[發明專利]反射式太赫茲時域光譜復合材料自參考光學參量測量方法

在審

• 申請號: 202110992712.6
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN114152588A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 劉增華;滿潤昕;王可心;吳育衡
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;G01N21/01
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了基于反射式太赫茲時域光譜的復合材料自參考光學參數測量方法以材料前表面反射信號作為參考信號，后表面反射信號作為樣品信號，分別對參考信號和樣品信號進行傅里葉變換，進行濾波降噪后，獲取傳遞函數。利用理論傳遞函數推導出折射率、消光系數和吸收系數的精確解，進而通過近似傳遞函數復折射率虛部得到折射率、消光系數和吸收系數的近似解。計算得到折射率、消光系數和吸收系數的初值，設置近似解與精確解的最小誤差，將初值帶入迭代算法中直到近似解與精確解達到最小誤差即可輸出最佳折射率、消光系數和吸收系數，可以減小由于多次實驗而造成的噪聲疊加。

技術領域

本發明涉及太赫茲時域光譜檢測技術領域，是一種基于自參考算法的反射式太赫茲時域光譜光學參量測量方法。

背景技術

隨著材料科學的發展，復合材料在航空航天、醫療器械、車輛船舶和紡織工業等領域得到了廣泛的應用。復合材料的應用為各個領域帶來了巨大的性能和結構改善，同時詳盡描述復合材料特性對提高其質量和提升其應用范圍有至關重要的作用。因此亟需尋找一種高效且無損的方法確保材料應用的可靠性。

太赫茲技術是一種遠紅外波段的光譜測量新興測量手段，太赫茲(terahertz,THz)波，是指頻率在0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)，對應真空中波長為30-3000微米范圍內的電磁波，對非金屬、非極性材料有良好的穿透能力，具有指紋譜特性，檢測信號頻帶寬且信噪比高，具有非接觸檢測能力的太赫茲頻段的檢測技術。它在電磁波譜中位于微波與紅外之間。

太赫茲無損檢測技術是基于太赫茲波譜技術而建立，主要分為太赫茲時域波譜，太赫茲時間分辨率波譜和太赫茲發射譜等。本發明適用于利用基于太赫茲時域波譜特性而建立的反射式太赫茲時域光譜系統。

光學參量作為研究對象宏觀層面上的關鍵表征物理參數，是介質宏觀物理層面以及微觀特性狀態的聯系橋梁，是材料表征的重要參數。光學參量的表征研究對于太赫茲設備等離子體波導性能、太赫茲軍事雷達等實際應用具備重要理論指導意義。因此，可通過測定材料宏觀上的光學參量值判斷微觀上變化的特性。光學參量并非真正意義上的常數，具有頻率依賴性，即其值與入射光的頻率有關，這種特性稱為色散關系，其包含折射率、消光系數、反射率、透射率、吸收系數、復介電系數和復光電導率等，他們都與折射率和消光系數有關。各個參數之間存在著各種聯系，用于描述材料的反射率和透射率菲涅爾方程是描述太赫茲波傳播過程的基礎。

在太赫茲頻段最常用的光學參量測量方法有橢圓偏振測量法和光譜法，均有其適用范圍和優缺點。橢圓偏振測量法可以完成固液氣形態的樣品光學參量測量，但不可測強吸收材料的光學參量，受數據測量的精度和系統的準度限制，表面粗糙且散射嚴重的材料不適于該方法。光譜法可分為透射式和反射式，透射式適合透明或吸收較小的材料，反射式適用于吸收較大的材料。基于飛秒激光的太赫茲時域光譜技術可以同時測量幅度項和相位項，從而不需要Kramers-Kronig關系或者物理模型就可以獲得物質的光學參量。

現有的反射式太赫茲時域光譜系統測量材料的光學參量對相位依賴性高，且需要進行兩次實驗分別獲取金屬反射信號作為參考信號，待測材料反射信號作為樣品信號，由于無法確保獲取參考信號和樣品信號時金屬面和待測樣品共面，故參考信號和樣品信號存在固有相移，固有相移誤差為且Δl不可測量。

本發明針對上述問題提出一種基于反射式太赫茲時域光譜的獲取材料折射率、消光系數和吸收系數的新方法，突破傳統方法中反射式太赫茲時域光譜系統其對相位依賴性，同時消除參考信號和樣品信號之間的固有相移誤差。

發明內容

本發明旨在設計一種利用反射式太赫茲時域光譜系統測量材料光學參量的方法，通過一次測量，實現太赫茲頻段材料的折射率、消光系數和吸收系數的測量。通過理論分析太赫茲波傳播過程，基于反射式太赫茲時域光譜系統，推導太赫茲波在樣品中的傳遞函數，從而得到光學參量的精確解和近似解表達式，利用迭代算法使得近似解不斷逼近精確解，從而測得材料光學參量。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：