太赫兹时域光谱技术及激光雷达光谱探测误差分析及实验验证

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1、第30卷,第3期　　　光谱学与光谱分析　　　　　　Vol.30,No.3,pp577-5812010年3月　　　　　SpectroscopyandSpectralAnalysisMarch，2010太赫兹时域光谱技术及激光雷达光谱探测误差分析与实验验证刘文涛1，李景文1，孙志慧21.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京1001912.北京理工大学光电工程系，北京100081摘要太赫兹波是指频率介于0.1～10THz之间的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和远红外光之间。大多数生物战剂爆炸物在此波段有特征吸收。与在公共安全领域

2、检测武器、生物战剂等危险品的传统方法相比，太赫兹辐射能量低，不会产生电离辐射，对物质可以做到高灵敏、无损伤和远距离检测。介绍了国内外太赫兹时域光谱技术在在生物战剂爆炸物检测方面的研究最新进展，并设计了一种激光雷达光谱探测与实时测量装置，以傅里叶光学与光信号处理为基础，使用楔形标准具作为分光镜，实现背景噪声去除、激光探测和光谱测量。测试结果表明，可探测激光雷达脉冲宽度为10ns，并初步探讨了影响实验结果的几种因素，提出将激光雷达光谱探测技术与太赫兹时域光谱技术相结合，并采用现代模式识别、信号处理技术是生物化学战剂爆炸物实时光

3、谱检测技术的发展趋势。关键词太赫兹时域光谱；楔形标准具；激光雷达；生化战剂中图分类号：TN958.98文献标识码：ADOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2010)03-0577-05第30卷,第3期　　　光谱学与光谱分析　　　　　　Vol.30,No.3,pp577-5812010年3月　　　　　SpectroscopyandSpectralAnalysisMarch，2010引言　　恐怖袭击事件如汽车炸弹、机场等公众聚集场所的恶意爆炸及生化战剂问题，严重困扰着当今社会安全和人类文明进步。目前，常用的

4、安检技术有X射线安检技术、电子安全廊、核磁共振检测技术、活化检测技术等。传统的安检技术对一些片状和液体状等特殊爆炸物易出现漏检，对危险品的种类也难于确认，且由于对人体存在一定的辐射损伤而无法用于对人员的检查。而太赫兹波(简称THz波)作为频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射(1THz=1012Hz)，其波段在微波和红外光之间，在THz波频率范围内，很多相对可见光和红外光不透明的材料是近似透明的；THz波的波长远小于微波辐射，从而可以获得更高的空间分辨率；THz波对活性组织的无损害性等，因此有望

5、利用该技术实现在车站、机场对行李或旅客进行远距离检测［1-4］。本文对THz波在生化战剂探测识别领域进行了理论研究，并设计了一种基于双光束干涉傅里叶变换光谱探测技术的激光雷达探测与光谱测量装置，利用干涉图和光谱图之间的傅里叶变换对的关系，通过对探测到的干涉图做傅里叶变换得到目标的光谱分布，该光谱探测技术具有较高的推广和使用价值，也可应用在气体、生物化学战剂实时光谱检测等领域。1　THz时域光谱技术收稿日期：2009-02-26，修订日期：2009-05-28基金项目：总装(973)项目(5131702)和国家(863计划)

6、激光技术领域项目资助作者简介：刘文涛，1983年生，北京航空航天大学电子信息工程学院博士研究生e-mail:wentaoliu1983@126.com　　THz时域光谱技术（THz-timedomainspectroscopy,THz-TDS）是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。典型的THz时域光谱系统主要由飞秒激光器、THz辐射产生装置、THz辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。飞秒激光器所产生的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分成两束，一束为泵浦光束，经过时间延迟系统后入射到THz辐射源上产生T

7、Hz辐射，另一束为探测光束，它和THz光束同向、同线入射到THz探测器件上，通过调节探测脉冲和THz脉冲之间的时间延迟来探测THz脉冲的整个波形。1.1　THz-TDS光路系统THz-TDS技术一般使用泵浦探测方法，其实验装置主要分为透射型、反射型、差分型和集成THz共振器型。典型的太赫兹时域光谱系统如图1所示，采用光谱物理公司生产的Maitai激光器作为泵浦和探测光源，它的中心波长为800nm，输出脉宽约为100fs，脉冲重复率为82MHz。Maitai激光器产生的飞秒脉冲经分束镜(CBS)分为两束，透射的那束光强较强作

8、为泵浦光，它通过可变延迟线入射到THz发射极（InAs<100>）上，在此发生光整流效应从而产生THz脉冲，THz脉冲被两组离轴抛面反射镜(PM1-PM4)进行聚焦和准直之后，被聚焦到THz探测晶体（ZnTe<110>）上；而反射的那束光强较弱可作为探测光，它经过一系列的反射镜（M7-M12），经检偏器