太赫兹源发散角测量技术研究

俞 兵，王宝龙，李宏光，解 琪，马世帮

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；2.国防知识产权局，北京 100088）

引言

太赫兹波段位于红外和微波之间，太赫兹技术是国际上重点研究的交叉性前沿技术[1-5]。太赫兹源计量技术是制约太赫兹技术应用发展的瓶颈，发散角是太赫兹源光束特性的重要衡量指标[6-9]。在依据太赫兹源光束特性设计太赫兹光学系统时，需要准确的太赫兹源发散角参数。如果太赫兹源发散角实际测量值和设计值不匹配，则会导致太赫兹系统接收到的辐射能量出现偏差，进而降低太赫兹信号的信噪比和灵敏度，因此急需对各种太赫兹源的发散角参数进行准确测量[10-12]。

1 太赫兹源发散角测量方法

1.1 发散角测量原理

太赫兹源发散角是用来表征太赫兹光束质量的重要参数，通常采用太赫兹辐射相对于光束中心向外的发散程度来衡量。太赫兹源发散角测量采用太赫兹探测器转动测量法：太赫兹源保持不动，太赫兹探测器位于以待测太赫兹源为中心的圆弧上，将太赫兹探测器绕太赫兹源移动，测量对应的太赫兹相对辐射强度值。

太赫兹源发散角测量原理为：测量时，开启辐射源一段时间，当辐射源辐射功率稳定时，沿方位方向精密弧形导轨转动探测器，探测器有响应输出，以探测器测得的最大值作为起点。先将探测器移动沿某一方向移动，当探测器输出值达到最大值10%时，这时记录精密导轨的角度值 α1；将探测器移回到最大值处后，再沿相反方向移动探测器，当探测器输出值又达到最大值10%时，记录此时精密导轨的角度值 α2，因此发散角 2ω可由（1）式表示。在竖直方向进行发散角测量时，与在方位方向进行发散角测量类似，其原理如图1所示。

图1 太赫兹源发散角测量原理图Fig.1 Schematic diagram of terahertz source divergence angle measurement

1.2 发散角测量装置

发散角测量装置如图2所示，由精密弧形导轨、斩波器、狭缝组件、太赫兹高莱探测器、锁相放大器和计算机系统组成；斩波器、狭缝组件太赫兹高莱探测器和锁相放大器组成了太赫兹弱信号锁相探测系统。

图2 太赫兹源发散角测量装置立体图Fig.2 Stereogram of terahertz source divergence angle measuring device

1.2.1 精密弧形导轨

精密弧形导轨如图3所示，圆弧半径为400 mm，圆弧长度大于840 mm。采用3块弧形导轨拼接方式，组合成180°，每块弧形导轨的角度为60°。

图3 弧形导轨设计图Fig.3 Design drawing of arc guide rail

1.2.2 太赫兹弱信号锁相探测系统

针对太赫兹弱信号探测，设计了太赫兹弱信号探测方法：斩波调制锁相探测方法。该方法用斩波器把太赫兹辐射调制成周期性变化的方波，由锁相放大器接收。当探测器接收的太赫兹信号比背景信号弱很多时，该方法可在背景噪声中探测并提取出太赫兹信号。

1）斩波器

斩波器提供稳定的调制频率，并给锁相放大器提供斩波信号同步的电平脉冲。斩波器的技术指标为：斩波调制频率范围40 Hz～3.7 kHz；调制频率稳定精度0.05 Hz；调制频率温度漂移250 ppm/℃；输入噪声输入阻抗100 MΩ；灵敏度范围100 nV～500 mV。

2）狭缝组件

狭缝组件放置于太赫兹探测器前，且其中心与探测器探测面中心对齐；狭缝为宽度可调狭缝，可根据待测太赫兹源功率选择不同的狭缝宽度。其中：狭缝有效孔径为6 mm；缝隙长度为6.3 mm；分刻度为0.02 mm。

3）太赫兹高莱探测器

太赫兹高莱太赫兹探测系统如图4所示。高莱探测器辐射吸收器是基底上涂黑的薄金属膜。其原理是：已调制的太赫兹辐射通过前窗并被吸收薄膜吸收后，加热引起气密室中气体的气压上升，进而导致气体的热膨胀。在气密室的内层粘贴着弹性薄膜，气压升高引起薄膜变形，采用光学反射测量法可以检测到变形。从发光二极管（LED）中发出的光束聚焦于活动反射镜，发射光束汇集在光电探测器上，由薄膜变形造成的偏差通过电路读出。在理想条件下，吸收薄膜是经历热传导的唯一媒质。为了做到这一点，窗口和气密室的材料必须是高质量的隔热材料，并且在整个探测频谱上气体都为透明的。气体的导热率也必须小，一般采用氙气[13-15]。

图4 高莱探测器结构图Fig.4 Structure diagram of Golay detector

4）锁相放大器

锁相放大器采用美国斯坦福SR830数字锁相放大器，其技术指标为：时间常数10 μs～30 ks；频率范围1 Hz～102 kHz；动态储存度100 dB；稳定性5 ppm/℃；相位分辨率0.01。

1.2.3 计算机系统

计算机系统装有测量数据处理软件包，包括系统控制模块和太赫兹发散角参数计算模块。系统控制模块的功能是根据太赫兹源辐射强度和发散角大小选择不同的狭缝宽度，并控制改变斩波器频率、锁相放大器时间常数、相位等参数。太赫兹发散角参数计算模块主要是接收锁相放大器输出的电压信号，计算输出发散角值，并显示和保存计算结果。

2 太赫兹源发散角测量装置标定模块

在太赫兹源发散角测量中，发现太赫兹源转动测量法存在着角度测量重复性差，转动过程中空回导致的角度定位精度低的问题。因此，设计了发散角测量装置标定模块，如图5所示，对导轨的角度进行标定，以保证测量结果的准确性。

发散角标定模块包括自准直仪、光学角规、CCD相机。CCD相机能够安装在圆弧导轨刻度系统的接板上，直接利用自准直仪出射的平行光进行对准，也能够利用自准直仪发出的、经过光学角规偏折后的平行光进行对准。光学角规是高精度小角度计量和传递的标准器具，是标定弧形导轨角度的主要器件；光学角规位于圆弧导轨的圆心处，溯源至小角度测量仪基准，其偏向角为10′，偏向角允差为±3″，角度测量不确定度为0.1″（k＝2）。

采用太赫兹发散角标定模块对圆弧导轨刻度系统进行标定的步骤为

1）如图5（a）所示，将CCD相机放置在接板上，移动自准直仪，使自准直仪发出的准直光束照射到CCD相机的中心，CCD相机的电十字瞄准自准直仪十字线；

图5 标定模块结构图Fig.5 Structure diagram of calibration module

2）如图5（b）所示，保持自准直仪不动，将光学角规放置在自准直仪出光口，且光学角规位于圆弧导轨的圆心处，自准直仪出射的光束经过光学角规后产生偏折；在圆弧导轨上移动接板，使CCD相机电十字再次瞄准自准直仪十字线；

3）由圆弧标尺读出接板移动的角度值，将该角度值与光学角规的标准偏转值进行比较，得到接板移动经过的圆弧导轨的标尺角度偏差值，若标尺角度偏差值不大于设定阈值，则表示该段圆弧导轨的标尺符合要求；

4）重复步骤1～3，对选取的若干段圆弧导轨的标尺进行检测，若都符合要求，则进入步骤5，否则重新选定并安装圆弧导轨刻度系统；

5）把圆弧导轨分成若干区间，分区间进行标定，得到圆弧导轨上各个区间的发散角修正系数。首先，将圆弧导轨刻度系统的刻度范围划分为若干区间，每个区间的刻度范围为 2θ，其中太赫兹发散角标准源的发散角标准值为 ±θ；其次，对每个区间使用太赫兹发散角标准源分别进行标定。

3 太赫兹源发散角测量结果

3.1 太赫兹肖特基倍频源发散角测试结果

将肖特基太赫兹源放置于太赫兹发散角测量装置光路中进行测试，其纵向和横向发散角的测量结果如表1和表2所示。

表1 太赫兹肖特基倍频源纵向发散角测试数据Table 1 Test data of longitudinal divergence angle for terahertz Schottky frequency doubling sources

表2 太赫兹肖特基倍频源横向发散角测试数据Table 2 Test data of transverse divergence angle for terahertz Schottky frequency doubling sources

3.2 太赫兹雪崩固态源发散角测试结果

将太赫兹雪崩固态源放置于太赫兹发散角校准装置光路中进行测试，太赫兹源带天线和去掉天线的发散角测量结果如表3和表4所示。

表3 太赫兹雪崩固态源（带天线）发散角测试数据Table 3 Test data of divergence angle for terahertz avalanche solid state sources (with antenna)

表4 太赫兹雪崩固态源（去掉天线）发散角测试数据Table 4 Test data of divergence angle for terahertz avalanche solid state sources（without antenna）

3.3 测量结果不确定度评定

经分析，影响太赫兹源发散角测量结果的不确定度分量包括：精密弧形导轨溯源、探测器和锁相放大器输出信号不准确以及太赫兹源发散角的测量重复性，其测量结果不确定度分析如表5所示。因此，太赫兹源发散角测量扩展不确定度为Urel=3.2%（k=2）。

表5 太赫兹源发散角测量结果不确定度一览表Table 5 Measurement results uncertainty of terahertz source divergence angle

4 结论

本文介绍了一种太赫兹源发散角测量方法及发散角测量装置标定模块，实现了太赫兹肖特基倍频源和太赫兹雪崩固态源不同状态下发散角的准确测量，并对装置测量不确定度进行了评定，其不确定度水平为扩展测量不确定度Urel=3.2%（k=2），测量结果可以满足指导太赫兹成像及通信系统光学系统设计的需求。随着太赫兹通信和光谱成像技术的不断发展，太赫兹源发散角计量技术将会发挥越来越大的作用，为太赫兹波在深空探测、战术通信、反隐身、战场隐蔽目标识别等领域的应用提供了强有力的计量技术支撑[16-18]。