本发明属于非接触测量/光谱分析及测量领域，利用太赫兹波对气态/液态/固态样品进行频谱分析和定性定量检测，并提出一种频域太赫兹光声检测成像系统及成像方法。
背景技术：
1、近年来，光学光谱和成像技术为非接触检测领域研究提供了直观、有效的检测和功能影像工具。新型光学光谱和成像技术的发展对认识待测物的分子组成、对物质的定性定量分析起到了极大的推动作用。太赫兹波技术(频率0.1～10thz，波长0.03～3mm)作为一种新兴的无损检测技术，相比于其他频段的电磁波，其具有以下的突出优势：其单光子能量低不产生电离辐射(1thz约为4.1mev，与目前临床常用x射线相比(～kev)辐射能量降低多个数量级)，能够有效保障样品和检验人员的安全。对非极性材料有着良好的穿透能力，而极性材料对thz波具有较强的吸收，水作为一种典型的极性材料，其独有的分子键振动模式使其对太赫兹波具有极强的敏感性和吸收性。已有学者利用太赫兹技术开展了有机化工原料、油水混合物、木材、叶片、药材、皮肤等固态和液态物质含水率的检测。并且生物大分子(如dna、脂质、蛋白质等)的振动频率或转动频率处于太赫兹波段，具有特征“指纹谱”。因此，太赫兹波技术非接触和无损检测及成像领域具有重要的研究价值。
2、传统的thz对物体进行光谱分析和成像的方法分别有：太赫兹波时域光谱技术、太赫兹波透射/反射成像技术、衰减式全内反射技术、近场显微成像技术。在含水的待测样品中，在单波长thz强度成像中，水含量成为唯一能获得的对比度信息；在太赫兹时域光谱成像中，虽然能获得样品的多参数信息(介电常数、折射率等)，但是由于水背景的强吸收，导致成像深度浅、或是样品需要进行复杂切片、脱水等预处理操作。近年来，新提出的太赫兹光声学(thz-oa)是利用太赫兹源诱导样品的局部加热和热弹性膨胀来检测超声波发射的一种方法。该技术结合了太赫兹波段丰富的分子特征吸收和超声波检测的低衰减的优点。在2021年，li开发了一种富水样品检测的时域太赫兹光声方法，通过结合“水静音”机制，可以操纵水背景产生的太赫兹光声信号，从而实现对溶液中目标分子的高灵敏度定量检测。然而，利用强场脉冲太赫兹光源的时域系统对光源的性能要求高，体积庞大和成本高昂。此外，利用压电高频超声波换能器无法实现非接触式信号测量。系统紧凑性、光源成本和光斑质量是制约时域太赫兹光声技术进一步研究和广泛应用的主要因素。
3、痕量气体检测在污染监控、石油勘探、安全生产、医疗健康等多个领域有着重要的应用，基于光谱学的气体传感方法具有选择性好、精度高、响应时间短的优点，其中光声光谱技术因其灵敏度和装置简单而得以广泛应用。山西大学的董磊团队已报道了许多中红外和thz量子级联激光器结合石英音叉增强传感的光声光谱传感技术，实现了多种痕量气体(h2s、so2、ch4、sf6、co)的探测。但是在小型光声池中，thz的光源准直到音叉的振臂夹缝间存在困难。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种频域太赫兹光声检测成像系统及成像方法，可用于对气态/液态/固态样品进行频谱分析和定性定量检测。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种频域太赫兹光声检测成像系统，包括太赫兹连续源、调制频率调制器、离轴抛物面镜、聚焦透镜、温度控制器、制冷片、温度传感器、超声换能器、光声池、调制频率控制器、锁相放大器和计算机；
4、太赫兹连续源发射的太赫兹波束经调制频率调制器调制，离轴抛物面镜准直以及太赫兹波聚焦透镜聚焦后，照射到光声池中的通光口，样品吸收受调制的太赫兹波后产生频域光声信号，所述频域光声信号经超声换能器采集、锁相放大器放大滤波以及经计算机上处理后，用于对待测物的定性定量分析和成像检测；
5、所述温度传感器和制冷片设置在光声池上，所述温度控制器一端连接温度传感器，另一端连接制冷片；所述温度传感器用于采集光声池中样品的温度；所述制冷片用于给光声池中的样品进行温度控制；所述调制频率控制器一端连接调制频率调制器，另一端连接锁相放大器；锁相控制器接收来自调制频率控制器的触发信号和超声换能器的电压信号，向计算机输出数字信号。
6、作为优选的技术方案，所述太赫兹连续源采用不同频率的单频thz源组合、拥有多个离散频点的thz-qcl激光器、或使用光泵浦气体太赫兹连续辐射源。
7、作为优选的技术方案，所述调制频率调制器为斩波器或函数发生器。
8、作为优选的技术方案，所述光声池工作在共振模式下，当光声池内声波的频率等于光声池的某一声学共振频率，此时光声池内会形成驻波声场，放大特定频率的光声信号，抑制外界噪声，提高光声信号的信噪比。
9、作为优选的技术方案，光声池设计时需要满足以下要求：(1)装载液体样品，易于固定且保持低振动；(2)测量过程保持密封，隔绝外界环境噪声；(3)透射太赫兹波的通光片尽量不产生光声信号；(4)光声池整体温度易于调节；(5)光声池的内壁光滑，且不与激发光接触。
10、作为优选的技术方案，太赫兹通光片采用太赫兹波高透的薄膜，该材料对太赫兹波的透射系数较高，并且产生的光声信号微弱；通过螺纹连接光声池与传声器，保证气密性同时方便更换样品；光声池由下层液体腔/固体腔与上层空气腔组成，液体腔/固体腔用于承载液体样品，空气腔用于将液体样品产生的光声信号传输到顶部的传声器。液体腔的体积相对较小，空气腔采用经典的圆柱形共振腔。
11、作为优选的技术方案，所述光声池的太赫兹通光片采用flexdym薄膜，采用flexdym薄膜对太赫兹波的透射系数较高，吸收系数低，产生的光声信号可忽略不计；采用密度低且导热性好的硬铝制作光声池，其密度为2.73kg/m3，导热系数为217w/m/k。
12、作为优选的技术方案，还包括位移平台，所述光声池设置在平移台上，所述位移平台带动样品池以光栅扫描的形式进行逐点扫描，用于对光声池内待测物进行成像。
13、作为优选的技术方案，所述降温片采用循环水冷的方式将其热端的热量以接近0振动带走。
14、第二方面，本发明还提供了一种频域太赫兹光声检测成像系统的成像方法，包括下述步骤：
15、从太赫兹波连续源辐射的太赫兹波具有一定的发射角，经过调制频率调制器调制离轴抛物面镜准直，太赫兹波透镜聚焦后，经光声池的通光口照射在待测样品上；
16、待测物被经调制的太赫兹照射部分，吸收太赫兹波的分子能级会引起分子的振动和转动，光子能量以非辐射弛豫的方式转化为热，导致局部温度升高；由于热膨胀和线性非黏性力作用，分子的体积会发生变化，体积的膨胀和收缩会向外产生压力，即光声信号；不同于时域光声信号，频域光声信号的变化规律取决于太赫兹波的调制频率，调制频率越高，产生的超声信号频率也越高；
17、由于超声信号的频率决定声信号的空间分辨率，而声信号的空间分辨率可以远小于太赫兹波的衍射极限；通过制冷片和温度控制系统抑制背景水的光声信号；位移平台带动样品池以光栅扫描的形式进行逐点扫描，超声换能器采集的声信号经锁相放大器滤波以及计算机处理后，得到声学分辨率的光声图像，反映出待测物不同区域对太赫兹波的吸收量。
18、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
19、(1)本发明结构简单、成本较低、使用便携：基于雪崩二极管的thz连续源具有集成度高、操作简单、成本相对较低、室温工作等优势。
20、(2)本发明具有高灵敏度：太赫兹连续源的最高输出功率可达150mw，弥补光声有限的能量转化效率不足，提高对微量成分的检测灵敏度，并且thz波不产生电离辐射，可实现非接触式的无损检测。
21、(3)本发明具有高对比度：共振型光声池可以放大相干的光声信号，抑制环境噪声。同时锁相放大器可以抑制非相干噪声，提高频域光声信号信噪比，有利于痕量检测；基于水静音技术对含水样品的温度进行调控，频域太赫兹光声成像系统可实现对溶液中或者高含水量固体样品中待测物实现光谱及成像检测。其声学分辨率可远小于thz波光学分辨率的衍射极限，实现百微米的成像分辨率。
22、(4)本发明可多光谱分析：多波长太赫兹连续源可以产生约十个分立波长的太赫兹连续波用于多光谱太赫兹光声成像，研究样品在太赫兹波段的特征指纹谱。
23、(6)本发明为非接触式探测：空气耦合式麦克风非接触式探测光声池中样品产生的频域光声信号，有利于对有毒的样品(乙二醇等有机化合物)进行在线检测。
1.一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，包括太赫兹连续源、调制频率调制器、离轴抛物面镜、聚焦透镜、温度控制器、制冷片、温度传感器、超声换能器、光声池、调制频率控制器、锁相放大器和计算机；
2.根据权利要求1所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，所述太赫兹连续源采用不同频率的单频thz源组合、拥有多个离散频点的thz-qcl激光器、或使用光泵浦气体太赫兹连续辐射源。
3.根据权利要求1所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，所述调制频率调制器为斩波器或函数发生器。
4.根据权利要求1所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，所述光声池工作在共振模式下，当光声池内声波的频率等于光声池的某一声学共振频率，此时光声池内会形成驻波声场，放大特定频率的光声信号，抑制外界噪声，提高光声信号的信噪比。
5.根据权利要求1或4所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，光声池设计时需要满足以下要求：(1)装载液体样品，易于固定且保持低振动；(2)测量过程保持密封，隔绝外界环境噪声；(3)透射太赫兹波的通光片尽量不产生光声信号；(4)光声池整体温度易于调节；(5)光声池的内壁光滑，且不与激发光接触。
6.根据权利要求1或4所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，太赫兹通光片采用太赫兹波高透的薄膜，该材料对太赫兹波的透射系数较高，并且产生的光声信号微弱；通过螺纹连接光声池与传声器，保证气密性同时方便更换样品；光声池由下层液体腔/固体腔与上层空气腔组成，液体腔/固体腔用于承载液体样品，空气腔用于将液体样品产生的光声信号传输到顶部的传声器；液体腔的体积相对较小，空气腔采用经典的圆柱形共振腔。
7.根据权利要求6所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，所述光声池的太赫兹通光片采用flexdym薄膜，采用flexdym薄膜对太赫兹波的透射系数较高，吸收系数低，产生的光声信号可忽略不计；采用密度低且导热性好的硬铝制作光声池，其密度为2.73kg/m3，导热系数为217w/m/k。
8.根据权利要求1所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，还包括位移平台，所述光声池设置在平移台上，所述位移平台带动样品池以光栅扫描的形式进行逐点扫描，用于对光声池内待测物进行成像。
9.根据权利要求1所述的一种频域太赫兹光声检测成像系统，其特征在于，所述降温片采用循环水冷的方式将其热端的热量以接近0振动带走。
10.根据权利要求1所述一种频域太赫兹光声检测成像系统的成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
