一种利用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法技术

本发明专利技术属于光电子学与材料学应用技术领域，具体涉及一种利用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法，包括以下步骤：步骤一，太赫兹波垂直入射到放置于空气中厚度为l的平板样品中，根据Fabry-Perot腔模型获得样品信号和参考信号太赫兹频谱的理论比值A(ω)；步骤二，利用模拟退火优化算法获得样品信号和参考信号太赫兹频谱理论比值A(ω)和实验比值Ameas(ω)之间的全局最小值，获得最小值处对应的实折射率n(ω))和消光系数κ(ω)。该方法采用精确公式结合模拟退火优化算法提取材料光学常数，可以取消弱吸收近似和材料边界约束条件，适用于不同厚度的材料，采用该方法提取的材料光学常数精确度较高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子学与材料学应用
，具体涉及。
技术介绍
目前，各种光谱技术已经广泛的应用于物质分析，采用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法已经成为一种专业领域内的常用方法。现有的太赫兹时域光谱系统的光路如图1所示，该系统用于测量样品透射信号和参考信号的太赫兹光谱。常用提取材料光学常数的步骤如下: 1.通过实验测得样品信号和参考信号的太赫兹频谱，将两者相比表示为:Ameas ( ω ) =Esam ( ω ) /Eref ( ω ) =Tmeas ( ω ) exp [_ j Δ φ meas ( ω ) ](1) 式中Ε_(ω)和ΕΜ?(ω)为频域中的复电场，分别表示样品信号和参考信号。Tmeas ( ω )为透过样品的太赫兹电场，Δ Φ meas ( ω )为相位变化。2.根据实验测得的^。)和Λ Φ_(ω)，可确定实折射率η(ω)、消光系数κ (ω)和吸收系数α (ω)分别为:= 1 + (2)

【技术保护点】
一种利用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，太赫兹波垂直入射到放置于空气中厚度为l的平板样品中，根据Fabry?Perot腔模型获得样品信号和参考信号太赫兹频谱的理论比值A(ω)；具体为：A(ω)=4n~2(ω)(n~(ω)+1)2exp[-j(n~(ω)-1)ωl/c]FP(ω)---(a)其中，为复折射率，n(ω)为实折射率、κ(ω)为消光系数，c为真空中光速，FP(ω)为Fabry?Perot系数，FP(ω)的表达式为：FP(ω)=Σp=0m[(n~(ω)-1)(n~(ω)+1)exp(-jωn~l)]2p---(b)其中，p为整数，表示反射回波级次，p=0表示主反射回波，m表示最大反射回波级次；步骤二，利用模拟退火优化算法获得样品信号和参考信号太赫兹频谱理论比值A(ω)和实验比值Ameas(ω)之间的全局最小值，获得最小值处对应的实折射率n(ω))和消光系数κ(ω)；具体步骤如下：（21）构建精确频谱和测量频谱之间的误差函数：根据样品厚度l、样品信号与参考信号的时间延迟Δt、时间窗口大小tc，获得估计折射率ng和最大反射回波级次m值：ng=cΔtl+n0---(c)m≤ctc2ngl-12---(d)其中，时间窗口大小是指从参考信号入射到测量结束的时间，n0为太赫兹波在空气中的折射率，c为太赫兹波空气中的速度；A(ω)=T(ω)exp[?jΔφ(ω)]??????????????（e）同理：Ameas(ω)=Tmeas(ω)exp[?jΔφmeas(ω)]?????（f）根据样品信号峰值|Es,max|和参考信号峰值|Er,max|可以求出消光系数κg的近似表达式：κg=cωlln|Er,max||Es,max|---(g)结合公式（e）、（f）、（g）构建一个精确频谱和测量频谱之间的误差函数：δ(n,κ)={ln[T(ω)]?ln[Tmeas(ω)]}2+{ln[Δφ(ω)]?ln[Δφmeas(ω)]}2??????（h）（22）利用模拟退火算法求无约束条件二元函数的全局最小值，获得δ(n,κ)的全局最小值，进一步得到最小值处对应的实折射率n(ω)和消光系数κ(ω)：（221）输入初始变量：选取初始点x0，使用估计折射率ng和估计消光系数κg，估计最小值区间的上、下边界u和l，选定最大迭代数kmax>0，退火因子1>q>0，以及相应的函数值浮动误差容许值εf；(222)求解基本变量：x=x0，x0=x，f0=f(x0)；(223)进行迭代计算，找出近似全局最小值，即从k=0到k=kmax执行以下循环块：生成一个在[?1,1]上服从均匀分布的N×1的随机向量y，y与x大小相同，利用μ?1定理可以求出Δx：Δx=(u?l)·gμ?1(y)，gμ-1(y)=(1+μ)|y|-1μsign(y),μ=10100(k/kmax)q；在(l,u)区间内确定x1=x+Δx；如果Δf=f(x1)?f(x)<0，或者在[0,1]上生成的均匀分布的随机数z...

【技术特征摘要】
1.一种利用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤一，太赫兹波垂直入射到放置于空气中厚度为1的平板样品中，根据Fabry-Perot腔模型获得样品信号和参考信号太赫兹频谱的理论比值Α(ω);具体为: 2.根据权利要求1所述的一种利用太赫兹光谱信号提取材料光学常数的方法，其特征在于:还包括步骤三，利用Nelder-Mead单纯形算法求一元函数的局部最小值，获得实折...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌东雄，王红成，黄晓园，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：