一种测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置

摘要

本发明涉及一种测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，从激光光源输出的超短脉冲激光经由分束片分为两束，透射光束经第一反射镜、延时模块、第二反射镜、第三反射镜和ITO膜后作为太赫兹波探测光进入太赫兹波谱探测系统；另一部分分束片反射光束进入太赫兹波发射系统，辐射出准直的太赫兹波通过太赫兹入口窗片进入充有气体的真空管道中，太赫兹波和气体分子相互作用后，通过太赫兹出口窗片出射后，通过第四反射镜和ITO膜后进入太赫兹波谱探测系统；真空管道外壁上有制热带和制冷装置，控制真空管道内部的实时温度；真空管道的总长度通过插入多节真空管道进行调节。装置可以测得太赫兹在不同温度、不同压强气体环境下的吸收响应特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光谱领域，特别涉及一种测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围（波长在0.03到3mm范围）的电磁波（1THz=10¹²Hz），在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点，例如光子能量低，在毫电子伏特量级，不会对生物组织产生有害的光致电离、很多物质在该波段都有很强的吸收和色散，可以用于鉴别不同物质等。

大气中存在各种物质，对太赫兹辐射传输而言存在一定的非协作性，即存在吸收衰减。对流层大气对太赫兹有非常明显的连续和吸收作用，表现为衰减系数随频率缓慢上升的同时呈振荡分布，存在多个吸收峰和透射窗口。由于目前太赫兹辐射源功率还无法做到足够大，因此要实现对流层中太赫兹通信及雷达等应用，掌握不同湿度、温度、压强、组分条件下的太赫兹波段大气窗口的位置和宽度，是发展利用该太赫兹波段的基础条件。

当太赫兹波通过被测气体时，气体分子吸收太赫兹波的能量，不同气体分子对太赫兹波有着不同的吸收光谱，且特征光谱的吸收强度与该气体的浓度以及环境温度等相关，利用气体分子在太赫兹波段的特征吸收峰即可以知道该气体条件下太赫兹波的吸收响应，对太赫兹通信以及远程控制等有着重要应用。

发明内容

本发明是针对目前缺乏大气中太赫兹波吸收响应数据的问题，提出了一种测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，采用了太赫兹产生和探测装置、真空管道（可改变长度）、真空泵、制热带、制冷装置、压力计、气体注入装置，可以测得太赫兹在不同温度、不同压强气体环境下的吸收响应特性。

本发明的技术方案为：一种测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，包括激光光源，分束片，第一反射镜，延时模块，第二反射镜，第三反射镜，太赫兹波发射系统，太赫兹入口窗片，太赫兹出口窗片，真空管道，多节真空管道，制热带，制冷装置，第四反射镜，ITO膜，太赫兹波谱探测系统；

从激光光源输出的超短脉冲激光经由分束片分为两束，透射光束经第一反射镜反射后，通过延时模块，再经过第二反射镜、第三反射镜和ITO膜后作为太赫兹波探测光进入太赫兹波谱探测系统；另一部分分束片反射光束进入太赫兹波发射系统，辐射出准直的太赫兹波通过太赫兹入口窗片进入充有气体的真空管道中，太赫兹波和气体分子相互作用后，通过太赫兹出口窗片出射后，通过第四反射镜和ITO膜后进入太赫兹波谱探测系统；

真空管道外壁上有制热带和制冷装置，用于控制真空管道内部的实时温度；

真空管道的总长度通过插入多节真空管道进行调节。

所述测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，还包括压强监测装置，第一阀门，真空泵，第二阀门，真空泵与真空管道之间有第一阀门，在真空管道与气体注入装置之间有第二阀门，压强检测装置接在第一阀门和第二阀门之间的管道上，用于检测真空管道内的压强。

所述ITO膜可由高阻硅片代替。

所述太赫兹波发射系统依次包括聚焦透镜、倍频晶体BBO和特氟龙透镜，反射激光聚焦透镜和倍频晶体BBO形成空气等离子体，辐射出的锥形太赫兹波通过特氟龙透镜后变成准直的太赫兹波。

所述真空管道内气体是任意一种高纯度气体，或者是高纯度气体的混合气体。

本发明的有益效果在于：本发明测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，分辨率高，装置简单，容易操作，应用范围广。

附图说明

图1为本发明测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置示意图；

图2为本发明真空管道内插入多节小的真空管道装置示意图；

图3为本发明太赫兹波发射系统的装置示意图；

图4为本发明太赫兹波谱探测系统的装置示意图。

图5为本发明测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置中ITO换为高阻硅片示意图。

具体实施方式

如图1所示测试太赫兹波在不同气体环境下吸收响应的装置，包括激光光源1，分束片2，第一反射镜3，延时模块4，第二反射镜5，第三反射镜6，太赫兹波发射系统7，太赫兹入口窗片8，太赫兹出口窗片9，真空管道10，多节真空管道11，制热带12，制冷装置13，压强监测装置14，第一阀门15，真空泵16，第二阀门17，气体注入装置18，第四反射镜19，ITO膜20，太赫兹波谱探测系统21。从激光光源1输出的超短脉冲激光经由分束片2分为两束，透射光束经第一反射镜3后，通过延时模块4，再经过第二反射镜5、第三反射镜6和ITO膜20后作为太赫兹波探测光进入太赫兹波谱探测系统21；另一部分分束片2反射光束进入太赫兹波发射系统7，辐射出准直的太赫兹波通过太赫兹入口窗片8进入真空管道10。通过真空泵16先抽掉真空管道10内部初始存在的气体，压强检测装置14检测真空管道10内部达到需要的背景压强值后，关闭真空泵16与真空管道10之间的第一阀门15，再打开真空管道10与气体注入装置18之间的第二阀门17，通过气体注入装置18的气体入口向真空管道10中注入气体，压强检测装置14检测到所充气体量达到探测所需的压强后关闭第二阀门17。通过制热带12或制冷装置13可以控制真空管道10内部的实时温度，太赫兹波与气体分子在真空管道10内相互作用，而真空管道的总长度可以通过插入多节真空管道11进行调节，如图2所示，使得太赫兹波和气体分子的相互作用距离可以根据气体分子的特性进行调整。太赫兹光通过太赫兹出口窗片9出射后，通过第四反射镜19和ITO膜20后进入太赫兹波谱探测系统21。得到的太赫兹波谱相比于无气体相互作用时的波谱会出现吸收峰，从太赫兹波谱中的吸收峰可以推断出气体分子的吸收特点，从而实现测试太赫兹波在不同气体环境下的吸收响应。

在下面的实施例中，以中心波长为800nm的飞秒激光利用空气等离子体辐射出太赫兹波在高纯氧气常温条件环境下相互作用，并利用电光采用原理探测太赫兹波为例，其他波段、其他太赫兹波辐射方法以及其他高纯气体与该实施方法一致。

激光器输出光中心波长为800nm，光谱范围780-820nm，脉冲宽度为30fs，重复频率1KHz，具体实现检测氧气分子吸收特性的调节过程如下：从激光光源1输出的超短脉冲激光经分束片2（分束的透射与反射比例为1:9）分为两束，其中透射光被第一反射镜3反射后，通过延时模块4，再经过第二反射镜5、第三反射镜6和ITO膜20后作为太赫兹波探测光进入太赫兹波谱探测系统21；分束片2的反射激光直接进入太赫兹波发射系统7，如图3所示依次通过内部的聚焦透镜7-1和倍频晶体BBO7-2形成空气等离子体，辐射出的锥形太赫兹波通过特氟龙透镜7-3后变成准直的太赫兹波，从太赫兹入口窗片8进入真空管道10，太赫兹波在真空管道10内部传播。通过插入多节真空管道11将真空管道10的长度调整到测试需要的距离长度后，由真空泵16将真空管道10抽到成压强10^-4Pa（由压强检测装置14测得），关闭第一阀门15，打开第二阀门17，通过气体注入装置18注入高纯氧气（纯度99.999%）。气体充入达到待测压强值，如一个大气压后，关闭第二阀门17。制热带12和制冷装置13不进行作用，测试在常温条件下进行。太赫兹波穿过高纯氧气后到达太赫兹出口窗片9，继续向前传播，通过第四反射镜19后被ITO膜20反射，与经由ITO膜20透射的探测光重合一起依次进入太赫兹波谱探测系统内部的电光晶体ZnTe21-1、凸透镜21-2、四分之一波片21-3、渥拉斯通棱镜21-4，第一硅探头21-5以及第二硅探头B21-6进行电光采样探测，如图4所示。这里ITO膜20可换为高阻硅片22，如图5所示，充入高纯氧气后，气体分子会对太赫兹波有一定的吸收作用，得到的太赫兹波谱相比于无气体分子存在时的波谱会出现吸收峰，从太赫兹波谱中的吸收峰可以推断出气体分子的吸收特点，从而实现测试太赫兹波在不同气体环境下的吸收响应。

所述多节真空管道11，通过改变插入多节真空管道的数量，以及选择不同长度的真空管道，从而改变太赫兹波在真空管道内的传播距离。

所述制热带12为一种金属线，缠在真空管道10上通电即可加热；制冷装置13附着在真空管道10外壁上，内部注入液氮或者液氦可实现制冷。

所述注入气体可以是任意一种高纯度气体，或者是高纯度气体的混合气体。

如高纯度氧气、氮气。