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        基于返波管的葡萄糖太赫茲光譜研究

        2018-05-19 07:22:11,,,
        光學儀器 2018年2期
        關(guān)鍵詞:掃頻鎖相赫茲

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        (1.上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室, 上海 200093;2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093)

        引 言

        太赫茲波是對于一個特定波段的電磁輻射的統(tǒng)稱,它的頻率范圍一般在微波和紅外輻射之間(0.1~10 THz,1 THz=1012Hz),這一頻率范圍內(nèi)的電磁波具有豐富的科學內(nèi)容和廣闊的應用前景[1-4]。其中,太赫茲波對非極性物質(zhì)有很強的穿透性,許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率均落于此波段,因此,太赫茲波在生物傳感領域有著天然的優(yōu)勢。

        研究一般是利用相干太赫茲脈沖具有寬頻譜帶寬的特點,通過材料的入射/反射系數(shù)來獲取材料的物理信息,但是寬頻太赫茲脈沖的頻譜分辨率不高,從而限制了傳感器的靈敏度。返波振蕩器(BWO)作為經(jīng)典的電真空器件,具有較高的功率水平,極佳的單色特性和極化性能[5-9],尤為關(guān)鍵的是,它可以通過改變工作電壓改變實現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)諧,具有極高的頻率分辨率,非常適合于作為高靈敏度傳感器的輻射源。20世紀90年代,俄羅斯科學家就開始研究基于THz-BWO的光譜測量方法和實驗系統(tǒng)[3]。利用基于BWO的光譜分析法,同樣可以獲得材料的入射、反射系數(shù)和介電常數(shù),從而獲得材料的物理特性[11-15]。本文將介紹一項基于BWO的葡萄糖太赫茲透射光譜研究,首先介紹系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn),然后在此基礎上分別進行葡萄糖溶液的單頻和掃頻實驗。

        1 系統(tǒng)介紹

        系統(tǒng)主要分為硬件和軟件平臺兩部分,主要設備有MicroTech Intruments公司的返波管套件,俄羅斯Tydex公司的高萊探測器(GC-1P),Stanford Research Systems公司的數(shù)字鎖相放大器(SR830)。

        BWO套件包括一根返波管,一臺電壓控制箱以及一個16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。電壓控制箱用于給返波管供電并且控制其電壓輸入,可以手動調(diào)控或者電腦控制。電壓箱的輸入電壓為110 V,在國內(nèi)220 V供電的情況下需要另加一個變壓器來給電壓控制箱供電。電壓箱的輸出電壓最大為6 000 V,其電壓輸出范圍應該根據(jù)返波管的型號來調(diào)節(jié)。16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是連接電腦與電壓控制箱的橋梁,通過電腦上的軟件平臺完成電壓精確控制以及數(shù)據(jù)采集。實驗中采用QS2-180型號的返波管作為輻射源,輸出連續(xù)、單頻、線偏振、高功率的太赫茲波,光譜范圍約為106~176 GHz,光譜分辨率約為1~20 MHz,最大功率約為20 mW。

        高萊探測器(GC-1P)是一款高靈敏度、室溫條件下使用并且具有平穩(wěn)的光學響應寬光譜的聲光探測器。它通過探頭接收太赫茲波段的激光,轉(zhuǎn)換為熱電信號,能夠有效地探測出其脈沖能量的大小,信號可由BNC接口輸出。

        數(shù)字鎖相放大器(SR830)是一款應用廣泛、性價比最高的雙向DSP鎖相放大器,其采用數(shù)字信號處理技術(shù),相位穩(wěn)定性比傳統(tǒng)模擬產(chǎn)品高百倍左右,能夠從噪聲極大環(huán)境中理處特定的載波信號。

        1.1 系統(tǒng)硬件

        硬件部分如圖1所示,它是一個透射式的系統(tǒng)。

        圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of the system

        系統(tǒng)可簡單地分為輻射源、透射式光路以及數(shù)據(jù)采集三部分。

        輻射源部分,利用電腦通過16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來寫入命令到電壓控制箱,實時調(diào)控BWO的輸入電壓,從而能夠精確得到并且保存輸入電壓信息,用于實驗分析。

        系統(tǒng)采用透射式光路,通過透過率的變化來檢測樣品的特性。太赫茲波從輻射源出來后是發(fā)散光,通過一塊特氟龍透鏡進行準直,焦距不要太大,以減少能量損失。經(jīng)過準直的太赫茲波經(jīng)斬波調(diào)制后,再通過一塊特氟龍透鏡進行聚焦,在焦點處放置測試樣品。

        透過樣品的太赫茲波再經(jīng)過準直聚焦后,進入高萊探測器進行光電轉(zhuǎn)換,把光強信號轉(zhuǎn)換為電壓值,此電壓值與斬波器的調(diào)制信號同時輸入鎖相放大器。鎖相放大器根據(jù)設定的頻率采集信號值,然后經(jīng)過GPIB口傳遞給電腦以完成數(shù)據(jù)采集。

        1.2 系統(tǒng)軟件平臺

        軟件平臺是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,它作為上位機實時控制下位機的狀態(tài),并接收下位機的反饋。本系統(tǒng)軟件平臺采用LabVIEW語言進行編寫,其界面如圖2所示。

        圖2 軟件界面Fig.2 The software interface

        軟件平臺的功能主要分為兩部分:單頻控制以及掃頻控制,可以通過選項板進行切換。

        單頻控制指的是,在軟件端輸入一個固定頻率值,然后探測BWO的輸出信號值。為了避免BWO源的電壓波動帶來的誤差,在單頻測試中,通過循環(huán)采集50次取其平均幅值來得到最后的有效值,在軟件界面上可以通過觀察波形圖實時了解采樣點數(shù)及信號值。

        掃頻控制指的是,在一定頻率范圍內(nèi)使BWO的輸出信號頻率按照一定頻率步長遞增,記錄每個頻點的信號值,完成掃頻。通過控制起始頻率和截止頻率來調(diào)控掃頻范圍,通過設置測試步長來控制掃頻精度。程序會根據(jù)頻率范圍以及步長來計算出采樣點數(shù)以及采樣時間;通過波形圖表實時顯示信號幅值,通過XY圖來最終畫出頻譜圖。

        平臺通過VISA實現(xiàn)串口通信,向16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器中寫入命令,實時調(diào)節(jié)電壓控制箱的輸出電壓;利用VISA實現(xiàn)與鎖相放大器的通信,讀取鎖相放大器采集的信號值并存儲到電腦中。如圖2所示,可實現(xiàn)鎖相放大器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口參數(shù)設置,其中,鎖相放大器的接口是GPIB口,而數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口是COM口。

        2 實驗分析

        考慮到高萊探測器的推薦調(diào)制頻率為15±5 Hz,實驗中設定18 Hz作為調(diào)制頻率,并以此作為斬波器的斬波頻率。鎖相放大器的時間常數(shù)通常用作設置內(nèi)部低通濾波器的帶寬,時間常數(shù)越長,其等效噪聲帶寬越窄,抑制噪聲的能力也就越強,但相應速度也會越來越慢,實驗中時間常數(shù)取300 ms。完成以上設置后,首先對BWO做一個掃頻測試,以找到其信號能量最強的頻點處,從而在此頻點處做樣品單頻測試工作。此時,不加任何樣品,讓太赫茲波經(jīng)過圖1 中的光路,用鎖相放大器進行數(shù)據(jù)采集。

        如圖3所示,在155 GHz處測得的信號最強為273 mV,而高萊探測器的噪聲約為20×10-3mV左右,信噪比可達到83 dB,極大地提高了測試的準確性。找到了信號最強的頻點處后,利用BWO單頻控制程序在此頻點處進行樣品測試。

        圖4是155 GHz的太赫茲信號經(jīng)過不同質(zhì)量濃度葡萄糖溶液后其透過率與溶液質(zhì)量濃度的關(guān)系。本次測試檢測了7種不同質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液,從圖4中可看出,隨著溶液質(zhì)量濃度的升高,其透過率不斷變大,這說明物質(zhì)質(zhì)量濃度越高,含水量越少,混合物溶液對太赫茲的吸收也就越弱,故其透過率不斷變大。

        圖3 BWO頻譜圖Fig.3 The spectrum of BWO

        圖4 155 GHz時葡萄糖溶液濃度與透過率的關(guān)系Fig.4 The relation of concentration and transmission of glucose solution at 155 GHz

        在完成單頻樣品測試試驗后,我們又對三種不同質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液樣品進行了掃頻實驗,如圖5所示。

        圖5展示了質(zhì)量濃度分別為5 g/L、100 g/L以及200 g/L的葡萄糖溶液的太赫茲透過率圖譜。從圖5中可以看到三種質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液在136 GHz處都出現(xiàn)了一個明顯的特征峰,可以視為葡萄糖溶液太赫茲指紋譜的重要特征峰,從而有效地鑒別葡萄糖溶液。另外一個明顯的特征是,隨著溶液質(zhì)量濃度的升高,其太赫茲透過率也隨之升高。這是因為物質(zhì)的質(zhì)量濃度越高,水含量越低,混合物溶液對太赫茲波的吸收也越少。與許多利用THz-TDS系統(tǒng)進行葡萄糖溶液測試的方法相比[16-17],本系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面。其一是信號能量強,這一點對于太赫茲頻段的溶液檢測實驗非常重要。因為太赫茲在水中的損耗非常大,導致透過信號的信噪比非常低。其二是信號頻率分辨率非常高,可以達到1 MHz,遠高于許多TDS系統(tǒng)的頻率分辨率,從而可以檢測到更多頻率特征峰。至于BWO信號頻段范圍窄的問題可以通過倍頻器倍頻來解決,本系統(tǒng)經(jīng)倍頻后最高頻率可達2 THz。

        從圖5可以看到,在136 GHz處的透過率特別高,為此,再次使用單頻控制程序在136 GHz處進行不同質(zhì)量濃度葡萄糖溶液的透過率測試,得到圖6。從圖6可以看到,相比于圖4,各種質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液的透過率有著顯著的提升,且保持相同的趨勢,說明136 GHz處確實是葡萄糖的一個特征峰,可以有效地鑒別葡萄糖溶液。

        圖5 三種不同質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液的BWO頻譜圖Fig.5 The BWO spectrogram of three different concentrations of glucose solution

        圖6 136 GHz時葡萄糖溶液濃度與透過率的關(guān)系Fig.6 The relation of concentration and transmission of glucose solution at 136 GHz

        3 結(jié) 論

        本文設計了一種基于BWO的太赫茲透射系統(tǒng)。利用BWO套件、數(shù)字鎖相放大器以及高萊探測器等完成系統(tǒng)硬件部分的搭建。在LabVIEW編程環(huán)境下完成系統(tǒng)軟件部分的設計,用于實現(xiàn)對下位機的參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)采集等任務。通過掃頻實驗得到最大信號值處的頻率點,并在此頻率點處完成不同葡萄糖溶液質(zhì)量濃度下的透射實驗,得到相應的質(zhì)量濃度與透過率的關(guān)系。同時還進行了不同葡萄糖溶液質(zhì)量濃度的掃頻實驗,得到了透過率特征峰,并且表明利用BWO產(chǎn)生的太赫茲光譜可以對不同質(zhì)量濃度的葡萄糖溶液進行鑒別,為以后展開基于BWO的太赫茲測試實驗提供參考。

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