反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法

1.本发明涉及太赫兹时域光谱检测技术领域，是一种基于自参考算法的反射式太赫兹时域光谱光学参量测量方法。


背景技术：

2.随着材料科学的发展，复合材料在航空航天、医疗器械、车辆船舶和纺织工业等领域得到了广泛的应用。复合材料的应用为各个领域带来了巨大的性能和结构改善，同时详尽描述复合材料特性对提高其质量和提升其应用范围有至关重要的作用。因此亟需寻找一种高效且无损的方法确保材料应用的可靠性。
3.太赫兹技术是一种远红外波段的光谱测量新兴测量手段，太赫兹(terahertz,thz)波，是指频率在0.1-10thz(1thz＝10
12
hz)，对应真空中波长为30-3000微米范围内的电磁波，对非金属、非极性材料有良好的穿透能力，具有指纹谱特性，检测信号频带宽且信噪比高，具有非接触检测能力的太赫兹频段的检测技术。它在电磁波谱中位于微波与红外之间。
4.太赫兹无损检测技术是基于太赫兹波谱技术而建立，主要分为太赫兹时域波谱，太赫兹时间分辨率波谱和太赫兹发射谱等。本发明适用于利用基于太赫兹时域波谱特性而建立的反射式太赫兹时域光谱系统。
5.光学参量作为研究对象宏观层面上的关键表征物理参数，是介质宏观物理层面以及微观特性状态的联系桥梁，是材料表征的重要参数。光学参量的表征研究对于太赫兹设备等离子体波导性能、太赫兹军事雷达等实际应用具备重要理论指导意义。因此，可通过测定材料宏观上的光学参量值判断微观上变化的特性。光学参量并非真正意义上的常数，具有频率依赖性，即其值与入射光的频率有关，这种特性称为色散关系，其包含折射率、消光系数、反射率、透射率、吸收系数、复介电系数和复光电导率等，他们都与折射率和消光系数有关。各个参数之间存在着各种联系，用于描述材料的反射率和透射率菲涅尔方程是描述太赫兹波传播过程的基础。
6.在太赫兹频段最常用的光学参量测量方法有椭圆偏振测量法和光谱法，均有其适用范围和优缺点。椭圆偏振测量法可以完成固液气形态的样品光学参量测量，但不可测强吸收材料的光学参量，受数据测量的精度和系统的准度限制，表面粗糙且散射严重的材料不适于该方法。光谱法可分为透射式和反射式，透射式适合透明或吸收较小的材料，反射式适用于吸收较大的材料。基于飞秒激光的太赫兹时域光谱技术可以同时测量幅度项和相位项，从而不需要kramers-kronig关系或者物理模型就可以获得物质的光学参量。
7.现有的反射式太赫兹时域光谱系统测量材料的光学参量对相位依赖性高，且需要进行两次实验分别获取金属反射信号作为参考信号，待测材料反射信号作为样品信号，由于无法确保获取参考信号和样品信号时金属面和待测样品共面，故参考信号和样品信号存在固有相移，固有相移误差为且δl不可测量。
8.本发明针对上述问题提出一种基于反射式太赫兹时域光谱的获取材料折射率、消
光系数和吸收系数的新方法，突破传统方法中反射式太赫兹时域光谱系统其对相位依赖性，同时消除参考信号和样品信号之间的固有相移误差。


技术实现要素：

9.本发明旨在设计一种利用反射式太赫兹时域光谱系统测量材料光学参量的方法，通过一次测量，实现太赫兹频段材料的折射率、消光系数和吸收系数的测量。通过理论分析太赫兹波传播过程，基于反射式太赫兹时域光谱系统，推导太赫兹波在样品中的传递函数，从而得到光学参量的精确解和近似解表达式，利用迭代算法使得近似解不断逼近精确解，从而测得材料光学参量。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.采用反射式太赫兹时域光谱检测系统，系统组成示意图如图1所示。系统由飞秒脉冲激光器、太赫兹发射源、太赫兹探测源、延迟线等机构组成。太赫兹产生原理是飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经分束器分为两束，一束为泵浦光，一束为探测光。泵浦光入射到光导电天线发射太赫兹波脉冲。太赫兹脉冲在样品中反射后携带了样品信息，与经由延迟线机构的探测光共线经过太赫兹探测器，获得太赫兹电场强度的变化量，实现信号测量。
12.基于上述反射式太赫兹时域光谱系统，在垂直入射的条件下对样品进行测试实验，获取样品太赫兹时域信号，太赫兹波传播模型如图2所示。
13.上述时域信号按照如图3所示自参考方法进行波形分析，以材料上表面的反射信号作为参考信号e
ref
，材料底面的反射信号作为样品信号e
sam
。对参考信号及样品信号进行滤波降噪，并分别进行傅里叶变换以获得其频域谱和
14.结合菲涅尔定律计算太赫兹波入射到样品前表面的反射系数r
12
，空气到样品中的透射系数t
12
，样品到空气中的透射系数t
21
，样品底面的反射系数r
21
。
15.上述太赫兹参考信号和样品信号进行傅里叶变换得到相应的频域信号，代入各个反射系数和透射系数，并结合传输因子p，即电磁波在介质中传播距离l时的相位变化量，从而通过参考信号和样品信号的频域谱推导太赫兹理论传递函数。
16.将复折射率代入到上述传递函数中，进一步推导得出折射率、消光系数和吸收系数的精确解表达式。
17.考虑当空气折射率近似为1时，由于n＞＞κ，通过近似传递函数的复折射率虚部得到折射率、消光系数和吸收系数的近似解表达式。
18.输入折射率、消光系数和吸收系数的初值，设置近似解与精确解的最小误差，将初值带入迭代算法中直到近似解与精确解达到最小误差即可输出最佳折射率、消光系数和吸收系数的值。
19.本发明有以下显著特点：(1)消除传统解析公式法中不能完全保证参考面与样品共面而造成的固有相移误差；(2)仅需一次实验即可获得材料的折射率、消光系数和吸收系数；(3)减小由于多次实验而造成的噪声叠加。
附图说明
20.图1反射式太赫兹时域光谱检测系统示意图；
21.图2太赫兹波在单层材料中传播示意图；
22.图3自参考方法参考信号与样品信号关系图；
23.图4基于自参考方法的反射式太赫兹时域光谱光学参量测量方法流程图。
具体实施方式
24.为了使发明目的、技术方案及优点进行更加清楚、完整的描述，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细地说明。
25.步骤一：采用自主搭建的全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测系统，系统组成示意图如图1所示。系统由飞秒脉冲激光器、太赫兹发射源、太赫兹探测源、延迟线机构组成。太赫兹产生原理是飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经分束器分为两束，一束为泵浦光，一束为探测光。泵浦光入射到光导电天线发射太赫兹波脉冲。太赫兹脉冲在样品中反射后携带了样品信息，与经由延迟线机构的探测光共线经过太赫兹探测器，获得太赫兹电场强度的变化量，实现信号测量。
26.步骤二：利用步骤一种的反射式太赫兹时域光谱进行对样品进行实验，获取太赫兹时域信号，分析太赫兹波传播过程，太赫兹波传播过程如图2所示，太赫兹波入射到样品表面，由于太赫兹波的半透明性，一部分在材料表面反射，一部分透射到样品中。透射到样品中的太赫兹波经由金属反射回到太赫兹探测器中。
27.步骤三：将步骤一二获得的时域信号按照如图3所示自参考方法进行波形分析，太赫兹波入射信号为e0，获取材料上表面的反射信号作为参考信号e
ref
，材料底面的反射信号作为样品信号e
sam
。对参考信号及样品信号进行基线校准和滤波降噪，分别进行傅里叶变换以获得其频域谱和
28.结合菲涅尔定律计算太赫兹波入射到样品前表面的反射系数r
12
，空气到样品中的透射系数t
12
，样品到空气中的透射系数t
21
，样品底面的反射系数r
21
。
29.步骤四：将步骤三中太赫兹参考信号和样品信号进行傅里叶变换得到相应的频域信号，代入各个反射系数和透射系数并结合传输因子p，即电磁波在介质中传播距离l时的相位变化量，从而通过参考信号和样品信号的频域谱推导太赫兹理论传递函数，下为相对应的传递函数推导方法。
[0030][0031]
式中p为传输因子，为空气折射率，l为太赫兹波在空气中传播的距离，c为光速。
[0032]
材料上表面的反射信号作为参考信号，其中太赫兹波在空气中传播距离为l，可表示为：
[0033][0034]
式中为参考信号，为太赫兹波入射信号，r
12
为样品前表面的反射系数，p1(ω,l)为太赫兹波在空气中传播的相位变化量。
[0035]
材料底面的反射信号作为样品信号，其中待测样品厚度为d，可表示为：
[0036]
[0037]
式中为参考信号，为太赫兹波入射信号，t
12
为空气到样品中的透射系数，r
21
样品底面的反射系数，t
21
为样品到空气中的透射系数，p1为太赫兹波在空气中传播的相位变化量，p2为太赫兹波在样品中传播的相位变化量。
[0038]
待测样品复折射率为计算太赫兹波的传递函数h(ω)为：
[0039][0040]
步骤五：依据步骤四计算的传递函数表达式推导光学参量精确解，首先计算传递函数幅值|h(ω)|和幅角∠h(ω)，分别为：
[0041][0042][0043]
依据传递函数幅值|h(ω)|和幅角∠h(ω)进一步推导得到折射率ns(ω)、消光系数κs(ω)的精确解表达式：
[0044][0045][0046]
步骤六：由消光系数κs(ω)和吸收系数α(ω)的固有关系如式(9)，结合步骤五中消光系数表达式，材料的吸收系数可表示为式(10)
[0047][0048][0049]
步骤七：考虑当空气折射率近似为1时，由于n＞＞κ，通过近似传递函数幅值和幅角中的复折射率虚部得到折射率ns'(ω)、消光系数κs'(ω)和吸收系数αs'(ω)的近似解表达式如下：
[0050][0051][0052][0053]
步骤八：输入折射率、消光系数和吸收系数的初值，设置近似解与精确解的最小误
差，将初值带入迭代算法中直到近似解与精确解达到最小误差即可输出最佳折射率、消光系数和吸收系数。
[0054]
本发明可应用于利用反射式太赫兹时域光谱系统测量材料的光学参量中，有以下显著特点：(1)消除传统解析公式法中不能完全保证参考面与样品共面而造成的固有相移误差；(2)仅需一次实验即可获得材料的折射率、消光系数和吸收系数；(3)减小由于多次实验而造成的噪声叠加。

技术特征：
1.反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：(1)可消除传统解析公式法中不能完全保证参考面与样品共面而造成的固有相移误差；(2)以材料自身反射信号作为参考信号和样品信号，获取折射率、消光系数和吸收系数方法更便利；(3)可减小由于多次实验而造成的噪声叠加。2.根据权利要求1所述的反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：采用反射式太赫兹时域光谱在太赫兹脉冲垂直入射的条件下获取待测样品时域信号，以材料前表面的反射信号作为参考信号e
ref
(ω)，材料下表面的反射信号作为样品信号e
sam
(ω)。对参考信号及样品信号进行滤波降噪，分别进行了傅里叶变换以获得其频域谱3.根据权利要求1所述的反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：太赫兹波在样品中的传递函数由太赫兹波入射到样品前表面的反射系数r
12
，空气到样品中的透射系数t
12
，样品到空气中的透射系数t
21
，样品底面的反射系数r
21
及电磁波在介质中传播距离l时的相位变化量决定，如式(1)所示。4.根据权利要求1所述的反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：依据理论传递函数得到折射率、消光系数的精确解。5.根据权利要求1所述的反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：考虑空气折射率近似为1，由于待测样品中n＞＞κ，可得到计算得到折射率、消光系数和吸收系数的近似解。6.根据权利要求1所述的反射式太赫兹时域光谱复合材料自参考光学参量测量方法，其特征在于：通过实验获得的传递函数计算折射率、消光系数和吸收系数的初值，将初值带入迭代算法中，直到近似解与精确解达到设定的最小误差即可输出最佳折射率、消光系数和吸收系数。

技术总结
本发明公开了基于反射式太赫兹时域光谱的复合材料自参考光学参数测量方法以材料前表面反射信号作为参考信号，后表面反射信号作为样品信号，分别对参考信号和样品信号进行傅里叶变换，进行滤波降噪后，获取传递函数。利用理论传递函数推导出折射率、消光系数和吸收系数的精确解，进而通过近似传递函数复折射率虚部得到折射率、消光系数和吸收系数的近似解。计算得到折射率、消光系数和吸收系数的初值，设置近似解与精确解的最小误差，将初值带入迭代算法中直到近似解与精确解达到最小误差即可输出最佳折射率、消光系数和吸收系数，可以减小由于多次实验而造成的噪声叠加。减小由于多次实验而造成的噪声叠加。减小由于多次实验而造成的噪声叠加。


技术研发人员：刘增华 满润昕 王可心 吴育衡
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.08.27
技术公布日：2022/3/8