[發(fā)明專利]一種在太赫茲波段測(cè)量材料折射率的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010199607.2
• 申請(qǐng)日: 2020-03-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111272704B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 涂學(xué)湊;吳雅倩;陳健;邵智豪;賈小氫;趙清源;張蠟寶;康琳;吳培亨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 封睿

1.一種在太赫茲波段測(cè)量材料折射率的系統(tǒng)，其特征在于，包括固定于光學(xué)平臺(tái)上的太赫茲源，固定于電動(dòng)位移臺(tái)上的探測(cè)器，以及電子光學(xué)系統(tǒng)，其中：

所述太赫茲源使用連續(xù)波太赫茲源，用于產(chǎn)生連續(xù)的太赫茲輻射波；

所述探測(cè)器固定在電動(dòng)位移臺(tái)上，用于準(zhǔn)直的掃描光路中的太赫茲信號(hào)，包括未通過(guò)介質(zhì)材料的太赫茲信號(hào)和通過(guò)介質(zhì)材料后的太赫茲信號(hào)，在掃描太赫茲源和探測(cè)器之間的自由空間光路時(shí)，探測(cè)器先掃描靠近太赫茲源的一半距離，然后在掃描路徑的中間位置插入介質(zhì)材料，繼續(xù)再向遠(yuǎn)離太赫茲源的另一半距離，掃描透過(guò)介質(zhì)材料的太赫茲信號(hào)；

所述電子光學(xué)系統(tǒng)包括電動(dòng)位移控制模塊、信號(hào)讀出模塊和信號(hào)處理模塊，其中電動(dòng)位移控制模塊用于控制探測(cè)器在光路中保持準(zhǔn)直并向遠(yuǎn)離太赫茲源的方向移動(dòng)，準(zhǔn)直地在路徑中掃描太赫茲信號(hào)；信號(hào)讀出模塊用于將探測(cè)器接收到的太赫茲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并利用鎖相放大器讀出；信號(hào)處理模塊用于對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和濾波，得到最終的周期性變化的太赫茲信號(hào)，分析確定材料折射率，具體是對(duì)插入材料前后探測(cè)器掃描到的兩段信號(hào)先進(jìn)行分段濾波，濾除其中的直流分量，然后通過(guò)希爾伯特變換進(jìn)行信號(hào)分析處理，得到信號(hào)的瞬時(shí)相位，再根據(jù)插入材料前后的相位跳變值計(jì)算出折射率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在太赫茲波段測(cè)量材料折射率的系統(tǒng)，其特征在于，所述連續(xù)波太赫茲源包括VDI太赫茲頻段信號(hào)源、倍頻器與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在太赫茲波段測(cè)量材料折射率的系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)器采用肖特基探測(cè)器。

4.一種在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：太赫茲源產(chǎn)生連續(xù)波太赫茲信號(hào)，通過(guò)自由空間的光學(xué)路徑準(zhǔn)直地被探測(cè)器接收到；

步驟二：在掃描太赫茲源和探測(cè)器之間的自由空間光路時(shí)，探測(cè)器先掃描靠近太赫茲源的一半距離，然后在掃描路徑的中間位置插入介質(zhì)材料，繼續(xù)再向遠(yuǎn)離太赫茲源的另一半距離，掃描過(guò)程中太赫茲信號(hào)透過(guò)介質(zhì)材料準(zhǔn)直地被固定在電動(dòng)位移臺(tái)上并向后移動(dòng)的探測(cè)器接收到；

步驟三：探測(cè)器將接收到的太赫茲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)鎖相放大器讀出響應(yīng)信號(hào)信息；

步驟四：對(duì)插入材料前后探測(cè)器掃描到的兩段信號(hào)先進(jìn)行分段濾波，濾除其中的直流分量，然后通過(guò)希爾伯特變換進(jìn)行信號(hào)分析處理，得到信號(hào)的瞬時(shí)相位，再根據(jù)插入材料前后的相位跳變值計(jì)算出折射率。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟2中，兩段掃描的距離相等。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟4中，經(jīng)過(guò)兩段掃描后，需要保證完整掃描光路后得到8個(gè)以上的完整周期的信號(hào)。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟4中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段濾波時(shí)，先對(duì)兩段光路對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)分別進(jìn)行傅立葉變換濾除其中的直流分量，濾除原始信號(hào)的零頻分量后再通過(guò)傅立葉反變換將信號(hào)恢復(fù)。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟4中，希爾伯特變換表達(dá)式為：

經(jīng)過(guò)變換得到的虛部為：

變換后信號(hào)的瞬時(shí)相位表達(dá)式為：

其中，S(x)為進(jìn)行希爾伯特變換的信號(hào)，s(x)、分別為信號(hào)的實(shí)部和虛部，為信號(hào)的相位。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟4中，根據(jù)相位變化計(jì)算出材料折射率的方法為：

其中，n_mat為材料的折射率，為插入介質(zhì)材料帶來(lái)的相位變化，C為光速，L_mat為材料厚度，ν_THz為太赫茲信號(hào)頻率。

10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在太赫茲波段測(cè)量不同材料折射率的方法，其特征在于，步驟4中，增加材料的厚度，通過(guò)對(duì)材料的厚度進(jìn)行累計(jì)，測(cè)出在太赫茲路徑中插入不同厚度材料引起的相位跳變值，即相位變化從而求出材料厚度和相位擬合直線的斜率計(jì)算材料的折射率，具體公式為：

其中，n_mat為材料的折射率，為插入介質(zhì)材料帶來(lái)的相位變化，c為光速，L_mat為材料厚度，ν_THz為太赫茲信號(hào)頻率。