太赫茲吸收譜的測試樣品架、切換式測試系統(tǒng)和測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光電測量領域，特別是指一種太赫茲吸收譜的測試樣品架、切換式測試系統(tǒng)和測試方法。
【背景技術】
[0002]近年來太赫茲技術快速發(fā)展，在安全檢測、航空航天、生命科學、化學等領域應用日趨廣泛。
[0003]目前的太赫茲時域譜儀(THz TDS)的結構是由Bell實驗室D.H.Auston等人于1984年首先采用的。圖1為現有的太赫茲時域光譜儀的光路結構示意圖，如圖1中所示，現有的太赫茲時域光譜儀由飛秒激光器1、分光鏡2、發(fā)射器3、2個離軸拋物面鏡4、測試樣品
5、光程調節(jié)臺6、反射鏡7、探測器8、鎖相放大器9、計算機10等組成，實際上測試樣品5被放置在樣品架(圖1中未不出)上。飛秒激光器I發(fā)出的激光束經分光鏡2分成兩束:其一束作為泵浦激光脈沖打擊發(fā)射器3后激發(fā)出太赫茲波，太赫茲波經離軸拋物面鏡4準直后照射到測試樣品5上，穿過測試樣品5后的太赫茲波經另一離軸拋物面鏡4會聚到探測器8 ;飛秒激光器I發(fā)出的另一束激光作為探測激光脈沖，經光程調節(jié)臺6、反射鏡7投射到探測器8上。在探測器8中，探測激光脈沖在太赫茲波的調制下轉換成電信號，這個反映太赫茲波電場強度的電信號經鎖相放大器9提高信噪比后，被采集到計算機10內。
[0004]目前國內也有部分對太赫茲吸收譜測量方式的改進方案。申請?zhí)枮?01110050929.1，發(fā)明名稱為《用于太赫茲光譜測量的樣品承載裝置及其使用方法》的文獻中提出采用聚乙烯制備的樣品盒，由于此材料的太赫茲吸收很少，可以作為樣品容器，放置固體、液體或氣體樣品。
[0005]申請?zhí)枮?01220576555.7，發(fā)明名稱為《一種用于太赫茲光譜測試的樣品承載裝置》的文獻中提出了一套包含彈簧片的夾板系統(tǒng)，能夠方便地安放片狀樣品，能夠保證光路垂直投射到樣品表面上。
[0006]申請?zhí)枮?01210373275.0，發(fā)明名稱為《高速太赫茲波調制裝置及其方法》的文獻中闡述了一種半柱形高阻硅、平面透鏡及反射薄膜組成的調制裝置。
[0007]申請?zhí)枮?01010291976.0，發(fā)明名稱為《透射式不依賴參考光的太赫茲光譜分析方法》的文獻中提出不使用參考信號所包含的信息，僅對樣品信號相位譜求取二階導數，這能夠粗略反映一些峰值的位置點，對不太精確的定性分析是適用的。
[0008]目前，太赫茲吸收譜的傳統(tǒng)測試方法包括兩個階段:(I)人工或自動移動樣品架，將樣品放入太赫茲光路中，然后用太赫茲時域譜儀掃描各時域點，獲得完整的樣品時域譜。
(2)人工或自動移動樣品架，將樣品移出太赫茲光路，然后用太赫茲時域譜儀掃描各時域點，獲得完整的參考時域譜。完成上述兩階段測試、測得兩列時域譜后，對時域譜進行傅立葉變換、除法對比等一系列信號處理，計算出樣品在頻域中的太赫茲吸收譜。但是，這種測試方法存在著一些問題，即無論樣品時域譜還是參考時域譜，掃描測試一遍都將花費數分鐘時間，其間，受密閉樣品室內壓力、溫度、濕度、光程定位的準確性、激光強度漂移等因素影響，在長時段的測試過程中，太赫茲波強度經常出現起伏，這樣，參考時域譜在一定程度上就喪失了可比性和參考價值，最終導致樣品吸收譜的重復性、一致性變差，甚至出現不合理的負值。
[0009]上述專利文獻雖然均涉及到太赫茲測試中的樣品裝置，但是，前三條專利文獻中提出的方案都不是為了解決太赫茲波強度起伏的問題，第四條專利回避了太赫茲波強度起伏的問題且所得到的結果失去了一定的精度。事實上，太赫茲波強度起伏的原因很多，例如樣品室抽真空或氮氣吹掃壓力的變化導致透鏡的應力變形，樣品室內水分、溫度的變化，光程調節(jié)臺位置的精確重復性，泵浦激光束、探測激光束強度的漂移等等。目前來看，這些因素還無法被識別確認，更無法被精確控制。現有技術中也沒有提出能夠解決由于測試過程中太赫茲波強度起伏所造成的測量結果不夠準確的問題的有效方案，因此，有必要通過完善測試方法、改進測試系統(tǒng)相關部件結構等措施來克服這些問題。

【發(fā)明內容】

[0010]為了解決現有的太赫茲吸收譜測量方法是參考時域譜、樣品時域譜分別獨立測取，這樣長時段測試過程中由于太赫茲波強度的起伏造成測試所得的樣品吸收譜的重復性、一致性變差，甚至出現不合理的負值的問題，本發(fā)明提供一種太赫茲吸收譜的測試樣品架、切換式測試系統(tǒng)和測試方法，改進了太赫茲時域譜測試系統(tǒng)中的有關部件的結構，并相應地改變了測試方法，可以減少測試過程中太赫茲波強度起伏對太赫茲吸收譜的影響。
[0011 ] 本發(fā)明提供的一種太赫茲吸收譜的測試樣品架，包括可旋轉的轉盤，所述轉盤開有大小一致的樣品孔和參考孔，所述樣品孔和參考孔中心均位于以所述轉盤的旋轉軸為中心的同一圓周上；所述樣品孔用于放置待測試的樣品。
[0012]其中，所述測試樣品架還包括可升降支座和步進電機；所述可升降支座具有一個高度可調節(jié)的支座平臺；所述步進電機設置于所述可升降支座的支座平臺上，所述步進電機具有一可旋轉的輸出軸；所述轉盤的中心具有一與所述步進電機的輸出軸的截面形狀一致的開孔，所述步進電機的輸出軸嵌套于所述轉盤的中心開孔內，所述轉盤與所述步進電機的輸出軸固定連接，所述轉盤能以該輸出軸為中心隨所述步進電機的輸出軸作旋轉運動。
[0013]其中，所述轉盤上的樣品孔和參考孔在以所述轉盤的旋轉軸為中心的同一圓周上對稱設置。
[0014]本發(fā)明提供的一種太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)，包括:飛秒激光器、分光鏡、發(fā)射器、兩個離軸拋物面鏡、樣品架、光程調節(jié)臺、反射鏡、探測器、鎖相放大器和計算機，其中，所述樣品架為上述太赫茲吸收譜的測試樣品架，且所述樣品架的轉盤位置設置為:所述轉盤旋轉過程中，所述發(fā)射器發(fā)出的太赫茲波經所述離軸拋物面鏡匯聚后的光束剛好穿過所述樣品孔和參考孔所處圓周上。
[0015]其中，所述光程調節(jié)臺的步進周期Ts，所述轉盤旋轉過程中樣品孔到參考孔的切換時間T1，參考孔到樣品孔的切換時間T2，發(fā)射器的方波偏置電壓周期Tb，飛秒激光器的激光脈沖重復周期?；，鎖相放大器時間常數Tp之間滿足以下關系:
[0016]Ts= T !+T2
[0017]Min^, T2)?Tb
[0018]Tb?Tr
[0019]TpOMin(T1J2)
[0020]其中，Min (T1, T2)表示!\和T 2二者的最小值。
[0021]其中，所述鎖相放大器時間常數Tp之取值為滿足條件TpOMinCT1, T2)的最大值。
[0022]本發(fā)明還提供一種太赫茲吸收譜的切換式測試方法，包括步驟:
[0023]S1:設置權利要求5所述的太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)，并將待測試的樣品放于所述樣品孔內；
[0024]S2:預先設定光程調節(jié)臺的起始位置、終止位置和移動步長；
[0025]S3:將所述光程調節(jié)臺置于起始位置，令N = I ;
[0026]S4:轉動所述樣品架的轉盤，將參考孔置于所述太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)的太赫茲光路中，讀取當前鎖相放大器的輸出信號，并將其保存為參考時域譜的第N個數據點；
[0027]S5:轉動所述樣品架的轉盤，將樣品孔置于所述太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)的太赫茲光路中，讀取當前鎖相放大器的輸出信號，并將其保存為樣品時域譜的第N個數據點；
[0028]S6:判斷當前光程調節(jié)臺是否到達預先設定的終止位置，若是，則分別根據保存的參考時域譜的所有數據點和樣品時域譜的所有數據點得到參考時域譜和樣品時域譜，計算出當前待測試的樣品在頻域中的太赫茲吸收譜，結束測試流程；否則，將光程調節(jié)臺按照預先設定的移動步長移動一步，令N = N+1并返回執(zhí)行S4。
[0029]其中，所述S2中預先設定光程調節(jié)臺的起始位置、終止位置和步長的方法為:
[0030]以一預定步長掃描當參考孔置于所述太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)的太赫茲光路中時得到的參考信號，找到使參考信號取最大值時的光程調節(jié)臺位置，然后以此位置為基準將所述光程調節(jié)臺的光程差減小5ps，得到光程調節(jié)臺的起始位置；
[0031]以一預定步長掃描當樣品孔置于所述太赫茲吸收譜的切換式測試系統(tǒng)的太赫茲光路中時得到的樣品信號，找到樣品信號二次回波時的光程調節(jié)臺位置，然后以此位置為基準將所述光程調節(jié)臺的光程差增大5ps，得到光程調節(jié)臺的終止位置；
[0032]根據預期的時域譜時間分辨率，乘以光速作為光程調節(jié)臺的移動步長。
[0033]其中，所述步驟S2還包括:預先設定所述樣品架的電機轉速，使得所述轉盤旋轉過程中樣品孔到參考孔的切換時間為T1，參考孔到樣品孔的切換時間為T2;并預先設置發(fā)射器的方波偏置電壓周期為Tb，飛秒激光器的激光脈沖重復周期為?；，鎖相放大器時間常數為Tp，且上述時間和周期的取值與光程調節(jié)臺的步進周期Ts之間滿足關系:
[0034]Ts= T !+T2
[0035]Min^, T2)?Tb
[0036]Tb?Tr
[0037]TpOMin(T11T2)
[0038]其中，Min (T1, T2)表示!\和T 2二者的最小值。
[0039]其中，所述鎖相放大器時間