基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法和装置，涉及激光技术领域。其中，该方法包括：根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值；根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值，并根据所述复反射率的测量值和所述复反射率的模型估计值构建代价函数；其中，所述反射率计算模型考虑了所述金属镜复折射率对参考信号的影响以及测量过程中的相位误差，所述样品复反射率的模型估计值基于多个参数表示；对所述代价函数进行优化求解，并根据优化求解结果确定所述样品的复折射率。通过以上步骤，能够精确确定样品的复折射率，尤其适用于高反射率材料的复折射率测量。

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法和装置
本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法和装置。
技术介绍
太赫兹波通常是指波长从30微米到3毫米范围，频率从0.1THz到10THz范围的电磁波。太赫兹波介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。太赫兹波处于光子学与电子学的过渡区域，其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，因此它在物理学、化学和生物医学等领域有着重大的应用前景。太赫兹时域光谱技术是一项相当重要且用途广泛的技术。这项技术的主要原理是：首先将太赫兹脉冲和取样探测脉冲在探测器中进行混合，然后通过延迟线改变太赫兹脉冲和取样探测脉冲之间的时间差，这个时间差能引起第三方参量的变化，比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等，通过探测这些第三方参量就可以探测出太赫兹脉冲波形，然后通过对太赫兹脉冲波形作傅里叶变换，就能得到太赫兹脉冲的频谱信息。太赫兹时域光谱技术不仅能够提供太赫兹脉冲的飞秒量级的时间分辨波形，还可以提供相应的频域相位分布。借助太赫兹时域光谱技术能够测量得到物质的复折射率，进而为探索太赫兹脉冲和物质的相互作用提供了更多的信息。另外，由于太赫兹脉冲能够引起众多物理、化学和生物物质的旋转共振和振动共振，这些物质在太赫兹波段都具有相应的特征吸收谱，通过测量这些特征吸收谱可以判断物质的种类。在现有技术中，主要通过以下方法确定低反射率样品的复折射率：首先通过太赫兹时域光谱系统分别测量样品和金属镜面上的反射信号波形；由于低反射率材料的反射率往往远小于1，因此可将金属镜面的反射信号近似等同为参考信号，并通过对参考信号和样品反射信号求得样品的反射率，进而可求得样品的复折射率。在实现本专利技术的过程中，本专利技术的专利技术人发现：现有方法在测量高反射率材料(比如金属)的复折射率时存在两个问题：第一、高反射率材料的介电常数实部往往远大于1，其反射率幅值通常非常接近1，误差在±0.001量级，因此对测量系统的功率稳定度有非常高的要求；第二、高反射率材料的介电常数虚部远大于1，其反射率相位值的量级通常在0.01左右，因此对测量系统中的摆放精度和频谱精度有非常高的要求。例如，要求金属镜精确地摆放在样品位置上，通常容许的变动范围需要小于1μm，任何失调都将带来严重的相位错误。基于以上两点，若在测量高反射率材料的复折射率时，仍然将金属镜的反射信号作为参考信号，由此带来的反射率幅值和相位的改变与样品反射信号的幅值和相位的变化相比拟，从而无法精确得出样品的复折射率。因此，针对以上不足，需要提供一种新的基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法和装置，以能够精确确定高反射率材料(比如金属)的复折射率。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是解决现有复折射率测量方法存在的测量精度低、尤其不适用于高反射率材料(比如金属)的复折射率测量的技术问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，一方面，本专利技术提供了一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法。本专利技术提供的基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法包括：根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值；其中，所述太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号是基于太赫兹时域光谱系统测量得到的；根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值，并根据所述复反射率的测量值和所述复反射率的模型估计值构建代价函数；其中，所述反射率计算模型考虑了所述金属镜复折射率对参考信号的影响以及测量过程中的相位误差，所述样品复反射率的模型估计值基于多个参数表示；对所述代价函数进行优化求解，并根据优化求解结果确定所述样品的复折射率。可选地，所述根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值的步骤包括：对太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号分别进行傅里叶变换，以得到变换后的样品表面的反射信号和变换后的金属镜表面的反射信号；然后，根据如下公式确定样品复反射率的测量值：其中，表示样品复反射率的测量值，表示变换后的样品表面的反射信号，表示变换后的金属镜表面的反射信号。可选地，所述反射率计算模型包括：菲涅尔反射率计算模型、以及样品复折射率的参数化模型；所述根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值的步骤包括：根据菲涅尔反射率计算模型以及样品复折射率的参数化模型，确定样品复反射率的理论值；根据样品复折射率的理论值和测量过程中的相位误差补偿项确定样品复反射率的模型估计值。可选地，所述菲涅尔反射率计算模型为：其中，表示样品复反射率的理论值，表示样品的复折射率，表示金属镜复折射率，θi表示太赫兹脉冲的入射角，表示太赫兹脉冲在金属镜中的折射角，表示太赫兹脉冲在样品中的折射角。可选地，所述样品复折射率的参数化模型为：其中，表示样品的复折射率，表示样品的复介电常数，Γ表示衰减系数，ωp表示等离子体频率，定义为其中N表示电子数，m表示电子有效质量，ε0为真空介电常数，e表示电子电荷量，ω表示角频率。可选地，所述代价函数满足：其中，表示优化X以使取得最小值；X表示待优化的参数集，ωp表示等离子体频率，Γ表示衰减系数，表示相位误差；代价函数的约束条件包括：Γ和ωp都是正实数，且b为预设的正实数；表示样品复反射率的模型估计值的绝对值，表示样品复反射率测量值的绝对值，表示样品复反射率模型估计值的相位，表示样品复反射率测量值的相位。可选地，所述样品为金属材料。为了解决上述技术问题，另一方面，本专利技术还提供了一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的装置。本专利技术提供的基于太赫兹频段测量样品复折射率的装置包括：确定模块，用于根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值；其中，所述太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号是基于太赫兹时域光谱系统测量得到的；构建模块，用于根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值，并根据所述复反射率的测量值和所述复反射率的模型估计值构建代价函数；其中，所述反射率计算模型考虑了所述金属镜复折射率对参考信号的影响以及测量过程中的相位误差，所述样品复反射率的模型估计值基于多个参数表示；优化求解模块，用于对所述代价函数进行优化求解，并根据优化求解结果确定所述样品的复折射率。可选地，所述确定模块根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值包括：所述确定模块对太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号分别进行傅里叶变换，以得到变换后的样品表面的反射信号和变换后的金属镜表面的反射信号；然后，所述确定模块根据如下公式确定样品复反射率的测量值：其中，表示样品复反射率的测量值，表示变换后的样品表面的反射信号，表示变换后的金属镜表面的反射信号。可选地，所述构建模块构建的代价函数满足：其中，表示优化X以使取得最小值；X表示待优化的参数集，ωp表示等离子体频率，Γ表示衰减系数，表示相位误差；代价函数的约束条件包括：Γ和ωp都是正实数，且b为预设的正实数；表示样品复反射率的模型估计值的绝对值，表示样品复反射率测量值的绝对值，表示样品复反射率模型估计值的相位，表示样品复反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法，其特征在于，所述方法包括：根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值；其中，所述太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号是基于太赫兹时域光谱系统测量得到的；根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值，并根据所述复反射率的测量值和所述复反射率的模型估计值构建代价函数；其中，所述反射率计算模型考虑了所述金属镜复折射率对参考信号的影响以及测量过程中的相位误差，所述样品复反射率的模型估计值基于多个参数表示；对所述代价函数进行优化求解，并根据优化求解结果确定所述样品的复折射率。

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹频段测量样品复折射率的方法，其特征在于，所述方法包括：根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值；其中，所述太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号是基于太赫兹时域光谱系统测量得到的；根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值，并根据所述复反射率的测量值和所述复反射率的模型估计值构建代价函数；其中，所述反射率计算模型考虑了所述金属镜复折射率对参考信号的影响以及测量过程中的相位误差，所述样品复反射率的模型估计值基于多个参数表示；对所述代价函数进行优化求解，并根据优化求解结果确定所述样品的复折射率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号确定样品复反射率的测量值的步骤包括：对太赫兹脉冲在样品表面的反射信号和在金属镜表面的反射信号分别进行傅里叶变换，以得到变换后的样品表面的反射信号和变换后的金属镜表面的反射信号；然后，根据如下公式确定样品复反射率的测量值：其中，为样品复反射率的测量值，表示变换后的样品表面的反射信号，为变换后的金属镜表面的反射信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射率计算模型包括：菲涅尔反射率计算模型、以及样品复折射率的参数化模型；所述根据反射率计算模型确定样品复反射率的模型估计值的步骤包括：根据菲涅尔反射率计算模型以及样品复折射率的参数化模型，确定样品复反射率的理论值；根据样品复折射率的理论值和测量过程中的相位误差补偿项确定样品复反射率的模型估计值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述菲涅尔反射率计算模型为：其中，表示样品复反射率的理论值，表示样品的复折射率，表示金属镜复折射率，θi表示太赫兹脉冲的入射角，表示太赫兹脉冲在金属镜中的折射角，表示太赫兹脉冲在样品中的折射角。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述样品复折射率的参数化模型为：其中，表示样品的复折射率，表示样品的复介电常数，Γ表示衰减系数，ωp表示等离子体频率，定义为其中N表示电子数，m表示电子有效质量，ε0为真空介电常数，e表示电子电荷量，ω表示角频率。6.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景，蔡禾，朱厦，孙金海，张旭涛，刘永强，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