基于VC++與OpenGL的THz-TDS系統測試過程仿真

王學良

（東北石油大學經濟管理學院,163318）

基于VC++與OpenGL的THz-TDS系統測試過程仿真

王學良

（東北石油大學經濟管理學院,163318）

本論文首先概述了太赫茲波的特性及其相關技術的研究現狀，重點介紹了反射式THz-TDS系統的工作原理，在理論研究的基礎上，嘗試通過建立透射式THz-TDS系統分立元器件的仿真模型，然后充分結合OpenGL強大的三維圖形功能和Visual C++6.0完善的界面功能以及面向對象編程能力，運用面對對象的編程思想建立系統模塊特性描述，最終實現對系統的動態仿真軟件的開發。

THz-TDS系統;光路仿真;系統測試;VC++

0 引言

太赫茲輻射(Terahertz)又稱為THz波、T射線，通常指的是頻率在0.1THz-10THz(波長在30-3000 )之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠紅外波段。太赫茲技術是一種介于電子和光學的新技術。在20世紀80年代中期以前，由于長期缺乏有效的檢測THz輻射波的方法，人們對該波段電磁輻射性質的認識非常有限，THz波段曾一度被稱作“THz空隙”(Terahertz Gap)。近十幾年來，超快激光技術的迅速發展為THz脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源，極大地促進了THz技術的發展，并成為一個迅速發展的前沿領域。

由于THz-TDS實驗系統的復雜性、高精度性，給實驗系統的調試工作帶來了巨大的挑戰。本文通過對太赫茲時域光譜系統的各部分模塊的工作原理進行研究，通過建立系統的仿真模型，實現系統工作原理的動態過程仿真，能夠幫助那些利用THz-TDS系統進行實驗的科研人員解決系統調試過程中遇到的問題，實現系統調試的故障診斷功能，同時提供一個實現動態仿真的軟件平臺，對于THz-TDS系統在實驗過程中的應用有著重要意義。

1 THz-TDS系統概述

典型的太赫茲時域光譜系統主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產生裝置、太赫茲輻射探測裝置和時間延遲控制系統組成。本文主要介紹透射式太赫茲時域光譜系統。圖1為透射式太赫茲時域光譜系統實驗裝置圖，該裝置圖既可以用光電導天線產生太赫茲輻射，也可以用ZnTe晶體產生太赫茲輻射，由于自由空間電光取樣比光電導取樣的探測帶寬更寬，且更容易調節，所以太赫茲輻射的探測多是采用自用空間電光取樣技術。以光電導天線產生太赫茲輻射為例，激光器發出的飛秒激光被分光鏡分成兩束，較強的一束為泵浦光，較弱的一束為探測光。泵浦光經過電動平移臺，被短焦距透鏡聚焦到輻射用GaAs晶體上，光整流產生太赫茲輻射。產生的太赫茲輻射被一對離軸拋物面鏡收集并聚焦到另一塊探測用的ZnTe晶體上，調整探測光路，使被高阻硅片反射的探測光與太赫茲輻射打在探測用ZnTe晶體的同一位置。探測光再經過 波片和渥拉斯頓棱鏡后，分為偏振方向互相垂直的兩束線偏光，入射到平衡探測器上，平衡探測器把光強差轉化為電信號，最后用鎖相放大器把信號從噪聲中提取出來輸入到計算機中顯示。

2 基于VC++與OpenGL的THz-TDS系統測試過程仿真

2.1 系統分析

在系統設計之前，需要分析、理解整個THz-TDS系統設計的基本目標和系統的工作原理，從而在系統模塊化設計的基礎上確定整個系統的基本框架與結構。

2.1.1 仿真系統設計目標

目前，一種最新的太赫茲光譜技術——太赫茲時域光譜技術（THz-TDS）日益成為太赫茲光譜技術的熱點。本系統開發的主要目的有三：一是通過圖形可視化的系統模型設計，提高人機交互性，并能夠進行動態實時仿真實驗；二是構建THz-TDS系統各分立光學元器件模塊的仿真模型，通過對信號的離散化以及運算和處理，實現對系統的動態模擬仿真；三是通過前后臺之間的數據交互，實現實驗系統在調試過程中對常見故障的診斷功能。

2.1.2 仿真系統整體框架

THz-TDS仿真系統是通過前臺可視圖形化的光學元器件模型與后臺光學模塊的數學模型之間的數據交流，完成激光脈沖、太赫茲電磁波在THz-TDS系統中的物理過程的模擬與再現。其中，前臺界面顯示系統主要實現光學元器件和光在光路中的可視化，以及完成各光學模塊物理參數的設置與調整功能。后臺數據處理系統，則主要是通過物理光學理論建立各系統分立模塊的數學模型，實現在光學物理參數的數據處理功能，并實時顯示其波形和頻譜，方便相關物理化學參數的計算。

2.2 關于混合編程

2.2.1 開發工具介紹

THz-TDS軟件平臺的開發使用Visual C++6.0、Matlab和OpenGL。C++是在C語言基礎上發展的一門語言，它繼承了C語言的高效，簡潔，快速和高移植性的傳統。C++包含C語言的內容，主要是在C語言的基礎上添加了面向對象編程(OOP)的方法。C++已成為全世界最流行的計算機編程語言之一，是一種可互操作的標準語言。通過Visual C++，開發人員能夠享用世界級的C++開發工具。

Matlab自1984年由美國Mathworks公司推向市場以來，歷經十幾年的發展和競爭，現已被(IEEE評述)國際公認為最優秀的科技應用軟件，其具有圖形繪制、數據處理、系統分析、信號和圖像處理、符號運算功能。

OpenGL（Open Graphic Library，開放式圖形庫），是SGI公司開發的低層三維圖形API（Application Programming Interface,應用程序接口），目前在圖形開發領域已成為工業標準。

2.3 仿真軟件系統界面設計

系統的界面設計，要顧及使用的方便性和可視性，提高人機交互功能。整個系統的界面主要有四部分組成：參數界面、運行界面和數據處理界面，如圖3所示。

圖3 系統界面

(1)參數設置界面

由于各個光學元器件的物理光電特性比較復雜，參數界面的設計主要目的是通過可視化的界面，方便用戶對THz-TDS仿真系統中分立元器件的物理空間參數、光學物理參數進行賦值，以便在系統仿真過程中更加真實的模擬出現實系統的調試過程。

(2)仿真系統運行主界面

THz-TDS系統主要的組成元器件包括：飛秒激光器、反光鏡片、 玻片、分束鏡、衰減片、凸透鏡、沃拉斯頓棱鏡、離軸拋物面鏡、LT-GaAs光電導天線、ZnTe電光晶體、平衡探測器等。

(3)數據處理顯示界面

THz-TDS系統的后臺數據處理部分主要包括了高斯脈沖模型的離散化、光電導天線產生太赫茲波、太赫茲波透射檢測樣品和電光晶體對太赫茲波的探測四部分組成。

3 結論

本文首先介紹了THz電磁波的概念和它所具有的特性，以及近十年來在THz時域光譜探測、THz成像和THz波在生物技術和信息技術領域的發展情況。接著詳細闡述了THz輻射脈沖的產生與檢測的方法以及基本原理。通過建立系統各元器件的仿真模型，運用VC++和OpenGL混合編程實現了其基本功能的仿真，針對整個系統能夠實現其動態仿真，最終利用Matlab的開發工具matcom實現了時域頻域波形的顯示功能，并對系統進行了調試檢測，是系統順利運行通過仿真。

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Simulation of THz-TDS system testing process based on VC++ and OpenGL

Wang Xueliang
(with the Economic Management Institute of Northeast Petroleum University,163318)

This paper outlines the current research status of characteristics of terahertz waves and related technology,introduced the working principle of reflective THz-TDS systems,on the basis of theoretical research,try to build simulation model of THz-TDS transmission system of discrete components, and then combined with the interfacefunction of OpenGL powerful 3D graphics and Visual C++6.0 perfect and object-oriented programming capabilities,using object-oriented programming ideas to establish module characteristic of system description,development andrealize dynamic simulation software to the system..

THz-TDS system;optical simulation;system testing;VC++