一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法。该方法包括：测量得到参考信号和样品信号；从样品信号中提取第p次回波信号并获取对应的透射系数的实验值；测量得到样品厚度L的测量值；建立主峰/回波透射模型；计算第p次回波对应的透射系数计算值；计算第一材料电磁参数和第二材料电磁参数；计算材料参数总差值函数；如材料参数总差值函数满足预设条件，则将材料参数总差值函数所对应的样品厚度作为样品精确厚度，得到对应于样品厚度L的主峰对应的透射系数的计算值；计算得到对应的样品复折射率的实部和虚部。通过使用上述方法，可精确地确定光学厚样品的材料参数，还可同时测量太赫兹脉冲段的材料参数和厚度。

【技术实现步骤摘要】
一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法
本专利技术涉及激光
，特别涉及一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法。
技术介绍
太赫兹波通常是指波长从30微米到3毫米、频率从0.1到10太赫兹的电磁波。太赫兹波介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。因为太赫兹波处于光子学与电子学的过渡区域，所以能够提供可见光或者微波等传统检测方式不能提供的信息，因此在物理学、化学和生物医学等领域有着重大的应用前景。在太赫兹波研究领域，太赫兹时域光谱系统是一项相当重要且用途广泛的技术。该项技术的原理为：首先将太赫兹脉冲和取样探测脉冲在探测器中混合，然后通过延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲之间的时间差，该时间差能引起第三方参量的变化——例如，太赫兹脉冲感生双折射、太赫兹脉冲感生电流或者太赫兹脉冲感生二次谐波的变化，探测这些第三方参量就可以探测出太赫兹时域脉冲波形。太赫兹时域脉冲波形进过傅里叶变换之后，就能得到太赫兹脉冲在频域的振幅和相位分布。太赫兹波经过物质后，其振幅和相位由于物质的复折射率不同而受到调制，通过测量初始的太赫兹波和调制后的太赫兹波，经过公式计算，就能得到物质的复折射率，为探索太赫兹脉冲和物质相互作用提供了更多的信息。太赫兹时域光谱系统一般可分为反射式和透射式系统。其中，透射式系统因为相位稳定而被普遍用在光学厚样品的材料参数测量中。图1为现有技术中使用太赫兹时域光谱系统测量光学厚样品复折射率的流程示意图。如图1所示，现有技术中的方法包括如下所述的步骤：步骤11，测量参考信号。在本步骤中，将测量不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号，如图2中的左图所示。步骤12，测量参考信号。在本步骤中，将测量含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号，如图2中的右图所示。步骤13，截取主透射峰。例如，如图3所示，图3中的样品信号包括主峰、回波1和回波2。在本步骤中，将删除如图3所示的参考信号中主峰之后的部分，截取点可选择为主峰和回波1之间的中点。步骤14，获得频域振幅相位。在本步骤中，将分别对参考、样品信号进行傅立叶变换，将它们转换到频域中的复值和可求出两者的比值为：其中，为所测的透射系数(或传递函数)，ρ(ω)为透射系数实验值的绝对值，φ(ω)为透射系数实验值的相位，表示样品信号和参考信号之间的固有相移。步骤15，测量得到样品的厚度L。步骤16，建立主峰透射模型。对于一般透射测量系统，系统的透射系数计算值为：其中，是复折射率，而L和c则分别表示被测样品的厚度和真空中的光速。通过对比从透射系数的实验值和计算值，可以得到下列关系式：步骤17，建立频域振幅相位计算模型。另外，上述的步骤15～17可以与步骤11～14同时独立地执行。步骤18，根据频域振幅相位和频域振幅相位计算模型，联合求解。对于一般太赫兹脉冲段非吸收材料，考虑到κ＜＜n，可以得到：通过公式(5)、(6)，联合频域振幅相位实验值求解，可以得到样品折射率的实部n和虚部κ。步骤19，计算得到材料电磁参数。根据最后所得到的复折射率，很容易能够将其转换为复相对介电常数(也可以是复介电常数)或者是复电导率它们之间的关系是σ1(ω)＝ε0ωε2(ω)，σ2(ω)＝-ε0ω[ε1(ω)-ε∞]。其中，ε∞为物质在足够高的频率条件下的介电常数，ε0为物质在自由空间的介电系数。通过上述的步骤11～19，即可计算得到材料电磁参数。由上可知，太赫兹脉冲通过光学厚样品之后，会有主峰和多次回波，如图3所示。在现有技术中的材料参数提取方法中，通常只考虑主峰，而舍弃其他回波，以回避由于标准具效应(etaloneffect)引起的频谱振荡。然而，现有技术中所使用的方法需要知道真实的样品厚度。样品厚度误差会导致材料参数的测量误差，主要体现在两方面：(1)由公式(5)可知，样品厚度误差对折射率实部误差的影响是线性的；(2)由公式(6)可知，样品厚度误差对折射率虚部误差的影响是三次方关系。对于非吸收样品，由于折射率虚部较小，这种影响比较小，但是这种影响对于折射率实部和虚部较大的材料(例如，金属材料和复合材料等)尤为明显。所以，有必要精确测量材料厚度。然而，非光学透明材料的厚度无法通过光学方法测量，而采用其他的现有方法，例如X光、beta后向散射、Eddy电流法和电导法等，都可能有投入较大、测量周期长、测量材料单一、无法测量过厚(毫米级)样品等缺陷。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，从而可以精确地确定光学厚样品的材料参数，还可以同时测量太赫兹脉冲段的材料参数和厚度。本专利技术的技术方案具体是这样实现的：一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，该方法包括如下步骤：A、将测量得到的不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号；B、将测量得到的含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号；C、从样品信号中提取第p次回波信号，其中，p为大于或等于0的整数；D、获取第p次回波信号的透射系数的实验值；E、测量得到样品厚度L的测量值L′；F、建立主峰/回波透射模型；G、根据主峰/回波透射模型和样品厚度的测量值L′，计算得到对应于测量值L′的第p次回波对应的透射系数计算值；H、根据样品信号中的主峰，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第一材料电磁参数；根据样品信号中的第p次回波，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第二材料电磁参数；I、根据第一材料电磁参数和第二材料电磁参数得到材料参数总差值函数；J、判断材料参数总差值函数是否满足预设条件，如果是，则执行步骤K；否则，修改样品厚度，返回执行步骤G；K、将材料参数总差值函数所对应的样品厚度作为样品精确厚度，代入主峰/回波透射模型，得到对应于样品厚度L的主峰对应的透射系数的计算值L、根据计算得到最小值对应的样品复折射率的实部和虚部，其中，为主峰对应的透射系数的实验值。较佳的，无样品时太赫兹脉冲的参考信号为：其中，为参考信号，ω为频率，P0为相移因子。较佳的，太赫兹脉冲透过样品的样品信号为：其中，T01和T10分别为太赫兹脉冲透过样品上、下表面的透射系数，R10为太赫兹脉冲被样品上表面反射的反射系数，相移因子较佳的，太赫兹透过样品的第p次回波的透射系数的实验值为：较佳的，所述主峰/回波透射模型为：其中，为透过样品后的太赫兹脉冲的第p次回波的透射系数的计算值，ω为频率，为样品信号中的第p次回波信号，为无样品时太赫兹脉冲的参考信号，为复折射率，L为样品厚度，c为真空中的光速。如上可见，在本专利技术中的使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法中，通过多次回波求取材料参数，能够得到材料参数和厚度自洽的结果，取消了现有技术中对非吸收材料的近似，从而可以精确地确定光学厚样品的材料参数，解决了光学厚样品厚度测量误差较大的问题；而且还可以同时测量太赫兹脉冲段的材料参数和厚度，因此可以极大提高测量速率、提高单次测量的信息含量及提高测量结果的有效性和可信度。同时，本专利技术中所提供的上述方法也能快速测量百微米、毫米级的样品，并且能得到亚微米的精度。附图说明图1为现有技术中使用太赫兹时域光谱系统测量光学厚样品复折射率的流程示意图。图2为现有技术中太赫兹时域光谱系统中的初始信号、参考信号及样品信号的示意图。图3为本专利技术中测量得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：A、将测量得到的不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号；B、将测量得到的含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号；C、从样品信号中提取第p次回波信号，其中，p为大于或等于0的整数；D、获取第p次回波信号的透射系数的实验值；E、测量得到样品厚度L的测量值L′；F、建立主峰/回波透射模型；G、根据主峰/回波透射模型和样品厚度的测量值L′，计算得到对应于测量值L′的第p次回波对应的透射系数计算值；H、根据样品信号中的主峰，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第一材料电磁参数；根据样品信号中的第p次回波，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第二材料电磁参数；I、根据第一材料电磁参数和第二材料电磁参数得到材料参数总差值函数；J、判断材料参数总差值函数是否满足预设条件，如果是，则执行步骤K；否则，修改样品厚度，返回执行步骤G；K、将材料参数总差值函数所对应的样品厚度作为样品精确厚度，代入主峰/回波透射模型，得到对应于样品厚度L的主峰对应的透射系数的计算值

【技术特征摘要】
1.一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：A、将测量得到的不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号；B、将测量得到的含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号；C、从样品信号中提取第p次回波信号，其中，p为大于或等于0的整数；D、获取第p次回波信号的透射系数的实验值；E、测量得到样品厚度L的测量值L′；F、建立主峰/回波透射模型；G、根据主峰/回波透射模型和样品厚度的测量值L′，计算得到对应于测量值L′的第p次回波对应的透射系数计算值；H、根据样品信号中的主峰，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第一材料电磁参数；根据样品信号中的第p次回波，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第二材料电磁参数；I、根据第一材料电磁参数和第二材料电磁参数得到材料参数总差值函数；J、判断材料参数总差值函数是否满足预设条件，如果是，则执行步骤K；否则，修改样品厚度，返回执行步骤G；K、将材料参数总差值函数所对应的样品厚度作为样品精确厚度，代入主峰/回波透射模型，得到对应于样品厚度L的主峰对应的透射系数的计算值L、根据计算得到最小值对应的样品复折射率的实部和虚部，其中，为主峰对应的透射系数的实验值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无样品时太赫兹脉冲的参考信号为：其中，为参考信号，ω为频率，P0为相移因子。3.根据权利要求2所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景，李粮生，殷红成，肖志河，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11