技术领域
[0001] 本
发明涉及一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统，采用透射式光路，用于解决现有利用反射镜实现扩束、
准直及聚焦作用的太赫兹反射光谱探测光路过于庞大，无法实现小型化手持式探测的情况。而本发明采用在THz和可见光波段均透明的TPX材料，降低透射式光路装调难度，适用于太赫兹时域光谱探测系统(THz-TDS)。通过小型化紧凑设计和除
水汽气密设计，保证本发明适用于任何工业、公共场所或科研环境，且具有出色性能与高度灵活性。
背景技术
[0002] 作为本世纪最重要的新兴学科之一，太赫兹技术在物质分析识别、检测材料内部
缺陷、评估涂层厚度和
密度以及集成
电路和超导体近场探针等多个领域有着巨大的应用价值。
[0003] 由于极性偶极子的振动和转动跃迁的能级在太赫兹
光子能量范围内，这使得很多有机分子在太赫兹
频率范围内具有很强的吸收和色散特性，不同物质的太赫兹光谱会呈现出不同的
频谱特征，即使是有相同化学键和分子式的
手性异构分子也具有不同的太赫兹
光谱特性，这为分子的构像提供了唯一的标识信息(指纹谱)。因此通过太赫兹时域光谱技术可以实现物质成分的
鉴别。
[0004] 在1984年，北美电话电报公司(AT&T)、Bell实验室以及IBM的Waston T.J.研发中心首先发展出太赫兹时域光谱(THz-TDS，Terahertz time-domain spectroscopy)技术，这一目前最为广泛研究的太赫兹技术。THz-TDS技术的原理是，通过测量穿过物体或从物体表面反射的脉冲太赫兹
辐射信号，获取材料的相关物理化学信息。利用THz-TDS技术，可以得到物质的太赫兹光谱，当前太赫兹技术的大部分应用都基于此。
[0005] 目前国内外的太赫兹光谱探测技术已经发展的较为成熟，其中最典型的有：英国的Teraview公司已经生产出了模
块化的TPS Spectra 3000太赫兹光谱仪，可以通过切换探测模块实现太赫兹探针、
透射光谱和反射光谱的探测；德国Toptica公司的TeraScan连续波太赫兹光谱分析系统和TeraFlash时域光谱分析平台；大恒新纪元科技股份有限公司作为牵头单位的国家重大科研仪器专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”，开展了太赫兹时域光谱仪的研制；北京遥测技术研究所完成了
门式太赫兹时域光谱安检仪样机的研制等。
[0006] 上述研制包括本发明基本都是基于THz-TDS理论，但是上述研制的共同问题都是没能实现反射光谱探测的光学系统小型化问题，并不能应用于工业、安检等领域的手持式探测系统中。
[0007] 与透射光谱探测手段相比，反射光谱探测具有固体物质及极性液体均可探测且探测
信噪比高等优点。对强烈吸收太赫兹波的极性液体材料，可以通过探测容器壁和液体分界面的太赫兹
电场变化，实现透射光谱无法实现的高信噪比探测，进而拓展了太赫兹光谱探测的应用范围。
[0008] 虽然国内外已经进行了较长时间的反射太赫兹光谱探测系统的探索与研究，但是目前可查的类似本发明思想的产品仍未见报道。这里以2011年美国德克萨斯州布鲁克斯城空军研究所研发的反射太赫兹光谱探测系统为例，说明本发明与其异同。
[0009] 据目前可查资料，2011年美国德克萨斯州布鲁克斯城空军研究所开发了一种用于
生物组织光学参量探测的紧凑型反射太赫兹光谱探测系统，已进行多次试验。该系统的太赫兹工作波段0.1-2.5THz，使用光电
开关技术产生宽带THz辐射，可以在0.1-1.6THz波段测量
乙醇、水、肌肉、脂肪组织和
皮肤的光学特性。
发明内容
[0010] 本发明解决的技术问题是：克服
现有技术的不足，提供一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统，用于实现太赫兹波均匀准直照射和漫反射光谱聚焦收发同置。
[0011] 本发明的技术方案：一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统，包括飞秒
激光器、光纤及
耦合器、THz发射器、光学延迟线、THz接收器、
放大器、计算机、准直镜组、缩束镜组、THz折转光路、THz窗口和3D打印的探测头结构；飞秒激光器发射激光脉冲经分束后，一路激光通过光纤及耦合器
泵浦THz发射器的晶体，激发太赫兹波，另一路激光通过计算机控制的光学延迟线调整激光
相位，经光纤及耦合器泵浦THz接收器光敏面的晶体，激发自由载流子；THz发射器激发的太赫兹波经准直镜组，整形为均匀的平行光，然后经THz折转光路从THz窗口出射，照射探测目标表面，探测目标反射的太赫兹波经THz窗口和THz折转光路入射到缩束镜组，经缩束整形后均匀的聚焦到THz接收器光敏面，并调制载流子运动产生
电信号，经放大器放大后输入到计算机并重建太赫兹光谱；最后通过3D打印的探测头结构实现太赫兹探测头光学子系统的一体成型和轻量化设计，进而实现探测系统干燥密封设计。
[0012] 所述THz源采用光电导效应由
锁模飞秒光纤激光器泵浦InGaAs晶体激发带宽达5.5THz的宽波段太赫兹波，所激发的太赫兹波能量最大值为20μw，单次带宽扫描时间最短为0.02s。
[0013] 所述THz探测器通过同一飞秒激光器泵浦调制，实现单次带宽扫描时间与THz源同步，采用光电导
采样原理在THz波聚焦的低温生长LT-InGaAs晶体上采样太赫兹电场，通过放大器对该采样信号放大，实现探测器的动态范围≥90dB，对应的探测光谱带宽达到5.5THz。
[0014] 所述光学延迟线由两次全反射棱镜、
电机和滑轨组成，飞秒激光通过光学延迟线的两次全反射棱镜的全反射耦合到光纤中，通过计算机控制电机，使两次全反射棱镜在滑轨上进行周期位移，实现激光器与光纤耦合器间的光程周期变化，调制太赫兹探测器子系统中飞秒激光的相位，实现对探测太赫兹光谱的电场采样；同时通过控制电机转速，调控飞秒激光相位调制速率，控制系统的光谱
采样频率。
[0015] 所述准直镜组由两片1英寸口径的TPX材料平凸透镜凸面相对放置间隔35mm组成，所述缩束镜组由一片1.5英寸和一片1英寸口径TPX材料透镜平凸透镜凸面相对放置间隔27mm组成；所述THz折转光路由两片1.5英寸口径太赫兹级
镀金反射镜组成；转折准直镜组太赫兹波的反射镜为A反射镜，转折缩束镜组太赫兹波的反射镜为B反射镜；所述太赫兹窗口由2英寸口径的太赫兹级z-cut
石英晶体制成。
[0016] 所述准直镜组与THz发射器共同构成的发射光路和缩束镜组与THz接收器共同构成的接收光路的光轴平行放置，收发光路的光轴相对3D打印的探测头结构基底采用非等高设置；A、B两反射镜相对3D打印的探测头结构基底在水平方向相对旋转15°，实现最大程度压缩收发光路间的距离并保证THz折转光路内两反射镜间无
位置干涉；A反射镜相对准直镜组光轴向3D打印的探测头结构基底方向旋转45°，实现太赫兹波无遮挡的从THz窗口出射；B反射镜相对缩束镜组光轴向3D打印的探测头结构基底方向旋转42°，并与A反射镜非对称放置，使漫反射的探测目标反射太赫兹波平行入射到缩束镜组中，实现在THz窗口收发同置。
[0017] 3D打印的探测头结构采用光敏
树脂高
精度3D打印，实现太赫兹探测头光学子系统结构的一体
化成型；在该3D打印的探测头结构的THz发射器及接收器的工装结构下同时设计了中空的多孔结构，并放置干燥剂，实现太赫兹探测头光学子系统的无水气设计。
[0018] 所述3D打印的探测头结构
外壳采用尼龙材料将该外壳分两部分进行3D打印，在实现保护准直和缩束镜组及THz折转光路和THz窗口功能的外壳部分；同时设计密封槽结构，并放置
密封胶圈，实现太赫兹探测头光学子系统的气密设计；在作拿持功能的外壳把手部分，设计对接气密结构，使太赫兹探测头光学子系统与其他子系统的数据线及光纤的
连接线实现密封胶管保护，实现各子系统与太赫兹探测头光学子系统的连接线部分的气密设计。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020] (1)本发明区别于现有的成像太赫兹探测系统，而是通过获取探测物表面及其浅层的反射光谱获得物质信息，进行探测识别，拓展了太赫兹探测系统的工作
波长范围；同时也区别于现有的直线式长光学系统光路的太赫兹透射光谱探测系统及多反射抛物面镜构成的复杂的太赫兹反射光谱探测系统，而是通过引入THz折转光路，将较长尺寸的直线式透射光谱探测系统的光路，折叠为平行的发射和接收两部分光路并将照明的光路折叠到垂直向下的方向，实现了收发同置和光学系统的小型化，同时又避免引入半透半反镜保证了系统的高信噪比，能够应用于手持式太赫兹光谱探测系统中。
[0021] (2)本发明采用目前最轻的有机
聚合物TPX作为THz透镜的光学材料，可以更好的实现探测系统的轻量化设计，由于该材料在可见光到太赫兹全波段透明，且折射率几乎不随波长变化，在装调时可以在THz发射器的位置先放置He-Ne激光器，作为装调时的参考，以降低装调难度和周期。
[0022] (3)本发明兼具了透射光谱探测光路可以小型化特点和反射光谱在探测液体等强烈吸收太赫兹波的极性材料成分时独一性特点，可以兼顾系统小型化和探测应用方面的广泛性。
[0023] (4)本发明在实现系统紧凑性的情况下，进一步设计了巧妙的干燥剂存储盒和系统的气密设计，可以保证探测系统内的干燥氛围降低水气的吸收干扰，并在外壳结构的
支撑罩固定下，可以发挥系统快速扫描光谱的特点，快速多次探测同一表面通过
数据处理以提高信噪比。
附图说明
[0024] 图1为本发明的工作原理示意图；
[0025] 图2为本发明光学系统关键位置太赫兹光学性能评价图；
具体实施方式
[0026] 本发明的一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统的组成原理图如附图1所示。本发明可以分为三个子系统，分别是A太赫兹源子系统包括飞秒激光器、光纤耦合器和THz发射器，B太赫兹探测器子系统包括光学延迟线、光纤耦合器、THz接收器、放大器和计算机，C太赫兹探测头光学子系统包括THz准直镜组、THz缩束镜组和THz转折光路及THz窗口。
[0027] A太赫兹源子系统工作原理为，全光纤飞秒激光器发射1550nm波段的飞秒激光脉冲经分束后，激发太赫兹波的一路激光直接通过光纤耦合器耦合传输，泵浦THz发射器的InGaAs晶体激发太赫兹波。
[0028] 其中全光纤飞秒激光器具有体积小、可靠性高、锁模操作简单的特点，采用该种激光器可以有效减小太赫兹源子系统的体积和重量；InGaAs晶体受飞秒激光的超短激光脉冲照射，产生光电导效应，激发
电子空穴对光载流子，在外加电场作用下产生强度迅速增强的瞬态漂移
电流，电子由
价带跃迁回导带，辐射产生相干太赫兹脉冲，InGaAs
半导体相比金属基半导体材料，可以实现高达5.5THz工作带宽。
[0029] B太赫兹探测器子系统工作原理为，全光纤飞秒激光器发射1550nm波段的飞秒激光脉冲经分束后，调制相位的一路激光由激光器出射经光学延迟线的两次全反射棱镜折叠光路后入射光纤耦合器。首先该路激光通过延迟线调制，光学延迟线中的两次全反射棱镜由计算机控制的电机驱动在滑轨上进行周期位移，实现激光器与光纤耦合器间的光程周期变化，调制太赫兹探测器子系统中飞秒激光的相位，实现对探测太赫兹光谱的电场采样；同时通过控制电机转速，来调控飞秒激光相位调制速率，用以控制系统的光谱获取率，实现最大获取率达50Hz；飞秒激光经光学耦合器泵浦THz接收器光敏面的LT-InGaAs晶体，激发自由载流子，由接收的太赫兹回波的光电场牵引载流子运动，产生电流信号，经放大器放大后输入到计算机并重建太赫兹探测光谱信号。
[0030] 其中光学延迟线的棱镜每运动一个周期就完成一次太赫兹光谱重建，通过调整电机参数控制棱镜的运动状态可以设置平均重复采样时间，进行多次采样重建光谱，降低系统本底噪声在光谱中的表现；LT-InGaAs晶体为低温生长的InGaAs半导体材料，其具有与太赫兹波波长相比拟的超晶格结构周期，从而实现非线性光学过程的增强，在保持较高
量子效率的同时实现较高的
工作温度，降低系统的本底噪声，使动态范围达到90dB，有利于实现室温下应用；在太赫兹探测回波信号采样中，以太赫兹回波信号脉冲的电场作为偏转电场，促使飞秒激光泵浦的LT-InGaAs晶体中自由载流子运动产生强度随太赫兹电场变化的电流，由于载流子寿命非常短，只有在超短飞秒激光采样脉冲和太赫兹脉冲同时照射时，探测器中才会产生电流脉冲，且在探测器中通过的电流大小与瞬态太赫兹电场成正比，通过扫描拟合可以重建整个太赫兹光谱的
波形，直接恢复太赫兹电场。
[0031] C太赫兹探测头光学子系统工作原理为，THz发射器输出的发散太赫兹波经THz准直镜组矫正后输出能量分布均匀的平行太赫兹光，经THz转折光路折转后由THz窗口出射，照明探测目标表面，探测目标反射的太赫兹波经THz窗口入射到太赫兹探测头光学子系统，经THz转折光路折转后输入到THz缩束镜组中，经其矫正后输出能量均匀
覆盖THz接收器光敏面的汇聚太赫兹光斑。
[0032] 其中准直镜组和缩束镜组透镜采用的TPX材料，4-甲基戊烯聚合物，是目前高透明度树脂中唯一的结晶性聚合体，具有明显的熔点，注塑均匀性好，可以实现很好的材料均匀性，同时具有耐高温、疏水、收缩率小，经过上百次的高温蒸煮实验不会出现表面毛雾现象的优点，可以满足照明扫描物镜设计中更严格的材料
质量的要求，TPX材料相比传统的太赫兹元件中最常用的高阻
硅(HRFZ-Si)，具有紫外、可见和太赫兹全波段透明的特点，且透过率均超过80％并在太赫兹波段大于90％，而HRFZ-Si的太赫兹波透过率仅为50-54％；TPX作为有机聚合物中密度最小的材料，相比HRFZ-Si可以更有效实现探测头的轻量化；THz折转光路采用双反射镜折转光路，相比通过分束镜实现的收发光路共窗口放置，避免了太赫兹波发射和接收两次通过分束镜，导致的75％能量损失，同时在THz折转光路中A、B两反射镜采用非对称式反射布置，相比对称式布置，在实现收发同置时，保证了由探测目标表面反射的发散太赫兹回波，在10cm探测深度以内，最大可能的折转入射到缩束镜组视场光阑，避免了较大的能量损失，并降低了探测头光学子系统中镜片尺寸最大的缩束镜组到结构基底的距离，有利于探测头结构小型化；探测头的THz窗口口径达2英寸，出射太赫兹光斑口径≥40mm，采用Z轴切割的(z-cut)石英晶体材料，在传输50μm以上波段中，z-cut石英晶体是一种极好的材料，同时其在可见、红外到太赫兹波段均透明，由于石英晶体为双折射晶体，采用z-cut可以避免o光e光折射率不同的问题；考虑到石英材料色散很大，本发明只将其用作THz窗口材料，以避免在应用He-Ne激光器进行装调时的系统焦点与实际太赫兹工作波段的焦点异位。
[0033] 本系统的太赫兹探测头光学子系统，基于ZEMAX的非序列模式优化设计，所得性能评价图见附图2。本发明依据上述具体实施方式得到的系统主要性能指标，如下表1所示。
[0034] 表1本发明的主要性能指标
[0035]
[0036] 本发明与美国德克萨斯州布鲁克斯城空军研究所开发的一种用于生物组织光学参量探测的紧凑型反射太赫兹光谱探测系统相比，通过使用InGaAs材料作为THz源的太赫兹激发天线，相比其金属基半导体材料，本发明实现了高达5.5THz工作带宽，有效的工作波段为0.1-5.5THz，工作带宽几乎翻倍。相比上述探测系统通过分束镜收发光路垂直分布实现收发同置，本发明的光学系统采用非对称式反射光路不仅收发光路平行分布实现收发同置，有效缩小光学子系统体积，还避免了太赫兹波发射和接收两次通过分束镜，导致不可避免的75％能量损失，有效提高了系统的信噪比。
[0037] 本发明的一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统针对安检领域的易燃易爆有毒有害等危险品探测识别需求以及利用光谱数据探测食品及工业原料物质成分占比等需求而设计，并综合考虑看国际上先进的太赫兹光谱探测技术，确定本发明的手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统的最终实现方案。
[0038] 本发明的技术解决问题：根据安检领域对便携性太赫兹反射光谱探测系统用来进行危险品识别探测的需求，设计了一种实现手持式太赫兹反射光谱探测的紧凑型探测系统，用于实现太赫兹波均匀准直照射和漫反射光谱聚焦收发同置。
[0039] 本发明的技术解决方案之一：宽工作带宽、高信噪比光谱扫描。其特征在于：宽频段太赫兹波激发单元由1550nm全光纤飞秒激光器、InGaAs太赫兹激发天线及金属
电极组成，快速响应接收器单元由LT-InGaAs晶体光敏面、飞秒激光光学延迟线组成。
[0040] 上述方案的原理是：在探测系统工作时，太赫兹激发单元由全光纤飞秒激光器发射1550nm激光经分束镜后，一路激光照射InGaAs太赫兹激发天线，激发电子-空穴对，光载流子在金属电极的外加电场作用下，产生瞬态漂移电流，辐射相干太赫兹脉冲；另一路激光经光学延迟线调制照射LT-InGaAs晶体光敏面激发电子-空穴对，被探测太赫兹脉冲聚焦到晶体光敏面上，太赫兹电场作为偏转电场，促使晶体中的自由载流子运动，产生强度随太赫兹电场变化的电流，通过对电流信号采样处理，重建太赫兹电场获得太赫兹扫描光谱。
[0041] 本发明的技术解决方案之二：轻量化紧凑型透射式太赫兹光学系统。其特征在于：包括准直镜、太赫兹窗口、缩束镜和反射折转光路四部分。
[0042] 上述方案的原理是：本系统的太赫兹透镜放弃目前广泛采用的密度较大的高阻硅晶体材料，使用低密度的新型有机聚合物太赫兹光学材料TPX实现轻量化设计；采用太赫兹收发共窗口设计，太赫兹源发射的发散太赫兹波经准直镜均匀准直的入射到探测物质表面，设计反射镜偏转
角度满足反射光最大接收，将反射太赫兹波通过缩束镜聚焦到太赫兹探测器光敏面；太赫兹准直镜组和缩束镜组采用平行光轴分路设计，利用太赫兹反射镜折转光路实现共太赫兹窗口收发，减小系统体积。
[0043] 本发明的技术解决方案之三：3D打印探测头光学子系统结构，其特征在于：探测头光学子系统结构由高精度光敏树脂3D打印的光学系统工装结构和高强度尼龙3D打印的探测头光学子系统保护壳结构组成。
[0044] 上述方案的原理是：针对本发明的光学系统设计的工装结构，传统机加难以加工的特点，采用可以高精度3D打印的光敏树脂材料进行一体成型化加工，在保证工装结构精度的同时，实现快速一体成型加工；考虑系统总体成本要求和强度要求，在系统外壳结构加工中，采用加工精度较低材料强度较高的尼龙材料进行3D打印加工，兼顾系统成本和强度要求，使系统可以较低成本实现多种环境下全天候稳定运行。
[0045] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
