測量太赫茲光束參數的方法與流程

本發明涉及太赫茲技術領域，特別是涉及測量太赫茲光束參數的方法。

背景技術：

太赫茲光譜成像技術是目前應用最廣泛、技術最成熟的一項太赫茲應用技術。它的基本工作原理是：首先測量沒有經過樣品調制的太赫茲時域波形作為參考信號，然后將需要成像的樣品放置在太赫茲傳輸光路的焦點上，太赫茲波通過樣品后被探測器接收得到樣品信號。樣品一般放置在二維平移臺上，每移動一個位置即可獲得一個樣品信號，樣品信號對應著一個二維矩陣數值，經過處理后這個二維矩陣可以轉化為灰度圖像，即實現太赫茲二維成像。與傳統成像技術的最大不同之處在于太赫茲光譜成像中每個圖像的像素點同時包含樣品的振幅信息和相位信息，從而可以實現對樣品空間分布、厚度分布、折射率分布、吸收系數分布等的重構。尤其對某些具有“太赫茲指紋譜”的物質如毒品、炸藥、病毒等，太赫茲光譜成像的優勢更為突出。

但是傳統的測量太赫茲光束參數的方法的測試方法復雜，精度低，不能準確的測量出太赫茲光束的聚焦腰斑半徑和聚焦深度，從而導致不能準確對樣品信號進行分析。

技術實現要素：

基于此，有必要針對上述問題，提供一種測試方法簡單、精度高的測量太赫茲光束參數的方法。

一種測量太赫茲光束參數的方法，包括：

獲得待測太赫茲光束；

控制所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內移動，并測得所述太赫茲光束在焦平面內的腰斑半徑，其中，所述掩膜片所在的平面與所述太赫茲光束的焦平面共面，所述掩膜片用于切割所述太赫茲光斑；

控制所述掩膜片從所述太赫茲光束的焦平面沿所述太赫茲光束傳播的方向移動，所述掩膜片每移動一次記錄對應的光軸移動量，其中，所述光軸移動量為所述掩膜片到所述焦點位置處的距離；在所述光軸移動量的位置處測量所述掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑；

當在所述光軸移動量的位置處測量的太赫茲光束的半徑等于所述腰斑半徑的倍時，計算所述聚焦深度。

在其中一個實施例中，控制所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內移動，并測得所述太赫茲光束在焦平面內的腰斑半徑的具體步驟包括：

在沿所述太赫茲光束傳播方向上依次設置所述掩膜片和固定的功率計，所述功率計用于采集所述太赫茲光束的功率值；

控制所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內移動，使所述掩膜片切割所述太赫茲光斑，且所述掩膜片每移動一次對應采集一次所述太赫茲光束的功率值；

一一對應記錄所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內的移動量和所述功率值，并計算所述腰斑半徑。

在其中一個實施例中，一一對應記錄所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內的移動量和所述功率值，并計算在所述焦點位置處的太赫茲光束的半徑的具體步驟包括：

一一對應記錄所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內的移動量和所述功率值；

根據所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內的移動量和所述功率值，繪制所述掩膜片在所述太赫茲光束的焦平面內的移動量和所述功率值的對應曲線圖；

根據所述對應曲線圖，獲得在所述腰斑半徑。

在其中一個實施例中，根據所述對應曲線圖，獲得在所述腰斑半徑步驟后還包括：

根據第一擬合函數對所述腰斑半徑進行驗證。

在其中一個實施例中，當在所述光軸移動量的位置處測量的太赫茲光束的半徑等于所述太赫茲光束在焦平面內的腰斑半徑的倍時，計算所述腰斑半徑的具體步驟包括：

一一對應記錄所述掩膜片的光軸移動量和在所述光軸移動量處所述掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑；

查詢所述掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑等于在所述腰斑半徑的倍時所對應的光軸移動量；

根據所述光軸移動量的大小，獲得所述太赫茲光束的聚焦深度。

在其中一個實施例中，獲得所述太赫茲光束的聚焦深度的步驟后還包括：

根據第二擬合函數對所述太赫茲光束的聚焦深度進行驗證。

在其中一個實施例中，所述掩膜片為刀片，所述刀片固定在位移平臺上。

在其中一個實施例中，采用控制螺旋測微器的方式控制所述位移平臺在所述太赫茲光束焦點所在的平面內等間距移動；

采用控制步進電機的方式控制所述位移平臺沿所述太赫茲光束傳播的方向等間距移動。

在其中一個實施例中，所述位移平臺在所述太赫茲光束焦點所在的平面內每移動0.05毫米，所述功率計對應采集所述太赫茲光束的功率值。

在其中一個實施例中，所述位移平臺沿所述太赫茲光束傳播的方向每移動1毫米，控制所述刀片在所述刀片所在的平面內移動，并計算所述刀片所在的平面內的太赫茲光束的半徑。

通過上述簡單的測量太赫茲光束參數的方法，可以快捷方便的測量出影響太赫茲光譜成像空間分辨率的焦點腰斑半徑以及聚焦深度，其測得腰斑半徑及聚焦深度的精度高、誤差小。

附圖說明

圖1為一實施例測量太赫茲光束參數的方法流程圖；

圖2為一實施例太赫茲光譜成像原理示意圖；

圖3為圖1中步驟S120的具體方法流程圖；

圖4為一實施例用于測量太赫茲光束聚焦腰斑半徑的裝置示意圖；

圖5為圖1中步驟S140的具體方法流程圖.

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對發明進行更全面的描述。附圖中給出了發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

太赫茲光譜成像技術是目前應用最廣泛、技術最成熟的一項太赫茲應用技術。太赫茲光譜成像中每個圖像的像素點同時包含樣品的振幅信息和相位信息，從而可以實現對樣品空間分布、厚度分布、折射率分布、吸收系數分布等的重構。在太赫茲光譜成像技術中有兩個重要參數：太赫茲光束的聚焦腰斑半徑和聚焦深度。其中，腰斑半徑是指光束在焦平面上的光斑半徑；聚焦深度是指光束半徑小于(d₀為聚焦腰斑的直徑)的那段光束傳輸距離。腰斑半徑決定了圖像的空間分辨率，腰斑半徑越小太赫茲光譜成像的空間分辨率越高。聚焦深度則決定了樣品在光軸方向的可移動距離，聚焦深度越大所允許的樣品厚度越厚、樣品的軸向移動距離越大。當樣品厚度或軸向移動距離超過聚焦深度，則太赫茲光譜成像的空間分辨率迅速衰減。

如圖1所示的為一實施例測量太赫茲光束參數的方法的流程圖，測量太赫茲光束參數的方法，包括如下步驟：

步驟S110：獲得待測太赫茲光束。

如圖2所示的為太赫茲光譜成像原理示意圖，其中包括用于產生激勵光源的飛秒脈沖激光器1通過分束片2；把激勵光源一分為二，其中一路是泵浦光，另一路作為探測光。在泵浦光傳播的光路中還設有用于實現泵浦脈沖光的調制的斬波器3。通過斬波器3調制后的泵浦光依次通過反射鏡4、用于調節泵浦光與探測光延時的延時線裝置5、反射鏡6后進入太赫茲輻射裝置7，太赫茲輻射裝置7外輻射太赫茲脈沖。探測光通過反射鏡13轉折光路后進入太赫茲探測裝置12，對太赫茲光場進行探測。該光路中還包括用于收集和聚焦太赫茲光場的拋物面鏡8、9、10、11，其中，待測樣品放置在太赫茲光束的聚焦點上。光路中的反射鏡4、6、13，用于改變光路，壓縮空間，其反射鏡的數量和位置可以根據具體的實際需要來設定，并不限于此。

步驟S120：控制掩膜片在太赫茲光束的焦平面內移動，并測得太赫茲光束在焦平面內的腰斑半徑，其中，掩膜片所在的平面與太赫茲光束的焦平面共面，掩膜片用于切割太赫茲光斑。

在測量太赫茲光束參數的過程中，將其掩膜片12放置在太赫茲光束的焦點位置，即用掩膜片12取代樣品來測量太赫茲光束的腰斑半徑和聚焦深度。

步驟S121：在沿太赫茲光束傳播方向上依次設置掩膜片和固定的功率計，功率計用于采集太赫茲光束的功率值。

參考圖3，在沿太赫茲光束傳播方向上依次設置掩膜片12和固定的功率計13。在本實施例中，掩膜片12為刀片，刀片固定在位移平臺14上。刀片12大約1mm厚，安裝在三維或二維的位移平臺14裝置上，通過控制位移平臺14的運動從而控制刀片12的運動。功率計13固定設置在位移平臺14的后側，用于探測太赫茲光束的功率值，其功率計13的探測面需要足夠大，足以全部采集太赫茲光束。

步驟S123：控制掩膜片在太赫茲光束的焦平面內移動，使掩膜片切割太赫茲光斑，且掩膜片每移動一次對應采集一次太赫茲光束的功率值。

在本實施例中，其太赫茲光束的光斑截面為圓形。采用控制螺旋測微器的方式控制位移平臺14在太赫茲光束焦點所在的平面內(焦平面)等間距移動。參考圖3，通過螺旋測微器控制位移平臺14在太赫茲光束焦平面內的x方向運動，z方向保持不動。由于刀片12固定在位移平臺14上，其位移平臺14的運動就是帶到刀片12運動，其刀片12在x方向，就會切割相應距離的太赫茲光束，相當于，移動刀片12就會遮擋部分或全部的太赫茲光束。其位移平臺14在x方向每前進0.05mm，功率計13對應采集太赫茲光束的一個功率值。其位移平臺14在x方向所前進的移動量可以根據實際情況而設定，并不限于0.05mm。

步驟S125：一一對應記錄掩膜片在太赫茲光束的焦平面內的移動量和功率值，并計算腰斑半徑。

其位移平臺14在x方向每前進0.05mm，功率計13對應采集太赫茲光束的一個功率值。一一對應記錄刀片12在太赫茲光束的焦平面內的移動量和功率值，并根據刀片12在太赫茲光束的焦平面內的移動量和功率值，繪制刀片12在太赫茲光束的焦平面內的移動量和功率值的對應曲線圖。

根據對應曲線圖，其功率值會隨著刀片12在x方向的位移量發生變化，用最大功率值所對應的位移量減去最大功率值的一半所對應的位移量就能獲得在腰斑半徑。

根據對應曲線圖，獲得在腰斑半徑步驟后還包括：

步驟S127：根據第一擬合函數對腰斑半徑進行驗證。

為了減少誤差，可以對獲得的腰斑半徑進行驗證，具體的可以通過第一擬合函數進行校準：

式中，

式中p(x)為隨x方向變化測量的功率，d＝為待測太赫茲光束的直徑，其中，d＝d₀，可以將測量得到的太赫茲光束的腰斑半徑的二倍和功率值帶入第一擬合函數中進行驗證。

在其他實施例中，太赫茲光束的光斑的截面為橢圓形。在控制刀片12在太赫茲光束焦平面內的x方向運動，并獲得在長軸x方向的光斑半徑后，繼續可以通過螺旋測微器控制位移平臺14在太赫茲光束焦平面內的y方向運動，z方向保持不動。其位移平臺14在y方向每前進0.05mm，功率計13對應采集太赫茲光束的一個功率值。一一對應記錄刀片12在太赫茲光束的焦平面內的移動量和功率值，并計算在短軸y方向的光斑半徑。同時還可以通過上述第一擬合函數對測得的光斑半徑的二倍和對應的功率值進行驗證。

步驟S130：控制掩膜片從太赫茲光束的焦平面沿太赫茲光束傳播的方向移動，掩膜片每移動一次記錄對應的光軸移動量，其中，光軸移動量為掩膜片到焦點位置處的距離；在光軸移動量的位置處測量掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑。

采用控制步進電機的方式控制位移平臺14沿太赫茲光束傳播的方向(z方向)等間距移動。位移平臺14沿太赫茲光束傳播的方向每移動1毫米，則停止沿z方向運動，而是控制刀片12在刀片所在的平面內移動，也即重復上述步驟S122和步驟S123，并計算刀片12所在的平面內的太赫茲光束的半徑。其步進電機的移動量也可以根據實際的需求來設定，并不限于1mm。

步驟S140：當在光軸移動量的位置處測量的太赫茲光束的半徑等于腰斑半徑的倍時，計算太赫茲光束的聚焦深度。

通過多次控制移動平臺14在z方向運動，每前進移動1mm，則重復上述步驟，測得刀片12所在平面內的太赫茲光束的半徑。

步驟S141：一一對應記錄掩膜片的光軸移動量和在光軸移動量處掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑。并根據掩膜片14的光軸移動量和在光軸移動量處掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑繪制相應的光軸移動量-太赫茲光束的半徑的曲線圖。

步驟S143：查詢掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑等于在腰斑半徑的倍時所對應的光軸移動量。

根據繪制的光軸移動量-太赫茲光束的半徑的曲線圖，在該曲線圖中，查詢掩膜片所在平面內的太赫茲光束的半徑等于在腰斑半徑的倍時所對應的光軸移動量，并將該光軸移動量標記出來。

步驟S145：根據光軸移動量的大小，獲得太赫茲光束的聚焦深度。

根據聚焦深度的定義(光束直徑小于的那段光束的傳輸距離)及標記處的光軸移動量，從而計算出太赫茲光束的聚焦深度。

獲得太赫茲光束的聚焦深度的步驟后還包括：

步驟S147：根據第二擬合函數對太赫茲光束的聚焦深度進行驗證。

為了進一步使數據準確可靠，可以通過第二擬合函數(理論計算公式)進行判定：

式中d₀為光束的腰斑直徑(腰斑半徑的二倍)，λ為光束的波長，將測得的腰斑半徑和聚焦深度帶入上述公式進行驗證。

通過上述測量太赫茲光束參數的方法，通過上述簡單的方式方法可以快捷方便的測量出影響太赫茲光譜成像空間分辨率的焦點腰斑半徑以及聚焦深度，其測得腰斑半徑及聚焦深度的精度高、誤差小。

以上實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。