一种基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置及方法与流程

1.本发明属于太赫兹光电技术领域，具体涉及一种基于编码器的高速时域扫描、同步高速数据采集的太赫兹时域谱测试控制装置及方法。


背景技术：

2.太赫兹频段一般是指频率在0.1-10 thz范围的电磁辐射，介于微波和远红外之间。太赫兹频段具有独特的穿透性、低光子能量特性、指纹谱特性和高带宽等特性，在无损检测、安全检查、成分检测和通讯等领域有着巨大的应用潜力和市场。太赫兹时域谱系统（thz-tds）是一种常见的太赫兹光谱设备。通常由10-200 fs的近红外飞秒光照射在半导体天线、晶体或自旋器件产生太赫兹辐射，利用光学延迟线扫描太赫兹信号的幅值得到太赫兹的时域谱，再由快速傅里叶变换（fft）得到太赫兹的频域谱。
3.传统的太赫兹时域谱设备，都是通过机械光学延迟线，逐点扫描，获得特定光学延迟条件下太赫兹脉冲信号的幅值，从而构建一个完整的太赫兹时域信号。这个过程，速度比较慢，一般要耗时几分钟到几十分钟不等。然而，随着对太赫兹远场成像和近场成像的应用需求越来越大，在很多应用场景下，比如对快递邮件的危害品检测、材料物性的高通量表征等，都需要在每个像素点进行全太赫兹频谱的扫描，单次成像扫描的像素点成千上万个，甚至更多。在这种需求下，原来单个谱扫描需要几分钟甚至几十分钟，要成像一个包含1万个像素点的图像，需要几天甚至几十天的时间，这显然是不现实的。所以迫切需要发展能够高速扫描太赫兹时域信号的装置，将单个谱扫描需要的时间由几分钟甚至几十分钟大大缩短到几秒甚至于几十毫秒量级，这样可以实现成像一个1万像素点图像的时间大大缩短到几十分钟甚至1分钟以内，满足实际应用需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高速时域扫描、同时高速信号采集的太赫兹时域扫描装置和方法，使太赫兹时域谱技术满足远场成像和近场成像对缩短成像时间的迫切需求。
5.针对上述迫切的实际应用需求，本发明提出了一种基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置及方法，该高速扫描装置具体包括运动控制模块、延迟线模块、高压模块、放大模块和高速采集模块。
6.本发明的具体技术方案如下：如附图1所示，本发明中基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置（100），其中飞秒激光经过光学延迟线模块（102）实现太赫兹脉冲和飞秒激光脉冲在时域上的相对提前或延迟；运动控制模块（101）用于控制延迟线的运动驱动器，如步进马达、直流电机等，同时通过限位传感器，控制光学延迟线模块中机械运动组件的零点和终点位置；高压模块（103）用于给光电导天线施加直流高压或调制的方波高压，对于晶体辐射源或自旋器件辐射源，可以不需要使用高压模块；放大模块（104）直接连接光电导天线或光电探测器，实现信号的放大；高速采集模块（105）一端连接延迟线模块（102），另一端连接放大模块（104），起到判断
延迟线正向和反向移动、高速触发采集太赫兹时域信号的作用。
7.进一步的，所述运动控制模块（101）为包含能够使运动驱动器正常加速、减速和匀速运动的电源组件、限位信号传感组件、实时位置传感组件、往复运动控制程序等。
8.进一步的，所述延迟线模块（102），如附图2所示，包含编码器（201）及其信号线（202）、运动驱动器（203）及其信号线（204）、延迟线机械部分组件（含限位器组件）（205）、进光（208）及光进组件（206）、出光（208）及光出组件（207）。
9.进一步的，高压模块（103）除提供直流和交流高压外，包括但不限于正弦波、方波、三角波，还可提供同步参考信号输出，优选为3-5伏ttl电平信号。
10.进一步的，放大模块（104），包括前置放大器、锁相放大器，可以将初始信号放大到数据采集卡可精确测量的信号范围，且放大速度快，响应时间小于1ms，即响应频率大于1 khz。
11.进一步的，高速采集模块（105），包括内部时钟、外部时钟触发组件、高速模拟信号采集组件、数字信号采集组件、数据高速缓冲区组件和通信组件，实现运动方向的判断、编码器触发数据采集。
12.更进一步的，所述延迟线模块（102），包括各个工作波段，包括自由空间可见光波段和近红外波段，或光纤通信的o、e、s、c、l、u波段。
13.更进一步的，所述延迟线模块（102），包括常规延迟或保偏延迟线。
14.更进一步的，所述延迟线模块（102），包括空间光延迟线或光纤耦合延迟线。
15.更进一步的，所述延迟线模块（102），包括绝对式编码器或增量式编码器。
16.更进一步的，所述运动驱动器（203），包括步进马达或直流电机。
17.更进一步的，所述放大模块（104），包括锁相放大器或高速直流放大器，优选为跨阻放大器或仪表放大器。
18.更进一步的，高速采集模块（105），其中的高速缓冲区，缓存芯片数据缓存容量大、满足全部数据存储的需求，而且为了实时输出时域波形，优选为具备实时数据段（数据队列）访问、复制和删除功能。
19.本发明一种基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置（100），将运动驱动器驱动编码器产生的脉冲编码信号作为判断运动方向、触发信号采集、计数的依据，满足关系t (ps) =c
×
n ( δt)或 d (mm) =d
×
n ( δd)，其中t表示光学延时量、c表示延时系数、δt表示固定螺距差对应的延时量、n表示编码器输出的脉冲数（以上升沿计数或下降沿计数）、d表示延时距离系数、δd表示固定螺距差对应的延时距离，δt和δd只在换向时需要添加。
20.如附图3所示，编码器输出两路信号，这两路信号在顺时针方向旋转时，a通道超前b通道π/2相位；在逆时针方向旋转时，b通道超前a通道π/2相位，数字电路上，可以通过判断｛（0、1），（1、0）｝还是｛（0、1），（1、1）｝来确认机械运动组件的运动方向（顺时针或逆时针，前进或后退），附图3示意了上升沿触发的情况，具体实施过程中，可以用上升沿触发也可以用下降沿触发，可以用a通道触发采集也可以用b通道触发采集，还可以用a、b通道同时触发采集（支持a通道、b通道的相加、相减触发，或独立触发）。本发明也可以用包含更多通道的编码器。
21.为了提高信噪比，在单次触发采集一个数据的模式下，可以通过正向和反向快速扫描数据的叠加，或来回往复多次扫描，来提高信号的质量。这种方法会增加一定的采集时
间。
22.更进一步优化的，所述高速采集模块(105)，可以工作在单次触发采集多个数据的模式，例如，编码器两个上升沿之间的时间周期是δt，采集卡固有的采集周期是δt'，δt是δt'的k倍，即δt/δt'=k，当单次触发（上升沿或下降沿）时，采集卡连续采集i个数据，其中i《k，根据时间序列，每i个数据进行加和平均后输出，得到更高信噪比的太赫兹时域信号，且不会增加采集时间。
附图说明
23.图1是本发明太赫兹时域谱高速扫描装置示意图。
24.图2是本发明光学延迟线的结构示意图。
25.图3是本发明编码器正反转信号示意图。
26.图4是本发明具体实施例的太赫兹时域信号。
27.图5是本发明具体实施例的太赫兹频域谱信号。
28.附图中各标记含义说明如下：100——基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置，100——运动控制模块，102——延迟线模块，103——高压模块，104——放大模块，105——高速采集模块，201——编码器，202——编码器信号线，203——运动驱动器（203），204——运动驱动器信号线，205——延迟线机械部分组件，206——光进组件，207——光出组件，208——外部进光，209——外部光出。
具体实施方式
29.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节或相似细节的情况下也可以被实施。本领域技术人员利用本发明的技术方案，结合本领域公知的技术，所衍生出来的具体实施方案，都应当被视为本发明专利保护的一部分。
30.附图1给出了本发明一种基于编码器的太赫兹时域谱高速扫描装置（100）示意图。该装置包括以下组成部分：一个运动控制模块（101），一个延迟线模块（102），一个高压模块（103），一个放大模块（104），一个高速采集模块（105）。
31.本实施例采用光纤通信c波段1550 nm的光纤飞秒激光器、1550 nm工作波段的光电导天线对，延迟线模块（102）采用保偏光纤耦合器，编码器采用增量式编码器（两个通道输出，相位差90度，信号幅值3.4 v），运动驱动器采用直流电机。高压模块（103）采用直流高压输出，电压为85 v，连接太赫兹发射光电导天线。放大模块（104）采用高速跨阻放大器，直接与太赫兹接收光电导天线相连。编码器的a、b两个通道和放大器的输出通道，都与高速采集模块（105）相连，高速采集模块实时判断延迟线的运动方向并利用通道a上升沿作为外部时钟触发采集放大模块的输出信号。
32.本实施例中，延时系数c为0.004，单位为ps/脉冲，固定螺距差对应的延时量δt为0.08 ps。首先，快速扫描光学延迟线模块的全部量程，找到太赫兹时域信号。然后设置延迟
线的起始位置和终止位置，在本实施例中，设置起始位置和终止位置之间的延时量为80 ps，单次触发采集一个数据点，正向扫描10次并加和取平均值，获得的时域太赫兹波谱如附图4所示。通过快速傅里叶变换，获得频域太赫兹波谱如附图5所示。单次扫描的时间小于0.5秒。
33.由此可知，本发明实施例可实现高速太赫兹时域谱的扫描采集，相比传统的太赫兹时域谱采集装置几分钟甚至十几分钟的采集时间，本实施例单次扫描的时间已经大大缩短，效率得到极大的提高。
34.尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明公开的实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，所有这些组合和/或结合均应落入本发明的保护范围。