[發明專利]一種使用太赫茲脈沖測量材料參數和材料厚度的方法

在審

• 申請號: 201710005046.6
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN106841095A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 張景;李糧生;殷紅成;肖志河
• 申請（專利權）人: 北京環境特性研究所
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;G01B11/06
• 代理公司: 北京君恒知識產權代理事務所(普通合伙)11466
• 代理人: 黃啟行,張璐

技術領域

本發明涉及激光技術領域，特別涉及一種使用太赫茲脈沖測量材料參數和材料厚度的方法。

背景技術

太赫茲波通常是指波長從30微米到3毫米、頻率從0.1到10太赫茲的電磁波。太赫茲波介于紅外線和毫米波之間，且頻譜范圍相當寬。因為太赫茲波處于光子學與電子學的過渡區域，所以能夠提供可見光或者微波等傳統檢測方式不能提供的信息，因此在物理學、化學和生物醫學等領域有著重大的應用前景。

在太赫茲波研究領域，太赫茲時域光譜系統是一項相當重要且用途廣泛的技術。該項技術的原理為：首先將太赫茲脈沖和取樣探測脈沖在探測器中混合，然后通過延遲線改變太赫茲脈沖和探測脈沖之間的時間差，該時間差能引起第三方參量的變化——例如，太赫茲脈沖感生雙折射、太赫茲脈沖感生電流或者太赫茲脈沖感生二次諧波的變化，探測這些第三方參量就可以探測出太赫茲時域脈沖波形。太赫茲時域脈沖波形進過傅里葉變換之后，就能得到太赫茲脈沖在頻域的振幅和相位分布。太赫茲波經過物質后，其振幅和相位由于物質的復折射率不同而受到調制，通過測量初始的太赫茲波和調制后的太赫茲波，經過公式計算，就能得到物質的復折射率，為探索太赫茲脈沖和物質相互作用提供了更多的信息。

太赫茲時域光譜系統一般可分為反射式和透射式系統。其中，透射式系統因為相位穩定而被普遍用在光學厚樣品的材料參數測量中。圖1為現有技術中使用太赫茲時域光譜系統測量光學厚樣品復折射率的流程示意圖。如圖1所示，現有技術中的方法包括如下所述的步驟：

步驟11，測量參考信號。

在本步驟中，將測量不含樣品信息的太赫茲脈沖作為參考信號，如圖2中的左圖所示。

步驟12，測量參考信號。

在本步驟中，將測量含有樣品信息的太赫茲脈沖作為樣品信號，如圖2中的右圖所示。

步驟13，截取主透射峰。

例如，如圖3所示，圖3中的樣品信號包括主峰、回波1和回波2。在本步驟中，將刪除如圖3所示的參考信號中主峰之后的部分，截取點可選擇為主峰和回波1之間的中點。

步驟14，獲得頻域振幅相位。

在本步驟中，將分別對參考、樣品信號進行傅立葉變換，將它們轉換到頻域中的復值和可求出兩者的比值為：

其中，為所測的透射系數(或傳遞函數)，ρ(ω)為透射系數實驗值的絕對值，φ(ω)為透射系數實驗值的相位，表示樣品信號和參考信號之間的固有相移。

步驟15，測量得到樣品的厚度L。

步驟16，建立主峰透射模型。

對于一般透射測量系統，系統的透射系數計算值為：

其中，是復折射率，而L和c則分別表示被測樣品的厚度和真空中的光速。通過對比從透射系數的實驗值和計算值，可以得到下列關系式：

步驟17，建立頻域振幅相位計算模型。

另外，上述的步驟15～17可以與步驟11～14同時獨立地執行。

步驟18，根據頻域振幅相位和頻域振幅相位計算模型，聯合求解。

對于一般太赫茲脈沖段非吸收材料，考慮到κ＜＜n，可以得到：

通過公式(5)、(6)，聯合頻域振幅相位實驗值求解，可以得到樣品折射率的實部n和虛部κ。

步驟19，計算得到材料電磁參數。

根據最后所得到的復折射率，很容易能夠將其轉換為復相對介電常數(也可以是復介電常數)或者是復電導率它們之間的關系是σ₁(ω)＝ε₀ωε₂(ω)，σ₂(ω)＝-ε₀ω[ε₁(ω)-ε_∞]。其中，ε_∞為物質在足夠高的頻率條件下的介電常數，ε₀為物質在自由空間的介電系數。

通過上述的步驟11～19，即可計算得到材料電磁參數。

由上可知，太赫茲脈沖通過光學厚樣品之后，會有主峰和多次回波，如圖3所示。在現有技術中的材料參數提取方法中，通常只考慮主峰，而舍棄其他回波，以回避由于標準具效應(etalon effect)引起的頻譜振蕩。然而，現有技術中所使用的方法需要知道真實的樣品厚度。樣品厚度誤差會導致材料參數的測量誤差，主要體現在兩方面：

(1)由公式(5)可知，樣品厚度誤差對折射率實部誤差的影響是線性的；