基于返波管的葡萄糖太赫兹光谱研究

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(1.上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093;2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

太赫兹波是对于一个特定波段的电磁辐射的统称,它的频率范围一般在微波和红外辐射之间(0.1～10 THz,1 THz=1012Hz),这一频率范围内的电磁波具有丰富的科学内容和广阔的应用前景[1-4]。其中,太赫兹波对非极性物质有很强的穿透性,许多生物大分子的振动和转动频率均落于此波段,因此,太赫兹波在生物传感领域有着天然的优势。

研究一般是利用相干太赫兹脉冲具有宽频谱带宽的特点,通过材料的入射/反射系数来获取材料的物理信息,但是宽频太赫兹脉冲的频谱分辨率不高,从而限制了传感器的灵敏度。返波振荡器(BWO)作为经典的电真空器件,具有较高的功率水平,极佳的单色特性和极化性能[5-9],尤为关键的是,它可以通过改变工作电压改变实现频率的连续调谐,具有极高的频率分辨率,非常适合于作为高灵敏度传感器的辐射源。20世纪90年代,俄罗斯科学家就开始研究基于THz-BWO的光谱测量方法和实验系统[3]。利用基于BWO的光谱分析法,同样可以获得材料的入射、反射系数和介电常数,从而获得材料的物理特性[11-15]。本文将介绍一项基于BWO的葡萄糖太赫兹透射光谱研究,首先介绍系统的软硬件实现,然后在此基础上分别进行葡萄糖溶液的单频和扫频实验。

1 系统介绍

系统主要分为硬件和软件平台两部分,主要设备有MicroTech Intruments公司的返波管套件,俄罗斯Tydex公司的高莱探测器(GC-1P),Stanford Research Systems公司的数字锁相放大器(SR830)。

BWO套件包括一根返波管,一台电压控制箱以及一个16位的数模转换器。电压控制箱用于给返波管供电并且控制其电压输入,可以手动调控或者电脑控制。电压箱的输入电压为110 V,在国内220 V供电的情况下需要另加一个变压器来给电压控制箱供电。电压箱的输出电压最大为6 000 V,其电压输出范围应该根据返波管的型号来调节。16位的数模转换器是连接电脑与电压控制箱的桥梁,通过电脑上的软件平台完成电压精确控制以及数据采集。实验中采用QS2-180型号的返波管作为辐射源,输出连续、单频、线偏振、高功率的太赫兹波,光谱范围约为106～176 GHz,光谱分辨率约为1～20 MHz,最大功率约为20 mW。

高莱探测器(GC-1P)是一款高灵敏度、室温条件下使用并且具有平稳的光学响应宽光谱的声光探测器。它通过探头接收太赫兹波段的激光,转换为热电信号,能够有效地探测出其脉冲能量的大小,信号可由BNC接口输出。

数字锁相放大器(SR830)是一款应用广泛、性价比最高的双向DSP锁相放大器,其采用数字信号处理技术,相位稳定性比传统模拟产品高百倍左右,能够从噪声极大环境中理处特定的载波信号。

1.1 系统硬件

硬件部分如图1所示,它是一个透射式的系统。

图1 系统流程图Fig.1 Flow chart of the system

系统可简单地分为辐射源、透射式光路以及数据采集三部分。

辐射源部分,利用电脑通过16位数模转换器来写入命令到电压控制箱,实时调控BWO的输入电压,从而能够精确得到并且保存输入电压信息,用于实验分析。

系统采用透射式光路,通过透过率的变化来检测样品的特性。太赫兹波从辐射源出来后是发散光,通过一块特氟龙透镜进行准直,焦距不要太大,以减少能量损失。经过准直的太赫兹波经斩波调制后,再通过一块特氟龙透镜进行聚焦,在焦点处放置测试样品。

透过样品的太赫兹波再经过准直聚焦后,进入高莱探测器进行光电转换,把光强信号转换为电压值,此电压值与斩波器的调制信号同时输入锁相放大器。锁相放大器根据设定的频率采集信号值,然后经过GPIB口传递给电脑以完成数据采集。

1.2 系统软件平台

软件平台是本系统的关键,它作为上位机实时控制下位机的状态,并接收下位机的反馈。本系统软件平台采用LabVIEW语言进行编写,其界面如图2所示。

图2 软件界面Fig.2 The software interface

软件平台的功能主要分为两部分:单频控制以及扫频控制,可以通过选项板进行切换。

单频控制指的是,在软件端输入一个固定频率值,然后探测BWO的输出信号值。为了避免BWO源的电压波动带来的误差,在单频测试中,通过循环采集50次取其平均幅值来得到最后的有效值,在软件界面上可以通过观察波形图实时了解采样点数及信号值。

扫频控制指的是,在一定频率范围内使BWO的输出信号频率按照一定频率步长递增,记录每个频点的信号值,完成扫频。通过控制起始频率和截止频率来调控扫频范围,通过设置测试步长来控制扫频精度。程序会根据频率范围以及步长来计算出采样点数以及采样时间;通过波形图表实时显示信号幅值,通过XY图来最终画出频谱图。

平台通过VISA实现串口通信,向16位数模转换器中写入命令,实时调节电压控制箱的输出电压;利用VISA实现与锁相放大器的通信,读取锁相放大器采集的信号值并存储到电脑中。如图2所示,可实现锁相放大器以及数模转换器的接口参数设置,其中,锁相放大器的接口是GPIB口,而数模转换器的接口是COM口。

2 实验分析

考虑到高莱探测器的推荐调制频率为15±5 Hz,实验中设定18 Hz作为调制频率,并以此作为斩波器的斩波频率。锁相放大器的时间常数通常用作设置内部低通滤波器的带宽,时间常数越长,其等效噪声带宽越窄,抑制噪声的能力也就越强,但相应速度也会越来越慢,实验中时间常数取300 ms。完成以上设置后,首先对BWO做一个扫频测试,以找到其信号能量最强的频点处,从而在此频点处做样品单频测试工作。此时,不加任何样品,让太赫兹波经过图1 中的光路,用锁相放大器进行数据采集。

如图3所示,在155 GHz处测得的信号最强为273 mV,而高莱探测器的噪声约为20×10-3mV左右,信噪比可达到83 dB,极大地提高了测试的准确性。找到了信号最强的频点处后,利用BWO单频控制程序在此频点处进行样品测试。

图4是155 GHz的太赫兹信号经过不同质量浓度葡萄糖溶液后其透过率与溶液质量浓度的关系。本次测试检测了7种不同质量浓度的葡萄糖溶液,从图4中可看出,随着溶液质量浓度的升高,其透过率不断变大,这说明物质质量浓度越高,含水量越少,混合物溶液对太赫兹的吸收也就越弱,故其透过率不断变大。

图3 BWO频谱图Fig.3 The spectrum of BWO

图4 155 GHz时葡萄糖溶液浓度与透过率的关系Fig.4 The relation of concentration and transmission of glucose solution at 155 GHz

在完成单频样品测试试验后,我们又对三种不同质量浓度的葡萄糖溶液样品进行了扫频实验,如图5所示。

图5展示了质量浓度分别为5 g/L、100 g/L以及200 g/L的葡萄糖溶液的太赫兹透过率图谱。从图5中可以看到三种质量浓度的葡萄糖溶液在136 GHz处都出现了一个明显的特征峰,可以视为葡萄糖溶液太赫兹指纹谱的重要特征峰,从而有效地鉴别葡萄糖溶液。另外一个明显的特征是,随着溶液质量浓度的升高,其太赫兹透过率也随之升高。这是因为物质的质量浓度越高,水含量越低,混合物溶液对太赫兹波的吸收也越少。与许多利用THz-TDS系统进行葡萄糖溶液测试的方法相比[16-17],本系统的优势主要体现在两方面。其一是信号能量强,这一点对于太赫兹频段的溶液检测实验非常重要。因为太赫兹在水中的损耗非常大,导致透过信号的信噪比非常低。其二是信号频率分辨率非常高,可以达到1 MHz,远高于许多TDS系统的频率分辨率,从而可以检测到更多频率特征峰。至于BWO信号频段范围窄的问题可以通过倍频器倍频来解决,本系统经倍频后最高频率可达2 THz。

从图5可以看到,在136 GHz处的透过率特别高,为此,再次使用单频控制程序在136 GHz处进行不同质量浓度葡萄糖溶液的透过率测试,得到图6。从图6可以看到,相比于图4,各种质量浓度的葡萄糖溶液的透过率有着显著的提升,且保持相同的趋势,说明136 GHz处确实是葡萄糖的一个特征峰,可以有效地鉴别葡萄糖溶液。

图5 三种不同质量浓度的葡萄糖溶液的BWO频谱图Fig.5 The BWO spectrogram of three different concentrations of glucose solution

图6 136 GHz时葡萄糖溶液浓度与透过率的关系Fig.6 The relation of concentration and transmission of glucose solution at 136 GHz

3 结 论

本文设计了一种基于BWO的太赫兹透射系统。利用BWO套件、数字锁相放大器以及高莱探测器等完成系统硬件部分的搭建。在LabVIEW编程环境下完成系统软件部分的设计,用于实现对下位机的参数设置以及数据采集等任务。通过扫频实验得到最大信号值处的频率点,并在此频率点处完成不同葡萄糖溶液质量浓度下的透射实验,得到相应的质量浓度与透过率的关系。同时还进行了不同葡萄糖溶液质量浓度的扫频实验,得到了透过率特征峰,并且表明利用BWO产生的太赫兹光谱可以对不同质量浓度的葡萄糖溶液进行鉴别,为以后展开基于BWO的太赫兹测试实验提供参考。

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