[發(fā)明專利]一種在太赫茲波段測量材料折射率的系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111272704B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設計）人: 涂學湊;吳雅倩;陳健;邵智豪;賈小氫;趙清源;張蠟寶;康琳;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 封睿

本發(fā)明公開了一種在太赫茲波段測量材料折射率的系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括太赫茲源、探測器和電子光學系統(tǒng)，其中太赫茲源產(chǎn)生連續(xù)的太赫茲輻射波；探測器接收太赫茲信號；電子光學系統(tǒng)中電動位移控制模塊控制探測器保持準直并向遠離太赫茲源的方向移動；信號讀出模塊將接收到的太赫茲信號轉化為電信號；信號處理模塊對電信號進行數(shù)字化處理和濾波，得到周期性變化的太赫茲信號分析確定折射率。該方法先對插入材料前后探測器掃描到的兩段信號進行分段濾波，濾除其中的直流分量，然后通過希爾伯特等數(shù)學變換進行信號分析處理，得到信號的瞬時相位，再根據(jù)插入材料前后的相位跳變值計算出折射率。本發(fā)明實現(xiàn)了基于太赫茲連續(xù)波的高精度材料折射率測量。

技術領域

本發(fā)明涉及常溫太赫茲探測技術，具體涉及一種在太赫茲波段測量不同材料折射率的系統(tǒng)及方法。

背景技術

太赫茲(Terahertz，簡稱THz)波一般是指頻率在0.3T到10THz(波長為30μm到1mm)范圍內(nèi)的電磁波，該電磁波段介于亞毫米波和遠紅外之間。由于太赫茲波對于很多非極性物質，如部分電介質材料、塑料薄膜、紙張、布料等有較強的穿透力，因此太赫茲檢測技術也被應用于質檢、安全檢查以及工業(yè)無損檢測等場景當中。

在過去的二十年中，太赫茲技術的許多應用已經(jīng)被討論過，從生物分子的光譜學、國土安全、太赫茲通信等領域到工業(yè)檢測都有廣泛應用。在工業(yè)檢測當中，材料參數(shù)的表征對于近年來的半導體工業(yè)和納米光子技術非常重要。在光學波段，測量材料介電常數(shù)的方法和設備有很多，比如說橢偏儀、光譜儀等常用設備，通過測試能迅速獲得材料的介電常數(shù)，但是這些設備通過材料對入射光的反射或透射來反演材料的光學參數(shù)。然而，目前的太赫茲源和探測器的性能還遠達不到光學波段的光源和探測器的性能，因此通過反射或透射的測量目前只適合測量材料光學波段的介電常數(shù)，在太赫茲波段的實現(xiàn)還存在困難。盡管基于昂貴的飛秒激光器的太赫茲時域光譜儀已經(jīng)問世，這種太赫茲測量系統(tǒng)中太赫茲源是脈沖式的，而非連續(xù)太赫茲光源。但是這種脈沖太赫茲系統(tǒng)光路復雜，使用了很多光學元件，系統(tǒng)調(diào)試耗時長，效率較低，成本很高，因此開發(fā)基于連續(xù)太赫茲源的測量系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。此外，微波波段測量材料的介電常數(shù)的方法也有很多，比如說矩形波導法、準光耦合方法，這些矩形波導系統(tǒng)和準光部件在微波波段尺寸大機械加工容易，但到了太赫茲波段，入射波長變小，對應的測量系統(tǒng)部件尺寸也相應減少，加工精度要求10微米以上，這給機械加工帶來了極大的困難。因此，在太赫茲測量領域，高效率且高精度地表征材料參數(shù)仍然是目前研究的難題之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種在太赫茲波段測量材料折射率的系統(tǒng)及方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種在太赫茲波段測量材料折射率的系統(tǒng)，包括固定于光學平臺上的太赫茲源，固定于電動位移臺上的探測器，以及電子光學系統(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；

所述探測器固定在電動位移臺上，用于準直的掃描光路中的太赫茲信號，包括未通過介質材料的太赫茲信號和通過介質材料后的太赫茲信號；

所述電子光學系統(tǒng)包括電動位移控制模塊、信號讀出模塊和信號處理模塊，其中電動位移控制模塊用于控制探測器在光路中保持準直并向遠離太赫茲源的方向移動，準直地在路徑中掃描太赫茲信號；信號讀出模塊用于將探測器接收到的太赫茲信號轉化為電信號，并利用鎖相放大器讀出；信號處理模塊用于對探測器的響應信號進行數(shù)字化處理和濾波，得到最終的周期性變化的太赫茲信號，分析確定材料折射率。

進一步的，所述連續(xù)波太赫茲源包括VDI太赫茲頻段信號源、倍頻器與函數(shù)信號發(fā)生器。

進一步的，所述探測器采用肖特基探測器。

一種在太赫茲波段測量不同材料折射率的方法，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，通過自由空間的光學路徑準直地被探測器接收到；