俞 兵，王寶龍，李宏光，解 琪，馬世幫

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.國防知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 100088）

引言

太赫茲波段位于紅外和微波之間，太赫茲技術(shù)是國際上重點(diǎn)研究的交叉性前沿技術(shù)[1-5]。太赫茲源計(jì)量技術(shù)是制約太赫茲技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸，發(fā)散角是太赫茲源光束特性的重要衡量指標(biāo)[6-9]。在依據(jù)太赫茲源光束特性設(shè)計(jì)太赫茲光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，需要準(zhǔn)確的太赫茲源發(fā)散角參數(shù)。如果太赫茲源發(fā)散角實(shí)際測(cè)量值和設(shè)計(jì)值不匹配，則會(huì)導(dǎo)致太赫茲系統(tǒng)接收到的輻射能量出現(xiàn)偏差，進(jìn)而降低太赫茲信號(hào)的信噪比和靈敏度，因此急需對(duì)各種太赫茲源的發(fā)散角參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[10-12]。

1 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量方法

1.1 發(fā)散角測(cè)量原理

太赫茲源發(fā)散角是用來表征太赫茲光束質(zhì)量的重要參數(shù)，通常采用太赫茲輻射相對(duì)于光束中心向外的發(fā)散程度來衡量。太赫茲源發(fā)散角測(cè)量采用太赫茲探測(cè)器轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量法：太赫茲源保持不動(dòng)，太赫茲探測(cè)器位于以待測(cè)太赫茲源為中心的圓弧上，將太赫茲探測(cè)器繞太赫茲源移動(dòng)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的太赫茲相對(duì)輻射強(qiáng)度值。

太赫茲源發(fā)散角測(cè)量原理為：測(cè)量時(shí)，開啟輻射源一段時(shí)間，當(dāng)輻射源輻射功率穩(wěn)定時(shí)，沿方位方向精密弧形導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)器，探測(cè)器有響應(yīng)輸出，以探測(cè)器測(cè)得的最大值作為起點(diǎn)。先將探測(cè)器移動(dòng)沿某一方向移動(dòng)，當(dāng)探測(cè)器輸出值達(dá)到最大值10%時(shí)，這時(shí)記錄精密導(dǎo)軌的角度值 α1；將探測(cè)器移回到最大值處后，再沿相反方向移動(dòng)探測(cè)器，當(dāng)探測(cè)器輸出值又達(dá)到最大值10%時(shí)，記錄此時(shí)精密導(dǎo)軌的角度值 α2，因此發(fā)散角 2ω可由（1）式表示。在豎直方向進(jìn)行發(fā)散角測(cè)量時(shí)，與在方位方向進(jìn)行發(fā)散角測(cè)量類似，其原理如圖1所示。

圖1 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz source divergence angle measurement

1.2 發(fā)散角測(cè)量裝置

發(fā)散角測(cè)量裝置如圖2所示，由精密弧形導(dǎo)軌、斬波器、狹縫組件、太赫茲高萊探測(cè)器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成；斬波器、狹縫組件太赫茲高萊探測(cè)器和鎖相放大器組成了太赫茲弱信號(hào)鎖相探測(cè)系統(tǒng)。

圖2 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量裝置立體圖Fig.2 Stereogram of terahertz source divergence angle measuring device

1.2.1 精密弧形導(dǎo)軌

精密弧形導(dǎo)軌如圖3所示，圓弧半徑為400 mm，圓弧長度大于840 mm。采用3塊弧形導(dǎo)軌拼接方式，組合成180°，每塊弧形導(dǎo)軌的角度為60°。

圖3 弧形導(dǎo)軌設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design drawing of arc guide rail

1.2.2 太赫茲弱信號(hào)鎖相探測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)太赫茲弱信號(hào)探測(cè)，設(shè)計(jì)了太赫茲弱信號(hào)探測(cè)方法：斬波調(diào)制鎖相探測(cè)方法。該方法用斬波器把太赫茲輻射調(diào)制成周期性變化的方波，由鎖相放大器接收。當(dāng)探測(cè)器接收的太赫茲信號(hào)比背景信號(hào)弱很多時(shí)，該方法可在背景噪聲中探測(cè)并提取出太赫茲信號(hào)。

1）斬波器

斬波器提供穩(wěn)定的調(diào)制頻率，并給鎖相放大器提供斬波信號(hào)同步的電平脈沖。斬波器的技術(shù)指標(biāo)為：斬波調(diào)制頻率范圍40 Hz～3.7 kHz；調(diào)制頻率穩(wěn)定精度0.05 Hz；調(diào)制頻率溫度漂移250 ppm/℃；輸入噪聲輸入阻抗100 MΩ；靈敏度范圍100 nV～500 mV。

2）狹縫組件

狹縫組件放置于太赫茲探測(cè)器前，且其中心與探測(cè)器探測(cè)面中心對(duì)齊；狹縫為寬度可調(diào)狹縫，可根據(jù)待測(cè)太赫茲源功率選擇不同的狹縫寬度。其中：狹縫有效孔徑為6 mm；縫隙長度為6.3 mm；分刻度為0.02 mm。

3）太赫茲高萊探測(cè)器

太赫茲高萊太赫茲探測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。高萊探測(cè)器輻射吸收器是基底上涂黑的薄金屬膜。其原理是：已調(diào)制的太赫茲輻射通過前窗并被吸收薄膜吸收后，加熱引起氣密室中氣體的氣壓上升，進(jìn)而導(dǎo)致氣體的熱膨脹。在氣密室的內(nèi)層粘貼著彈性薄膜，氣壓升高引起薄膜變形，采用光學(xué)反射測(cè)量法可以檢測(cè)到變形。從發(fā)光二極管（LED）中發(fā)出的光束聚焦于活動(dòng)反射鏡，發(fā)射光束匯集在光電探測(cè)器上，由薄膜變形造成的偏差通過電路讀出。在理想條件下，吸收薄膜是經(jīng)歷熱傳導(dǎo)的唯一媒質(zhì)。為了做到這一點(diǎn)，窗口和氣密室的材料必須是高質(zhì)量的隔熱材料，并且在整個(gè)探測(cè)頻譜上氣體都為透明的。氣體的導(dǎo)熱率也必須小，一般采用氙氣[13-15]。

圖4 高萊探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of Golay detector

4）鎖相放大器

鎖相放大器采用美國斯坦福SR830數(shù)字鎖相放大器，其技術(shù)指標(biāo)為：時(shí)間常數(shù)10 μs～30 ks；頻率范圍1 Hz～102 kHz；動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存度100 dB；穩(wěn)定性5 ppm/℃；相位分辨率0.01。

1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝有測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件包，包括系統(tǒng)控制模塊和太赫茲發(fā)散角參數(shù)計(jì)算模塊。系統(tǒng)控制模塊的功能是根據(jù)太赫茲源輻射強(qiáng)度和發(fā)散角大小選擇不同的狹縫寬度，并控制改變斬波器頻率、鎖相放大器時(shí)間常數(shù)、相位等參數(shù)。太赫茲發(fā)散角參數(shù)計(jì)算模塊主要是接收鎖相放大器輸出的電壓信號(hào)，計(jì)算輸出發(fā)散角值，并顯示和保存計(jì)算結(jié)果。

2 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量裝置標(biāo)定模塊

在太赫茲源發(fā)散角測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)太赫茲源轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量法存在著角度測(cè)量重復(fù)性差，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中空回導(dǎo)致的角度定位精度低的問題。因此，設(shè)計(jì)了發(fā)散角測(cè)量裝置標(biāo)定模塊，如圖5所示，對(duì)導(dǎo)軌的角度進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

發(fā)散角標(biāo)定模塊包括自準(zhǔn)直儀、光學(xué)角規(guī)、CCD相機(jī)。CCD相機(jī)能夠安裝在圓弧導(dǎo)軌刻度系統(tǒng)的接板上，直接利用自準(zhǔn)直儀出射的平行光進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，也能夠利用自準(zhǔn)直儀發(fā)出的、經(jīng)過光學(xué)角規(guī)偏折后的平行光進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。光學(xué)角規(guī)是高精度小角度計(jì)量和傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器具，是標(biāo)定弧形導(dǎo)軌角度的主要器件；光學(xué)角規(guī)位于圓弧導(dǎo)軌的圓心處，溯源至小角度測(cè)量儀基準(zhǔn)，其偏向角為10′，偏向角允差為±3″，角度測(cè)量不確定度為0.1″（k＝2）。

采用太赫茲發(fā)散角標(biāo)定模塊對(duì)圓弧導(dǎo)軌刻度系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的步驟為

1）如圖5（a）所示，將CCD相機(jī)放置在接板上，移動(dòng)自準(zhǔn)直儀，使自準(zhǔn)直儀發(fā)出的準(zhǔn)直光束照射到CCD相機(jī)的中心，CCD相機(jī)的電十字瞄準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀十字線；

圖5 標(biāo)定模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of calibration module

2）如圖5（b）所示，保持自準(zhǔn)直儀不動(dòng)，將光學(xué)角規(guī)放置在自準(zhǔn)直儀出光口，且光學(xué)角規(guī)位于圓弧導(dǎo)軌的圓心處，自準(zhǔn)直儀出射的光束經(jīng)過光學(xué)角規(guī)后產(chǎn)生偏折；在圓弧導(dǎo)軌上移動(dòng)接板，使CCD相機(jī)電十字再次瞄準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀十字線；

3）由圓弧標(biāo)尺讀出接板移動(dòng)的角度值，將該角度值與光學(xué)角規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)值進(jìn)行比較，得到接板移動(dòng)經(jīng)過的圓弧導(dǎo)軌的標(biāo)尺角度偏差值，若標(biāo)尺角度偏差值不大于設(shè)定閾值，則表示該段圓弧導(dǎo)軌的標(biāo)尺符合要求；

4）重復(fù)步驟1～3，對(duì)選取的若干段圓弧導(dǎo)軌的標(biāo)尺進(jìn)行檢測(cè)，若都符合要求，則進(jìn)入步驟5，否則重新選定并安裝圓弧導(dǎo)軌刻度系統(tǒng)；

5）把圓弧導(dǎo)軌分成若干區(qū)間，分區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定，得到圓弧導(dǎo)軌上各個(gè)區(qū)間的發(fā)散角修正系數(shù)。首先，將圓弧導(dǎo)軌刻度系統(tǒng)的刻度范圍劃分為若干區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的刻度范圍為 2θ，其中太赫茲發(fā)散角標(biāo)準(zhǔn)源的發(fā)散角標(biāo)準(zhǔn)值為 ±θ；其次，對(duì)每個(gè)區(qū)間使用太赫茲發(fā)散角標(biāo)準(zhǔn)源分別進(jìn)行標(biāo)定。

3 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量結(jié)果

3.1 太赫茲肖特基倍頻源發(fā)散角測(cè)試結(jié)果

將肖特基太赫茲源放置于太赫茲發(fā)散角測(cè)量裝置光路中進(jìn)行測(cè)試，其縱向和橫向發(fā)散角的測(cè)量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 太赫茲肖特基倍頻源縱向發(fā)散角測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of longitudinal divergence angle for terahertz Schottky frequency doubling sources

表2 太赫茲肖特基倍頻源橫向發(fā)散角測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of transverse divergence angle for terahertz Schottky frequency doubling sources

3.2 太赫茲雪崩固態(tài)源發(fā)散角測(cè)試結(jié)果

將太赫茲雪崩固態(tài)源放置于太赫茲發(fā)散角校準(zhǔn)裝置光路中進(jìn)行測(cè)試，太赫茲源帶天線和去掉天線的發(fā)散角測(cè)量結(jié)果如表3和表4所示。

表3 太赫茲雪崩固態(tài)源（帶天線）發(fā)散角測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of divergence angle for terahertz avalanche solid state sources (with antenna)

表4 太赫茲雪崩固態(tài)源（去掉天線）發(fā)散角測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of divergence angle for terahertz avalanche solid state sources（without antenna）

3.3 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

經(jīng)分析，影響太赫茲源發(fā)散角測(cè)量結(jié)果的不確定度分量包括：精密弧形導(dǎo)軌溯源、探測(cè)器和鎖相放大器輸出信號(hào)不準(zhǔn)確以及太赫茲源發(fā)散角的測(cè)量重復(fù)性，其測(cè)量結(jié)果不確定度分析如表5所示。因此，太赫茲源發(fā)散角測(cè)量擴(kuò)展不確定度為Urel=3.2%（k=2）。

表5 太赫茲源發(fā)散角測(cè)量結(jié)果不確定度一覽表Table 5 Measurement results uncertainty of terahertz source divergence angle

4 結(jié)論

本文介紹了一種太赫茲源發(fā)散角測(cè)量方法及發(fā)散角測(cè)量裝置標(biāo)定模塊，實(shí)現(xiàn)了太赫茲肖特基倍頻源和太赫茲雪崩固態(tài)源不同狀態(tài)下發(fā)散角的準(zhǔn)確測(cè)量，并對(duì)裝置測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，其不確定度水平為擴(kuò)展測(cè)量不確定度Urel=3.2%（k=2），測(cè)量結(jié)果可以滿足指導(dǎo)太赫茲成像及通信系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。隨著太赫茲通信和光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲源發(fā)散角計(jì)量技術(shù)將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用，為太赫茲波在深空探測(cè)、戰(zhàn)術(shù)通信、反隱身、戰(zhàn)場隱蔽目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的計(jì)量技術(shù)支撐[16-18]。