基于返波管的葡萄糖太赫茲光譜研究

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(1.上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室, 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),這一頻率范圍內的電磁波具有豐富的科學內容和廣闊的應用前景[1-4]。其中,太赫茲波對非極性物質有很強的穿透性,許多生物大分子的振動和轉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],尤為關鍵的是,它可以通過改變工作電壓改變實現頻率的連續(xù)調諧,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[3]。利用基于BWO的光譜分析法,同樣可以獲得材料的入射、反射系數和介電常數,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,首先介紹系統的軟硬件實現,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 系統介紹

系統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位的數模轉換器。電壓控制箱用于給返波管供電并且控制其電壓輸入,可以手動調控或者電腦控制。電壓箱的輸入電壓為110 V,在國內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返波管的型號來調節(jié)。16位的數模轉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據采集。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,其采用數字信號處理技術,相位穩(wěn)定性比傳統模擬產品高百倍左右,能夠從噪聲極大環(huán)境中理處特定的載波信號。

1.1 系統硬件

硬件部分如圖1所示,它是一個透射式的系統。

圖1 系統流程圖Fig.1 Flow chart of the system

系統可簡單地分為輻射源、透射式光路以及數據采集三部分。

輻射源部分,利用電腦通過16位數模轉換器來寫入命令到電壓控制箱,實時調控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。經過準直的太赫茲波經斬波調制后,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過準直聚焦后,進入高萊探測器進行光電轉換,把光強信號轉換為電壓值,此電壓值與斬波器的調制信號同時輸入鎖相放大器。鎖相放大器根據設定的頻率采集信號值,然后經過GPIB口傳遞給電腦以完成數據采集。

1.2 系統軟件平臺

軟件平臺是本系統的關鍵,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及信號值。

掃頻控制指的是,在一定頻率范圍內使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。程序會根據頻率范圍以及步長來計算出采樣點數以及采樣時間;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實現串口通信,向16位數模轉換器中寫入命令,實時調節(jié)電壓控制箱的輸出電壓;利用VISA實現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,可實現鎖相放大器以及數模轉換器的接口參數設置,其中,鎖相放大器的接口是GPIB口,而數模轉換器的接口是COM口。

2 實驗分析

考慮到高萊探測器的推薦調制頻率為15±5 Hz,實驗中設定18 Hz作為調制頻率,并以此作為斬波器的斬波頻率。鎖相放大器的時間常數通常用作設置內部低通濾波器的帶寬,時間常數越長,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,讓太赫茲波經過圖1 中的光路,用鎖相放大器進行數據采集。

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的太赫茲信號經過不同質量濃度葡萄糖溶液后其透過率與溶液質量濃度的關系。本次測試檢測了7種不同質量濃度的葡萄糖溶液,從圖4中可看出,隨著溶液質量濃度的升高,其透過率不斷變大,這說明物質質量濃度越高,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中可以看到三種質量濃度的葡萄糖溶液在136 GHz處都出現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,隨著溶液質量濃度的升高,其太赫茲透過率也隨之升高。這是因為物質的質量濃度越高,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系統進行葡萄糖溶液測試的方法相比[16-17],本系統的優(yōu)勢主要體現在兩方面。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,本系統經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系Fig.6 The relation of concentration and transmission of glucose solution at 136 GHz

3 結 論

本文設計了一種基于BWO的太赫茲透射系統。利用BWO套件、數字鎖相放大器以及高萊探測器等完成系統硬件部分的搭建。在LabVIEW編程環(huán)境下完成系統軟件部分的設計,用于實現對下位機的參數設置以及數據采集等任務。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量濃度下的透射實驗,得到相應的質量濃度與透過率的關系。同時還進行了不同葡萄糖溶液質量濃度的掃頻實驗,得到了透過率特征峰,并且表明利用BWO產生的太赫茲光譜可以對不同質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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