太赫茲光纖傳感裝置及利用該裝置的污染物檢測方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種太赫茲光纖傳感裝置及利用該裝置的污染物檢測方法。太赫茲光纖傳感測量系統包括：超短脈沖激光器，用于產生超短脈沖激光；分束器，用于將超短脈沖激光分為探測光和泵浦光；太赫茲發射器，產生太赫茲波；太赫茲光纖傳感裝置，包括太赫茲光纖和樣品盛放裝置，樣品盛放裝置中盛放的待測樣品與太赫茲光纖的包層接觸；延遲線裝置，在探測光和泵浦光之間產生可調節的時間延遲；太赫茲探測器，包括能夠與探測光和太赫茲波發生相互作用而產生探測信號的太赫茲探測裝置。根據本發明專利技術的太赫茲光纖傳感測量系統具有低損耗、色散可控制、耦合效率高、有利于液體的檢測等優點，能實現高靈敏度的微量液體檢測，降低對樣品體積和質量的要求。

【技術實現步驟摘要】
太赫茲光纖傳感裝置及利用該裝置的污染物檢測方法
本專利技術涉及一種太赫茲光纖傳感裝置，特別是一種使用太赫茲光纖傳感裝置對污染物進行高靈敏測量的系統和方法。
技術介紹
自20世紀70年代初美國環境保護局首次在水中發現氯的衍生物以來，水中有機物污染及其對人體健康的影響已日益引起人們的關注。為了及時制止水質惡化從而有效限制水污染事故的發生，必須在水質質變之前進行準確的報警并采取有效的應急措施。但是目前中國缺乏水污染前期的信息和相應的技術支持，無法在水污染事故發生之前及時預警而大多是進行事后統計，此時已造成了重大的經濟和社會損失。水環境安全問題，事關國計民生，因此建立及完善水質監測系統是當下亟待解決的問題之一。其中，研究水污染檢測技術，實現一些低濃度(微量、痕量)有機污染物的高靈敏探測，對于及時有效地防治水污染，避免重大經濟和社會損失是非常必要的。太赫茲波是指頻率在0.1THz--10THz遠紅外波段的相干電磁輻射，處于電磁波譜中電子學向光子學過渡的特殊位置，因其具有透視性、安全性、光譜分辨本領等獨特的本領，而表現出廣泛的學術價值和應用前景。隨著太赫茲技術的發展，太赫茲光譜及成像在生物學、醫學疾病診斷、材料科學、軍事以及化學基礎研究等許多領域展現出巨大的應用潛力。太赫茲時域光譜技術是國際上近年來發展起來的太赫茲輻射的應用技術之一，是一種新興的光譜技術，是太赫茲光譜技術的核心研發領域。太赫茲時域光譜所具有的相干探測方法、高的時間分辨率和高靈敏度為人們展現了一個全新的光譜學研究視角，也給光譜學研究者提供了新的機遇，因此已經得到各個國家及各大研究所關注的前沿研究方向。物質在太赫茲波段有著豐富的光譜信息，大分子的轉動和振動能級，分子間的弱相互作用和聲子振動都落在太赫茲波段，而由這些振動躍遷造成的吸收和色散特性，有著類似于指紋的唯一性。實驗證明，有機物大分子、水分子在平衡位置附近平動和轉動的弛豫時間處于皮秒、亞皮秒量級。這使得有機分子、水分子與太赫茲波之間的相互作用異常強烈。由于太赫茲波這一獨有的特性，太赫茲時域光譜能夠有效地檢測到陽離子和陰離子對水合作用的影響，并能由此分析水溶液里離子之間的協同性，進而獲取水中信息，反映水質情況。因而，太赫茲技術在水溶液研究領域具有獨特的優越性，有望發展為一種新型的水污染檢測方法。然而，利用傳統的太赫茲時域光譜技術進行水污染檢測仍面臨巨大挑戰。首先，水對太赫茲輻射有著強烈的吸收作用，現有技術不能有效克服甚至利用這種吸收作用。其次，現有技術還不能設計高靈敏度的太赫茲波段傳感器，以及在進一步發展太赫茲無損檢測技術使其更適用于液體測量存在一些技術障礙。另外，目前大多數太赫茲時域光譜系統最小光斑直徑較大，整個光斑需要覆蓋被測樣品才能得到較強的光譜響應，所以對探測樣品的大小有一定要求，而樣品的厚度受限于太赫茲時域光譜的相位響應，所以樣品的厚度不能過薄，也就是說，受限于三個維度上的尺寸，太赫茲時域光譜技術無法實現微量液體樣品探測。
技術實現思路
傳統的太赫茲技術進行水污染檢測面臨著如前所述的各種各樣巨大挑戰，其最大的挑戰就在于：水對太赫茲波有著強烈的吸收作用，有效克服甚至利用這種吸收作用并設計適用于液體測量的高靈敏度太赫茲波段傳感器難度較大。而目前大多數太赫茲時域光譜系統尚無法實現高靈敏度的水污染探測。為克服現有技術的不足，本專利技術提出一種用于水污染檢測的高靈敏度太赫茲光纖傳感方法。傳統的太赫茲時域光譜系統由于其檢測方法的局限，無法實現樣品的微量液體檢測，針對這一缺陷，本專利技術提出一種用于水污染檢測的太赫茲光纖傳感方法。本專利技術利用太赫茲亞波長光纖倏逝波傳感技術，實現一種快捷、靈敏、實用的水污染物太赫茲微量傳感。這種方法既能實現低損耗波導，又能利用其倏逝波機制實現高靈敏度的微量檢測。根據本專利技術的實施例，提供一種太赫茲光纖傳感測量系統，包括：超短脈沖激光器，用于產生超短脈沖激光；分束器，用于將超短脈沖激光分為探測光和泵浦光；太赫茲發射器，包括太赫茲源，泵浦光照射到太赫茲源上，從而產生太赫茲波；太赫茲光纖傳感裝置，包括太赫茲光纖和樣品盛放裝置，其中，所述太赫茲光纖是太赫茲亞波長聚合物光纖，樣品盛放裝置中盛放的待測樣品與太赫茲光纖的包層接觸；延遲線裝置，在探測光和泵浦光之間產生可調節的時間延遲；直角棱鏡，用于折疊光路并與延遲線裝置配合；太赫茲探測器，包括能夠與探測光和太赫茲波發生相互作用而產生探測信號的太赫茲探測裝置。太赫茲源包括光電導材料和非線性介質中的至少一種。所述太赫茲發射器還包括：超短脈沖激光聚焦透鏡，用于聚焦泵浦光。所述太赫茲發射器還包括：太赫茲波束準直透鏡，用于對太赫茲源產生的太赫茲波束進行準直，以產生平行的太赫茲波束。所述太赫茲發射器還包括：太赫茲擴束裝置，對太赫茲波束進行擴束。所述系統還包括：第一拋面鏡，第一拋面鏡將太赫茲波反射到太赫茲光纖傳感裝置中的太赫茲光纖中。所述系統還包括：第二拋面鏡，將經過太赫茲光纖傳感裝置的太赫茲波反射到太赫茲探測器中。太赫茲亞波長聚合物光纖的纖芯直徑為100μm-500μm。太赫茲亞波長聚合物光纖的纖芯直徑為300μm。太赫茲光纖傳感裝置還包括光纖夾具和光纖耦合器，光纖夾具用于固定太赫茲光纖，光纖耦合器可用于將太赫茲波耦合到太赫茲光纖中。所述太赫茲探測器還包括超短脈沖激光聚焦透鏡和太赫茲波束準直透鏡。延遲線裝置包括光束回返鏡，光束回返鏡的反射面尺寸剛好能夠滿足光束回返的空間需求。延遲線裝置還包括音圈電機，光束回返鏡裝配在音圈電機的運動部件上，音圈電機的行程為50mm-150mm。所述系統還包括反射鏡，用于將從直角棱鏡反射的泵浦光反射到太赫茲探測器中。所述太赫茲光纖傳感裝置包括：第一太赫茲光纖傳感裝置，其包括的樣品盛放裝置具有第一長度；第二太赫茲光纖傳感裝置，其包括的樣品盛放裝置具有第二長度。所述系統測量太赫茲波的相位，并進一步利用太赫茲波的相位來得到待測樣品的折射率。根據本專利技術的實施例，提供一種太赫茲光纖傳感裝置，包括：太赫茲光纖，其中，所述太赫茲光纖是太赫茲亞波長聚合物光纖，其纖芯直徑為100μm-1mm；樣品盛放裝置，樣品盛放裝置中盛放的待測樣品與太赫茲光纖的包層接觸；光纖夾具，用于固定太赫茲光纖；光纖耦合器，用于將太赫茲波耦合到太赫茲光纖中。根據本專利技術的實施例，提供一種使用如前所述的太赫茲光纖傳感測量系統對物質進行測量的方法，所述方法包括：使超短脈沖激光器發出超短脈沖激光束，然后經分束器分成探測光和泵浦光；使泵浦光射向太赫茲發射器以產生太赫茲波；將太赫茲波入射到第一太赫茲光纖傳感裝置中，經倏逝場作用后入射到太赫茲探測器中，使探測光也入射到太赫茲探測器中，使用太赫茲探測器分別測量第一太赫茲光纖傳感裝置未放置待測樣品時與放置待測樣品時的太赫茲波的相位將太赫茲波入射到第二太赫茲光纖傳感裝置中，經倏逝場作用后入射到太赫茲探測器中，使探測光也入射到太赫茲探測器中，使用太赫茲探測器分別測量第二太赫茲光纖傳感裝置未放置待測樣品時與放置待測樣品時的太赫茲波的相位計算得到太赫茲波相位差利用太赫茲波相位差計算得到待測樣品的折射率nsam。第一太赫茲光纖傳感裝置中設置有與包層接觸的第一長度的待測樣品，第二太赫茲光纖傳感裝置中設置有與包層接觸的第二長度的待測樣品。假設太赫茲本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種太赫茲光纖傳感測量系統，包括：超短脈沖激光器，用于產生超短脈沖激光；分束器，用于將超短脈沖激光分為探測光和泵浦光；太赫茲發射器，包括太赫茲源，泵浦光照射到太赫茲源上，從而產生太赫茲波；太赫茲光纖傳感裝置，包括太赫茲光纖和樣品盛放裝置，其中，所述太赫茲光纖是太赫茲亞波長聚合物光纖，樣品盛放裝置中盛放的待測樣品與太赫茲光纖的包層接觸；延遲線裝置，在探測光和泵浦光之間產生可調節的時間延遲；直角棱鏡，用于折疊光路并與延遲線裝置配合；太赫茲探測器，包括能夠與探測光和太赫茲波發生相互作用而產生探測信號的太赫茲探測裝置。

【技術特征摘要】
1.一種用于測量液體折射率的太赫茲光纖傳感測量系統，包括：超短脈沖激光器，用于產生超短脈沖激光；分束器，用于將超短脈沖激光分為探測光和泵浦光；太赫茲發射器，包括太赫茲源，泵浦光照射到太赫茲源上，從而產生太赫茲波；太赫茲光纖傳感裝置，包括太赫茲光纖和樣品盛放裝置，其中，所述太赫茲光纖是太赫茲亞波長聚合物光纖，樣品盛放裝置中盛放的待測樣品與太赫茲光纖的包層接觸；延遲線裝置，在探測光和泵浦光之間產生可調節的時間延遲；直角棱鏡，用于折疊光路并與延遲線裝置配合；太赫茲探測器，包括能夠與探測光和太赫茲波發生相互作用而產生探測信號的太赫茲探測裝置；其中，所述太赫茲光纖傳感裝置包括：第一太赫茲光纖傳感裝置，其包括的樣品盛放裝置具有第一長度；第二太赫茲光纖傳感裝置，其包括的樣品盛放裝置具有第二長度；并且所述第一長度和所述第二長度不同。2.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，所述太赫茲發射器還包括：超短脈沖激光聚焦透鏡，用于聚焦泵浦光。3.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，所述太赫茲發射器還包括：太赫茲波束準直透鏡，用于對太赫茲源產生的太赫茲波束進行準直，以產生平行的太赫茲波束；太赫茲擴束裝置，對太赫茲波束進行擴束。4.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，所述系統還包括：第一拋面鏡，第一拋面鏡將太赫茲波反射到太赫茲光纖傳感裝置中的太赫茲光纖中；第二拋面鏡，將經過太赫茲光纖傳感裝置的太赫茲波反射到太赫茲探測器中。5.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，其中，太赫茲亞波長聚合物光纖的纖芯直徑為100μm-500μm。6.根據權利要求5所述的太赫茲光纖傳感測量系統，太赫茲亞波長聚合物光纖的纖芯直徑為300μm。7.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，其中，太赫茲光纖傳感裝置還包括光纖夾具和光纖耦合器，光纖夾具用于固定太赫茲光纖，光纖耦合器可用于將太赫茲波耦合到太赫茲光纖中。8.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，所述太赫茲探測器還包括超短脈沖激光聚焦透鏡和太赫茲波束準直透鏡。9.根據權利要求1所述的太赫茲光纖傳感測量系統，其中，延...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉文權，魯遠甫，呂建成，焦國華，陳四海，董玉明，佘榮斌，
申請(專利權)人：深圳先進技術研究院，
類型：發明
國別省市：廣東;44