都存在一个共同问题，即需要适 合测量目标波段的光源器件。这个缺点限制了其在非实验室环境下的使用，无 法满足深空探测的要求。

在专利号为201710037295.3的专利文件中，介绍了一种被动式太赫兹探测 仪器，一种利用立体相位光栅和孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪， 这种光谱仪具有能量利用率高和实时成像的特点。但是，利用立体相位光栅和 孔径分割技术实现的静态傅里叶变换光谱仪所适用的领域不同；其应用领域为 远距离微弱太赫兹信号的成像和探测，并且，其结构较为复杂，占用体积较大， 无法满足在深空探测的高要求。

现有技术的缺点主要体现在以下方面：首先，现有技术都无法达到实时成 谱的要求；其次，傅里叶变换光谱仪由于体积、分束片的光损失和动臂的运动 等问题、太赫兹时域光谱仪由于成像时间等问题均无法满足在复杂多变环境下 的物质的光谱获取工作。最后，主动式的太赫兹探测仪器都需要光源并且对其 有一定要求，限制了该类仪器在非实验室环境下的使用，无法满足深空探测的 要求。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于单元胞立体相位光栅的 被动式THz光谱仪，适用于太赫兹光谱检测、分析。