CN101975754A - 消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法 - Google Patents

Abstract

一种消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，包括如下步骤：(1)测量没有放置样品时的参考信号太赫兹时域波形；(2)测量载有待测样品信息的太赫兹时域波形；(3)由太赫兹时域波形分别得到参考信号以及待测样品在有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)，ω为相应的角频率；(4)将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱

；(5)由得到的相对反射率谱r(ω)，通过

计算提取待测样品在太赫兹波段的特征吸收谱。

Description

消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法

技术领域

本发明涉及反射式太赫兹光谱分析方法，具体地说本发明涉及对弱极性有机化合物材料进行反射式太赫兹光谱测量后，不需要人为干涉即可消除反射式光谱测量系统中位相误差的太赫兹光谱分析方法。

背景技术

反射式太赫兹时域光谱技术(THz-RTDS)一直以来都被认为是更接近于实际应用的探测目标物体特性的方法。反射式测量可以提供样品表面和内部的距离信息，因此可以对物体的三维图像进行重构；更有利于探测对太赫兹辐射不透明的大而厚的物体；并且是一种可以检验和识别埋在不可穿透材料中的目标物的方法，例如检查恐怖分子身上携带的炸药，航空隔热材料中的缺陷等等。

在反射式太赫兹时域光谱技术对材料信息提取中，根据菲涅尔公式，通常需要分别测量样品信号和参考信号，并计算二者精确的位相和振幅来求解样品消光系数。但是，材料吸收引起的信号的位相变化的推导一直以来都存在一个难题，那就是所谓的“misplacement phase error”，即提取参考信号的反射界面和提取样品信号的反射界面不完全重合，两反射界面之间的距离差造成的位相误差非常难以修正。

为了解决这个难题，各种报道记载了多种方法，包括精确的调节实验系统、数字修正计算法以及利用K-K变换关系(Kramers-Kronig transform)直接由振幅反射率计算位相差等。但是这些方法不是需要人为干预就是需要很大的计算量，处理起来十分复杂。

发明内容

本发明提供一种消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，对参考信号和待测样品的振幅谱进行分析处理，提取出待测样品在系统有效频率范围内的特征吸收谱，从而解决了传统的反射式太赫兹光谱分析方法需要人为消除位相误差，且不适用于具有大气衰减的实验系统的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，包括如下步骤：(1)测量没有放置样品时的参考信号太赫兹时域波形；(2)测量载有待测样品信息的的太赫兹时域波形；(3)由太赫兹时域波形分别得到参考信号以及待测样品在系统有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)，ω为相应的角频率；(4)将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱

(5)由得到的相对反射率谱r(ω)，通过

计算提取出待测样品在系统有效频率范围内的特征吸收谱。

其中，步骤(3)中太赫兹时域波形通过傅立叶变换得到参考信号以及待测样品在系统有效频率范围内的振幅谱。

其中，步骤(1)和(2)中测量的太赫兹时域波形为一维太赫兹时域波形。

其中，步骤(1)和(2)中测量的太赫兹时域波形为二维测量中的太赫兹时域波形。

其中，所述待测样品为弱极性的有机化合物材料。

利用本发明的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，能够有效消除参考信号的反射界面和提取样品信号的反射界面不完全重合造成的位相误差，且本发明的计算过程与传统的方法相比更加简便，达到了有益的技术效果。

附图说明

图1为消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析装置的示意图；

图2为传统处理方法及本发明的方法对爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱的提取结果。其中：曲线1是利用传统的处理方法，通过人为消除位相误差计算得到爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱；曲线2是通过本发明计算得到爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱；

图3为传统处理方法及本发明的方法对爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱的提取结果。其中：曲线1是利用传统的处理方法，通过人为消除位相误差计算得到爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱；曲线2是通过本发明计算得到爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱。

附图标记说明：

M1-M6：反射镜；PM1-PM4：抛面镜；1：分束镜；2：斩波器；3：太赫兹发射极；4：样品架；5：偏振片；6：导电玻璃I T0；7：探测晶体；8：四分之一波片；9：沃拉斯顿棱镜；10：差分探头；I-泵浦光；II-探测光。

具体实施方式

为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

图1为消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析装置的示意图，本装置中所使用的激光光源是美国光谱物理公司制造的钛宝石飞秒激光器，激光功率0.90W，脉冲宽度100fs，重复频率82MHz，中心波长800nm。

如图1所示，激光器产生的飞秒激光经过分束器1分成两束光：透射光和反射光。透射的一束光较强作为泵浦光I，它经反射镜调整光路后入射到太赫兹发射极3上，该太赫兹发射极3为P型InAs晶体。在分束器1与反射镜之间设有斩波器2，以调制泵浦光I的输出脉冲。在太赫兹发射极3上，泵浦光I通过光整流效应产生太赫兹波。

产生的太赫兹波由抛面镜及反射镜调整光路，并聚焦到置于样品架4上的待测样品上，经待测样品反射。反射后的太赫兹波便会携带上待测样品的信息。反射后的太赫兹波经过多个抛面镜的准直聚焦，并被导电玻璃6反射，而聚焦到探测晶体7上，探测晶体7为ZnTe晶体，导电玻璃6为ITO导电玻璃。

反射的一束光作为探测光II，探测光II经过偏振片5调整为水平偏振光，由反射镜M6反射后透过ITO导电玻璃6，入射到探测晶体7上太赫兹波的聚焦点上。在探测晶体7内部，探测光II被太赫兹电场调制，以便通过电光取样的方法进行探测。

被太赫兹电场调制后的探测光I I通过四分之一波片8，使探测光II于开始测量时被调整为光强相等的o光和e光，然后该偏振方向相互垂直的o光和e光由渥拉斯顿棱镜9分开，通过差分探头10接锁相放大器进行探测。该锁相放大器与斩波器2相连接，以提取太赫兹信号。探测到的结果通过计算机进行数据采集、处理，得到太赫兹波的时域波形图。

上述为一维光谱成像的太赫兹光谱分析系统，得到的是待测样品中单个点的太赫兹时域波形，通过后续处理得到该点的特征吸收谱。本发明也可以进行二维光谱成像，相应的二维光谱成像系统需要将待测样品固定在二维精密电控平移台上，进行二维移动，从而得到待测样品中所有点的特征吸收谱。具体的太赫兹二维光谱分析系统如下：

激光器产生的飞秒激光经过分束器1分成两束光：透射光和反射光。透射的一束光较强作为泵浦光I，它经反射镜调整光路后入射到太赫兹发射极3上，该太赫兹发射极3为P型InAs晶体。在分束器1与反射镜之间设有斩波器2，以调制泵浦光I的输出脉冲。在太赫兹发射极3上，泵浦光I通过光整流效应产生太赫兹波。

样品架4固定在二维精密电控平移台上，可以进行二维移动。待测样品置于该样品架4上。产生的太赫兹波由抛面镜及反射镜调整光路后，聚焦到置于样品架4上的待测样品上，经待测样品反射。这样当太赫兹通过待测样品时便会携带上待测样品的信息。

待测样品在二维精密电控平移台的带动下每移动一个点，测量一次该点的太赫兹时域光谱信号，直到将待测样品上的各个点都测量完成，这样就获得了待测样品上各个点的太赫兹时域光谱信号。通过对测量数据的采集和处理就可以获得待测样品的二维光谱图像。

反射后的太赫兹波经过多个抛面镜的准直聚焦，并被ITO导电玻璃6反射，而聚焦到探测晶体7上，探测晶体7为ZnTe晶体。

反射的一束光作为探测光II，探测光II经过偏振片5调整为水平偏振光，由反射镜M6反射后透过ITO导电玻璃6，入射到探测晶体7上太赫兹波的聚焦点上。在探测晶体7内部，探测光II被太赫兹电场调制，以便通过电光取样的方法进行探测。

被太赫兹电场调制后的探测光II通过四分之一波片8，使探测光II于开始测量时被调整为光强相等的o光和e光，然后该偏振方向相互垂直的o光和e光由渥拉斯顿棱镜9分开，通过差分探头10接锁相放大器进行探测。该锁相放大器与斩波器2相连接，以提取太赫兹信号。探测到的结果通过计算机进行数据采集、处理，得到太赫兹波的时域波形图。

本发明的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，采用上述实验装置进行，包括如下步骤：

1、在样品架4上放置太赫兹全反射镜，测量没有放置样品时的参考信号太赫兹时域波形。

2、将待测样品放置于样品架4处，测量得到载有待测样品信息的太赫兹时域波形。

3、由太赫兹时域波形分别得到参考信号以及待测样品在该装置有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)，ω为相应的角频率。

由太赫兹时域波形得到系统有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)的方法可以是采用将太赫兹时域波形进行傅里叶变换的方式得到。

4、将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱

5、将得到的相对反射率谱r(ω)对相应的角频率求一阶导数，得到待测样品在太赫兹波段的特征吸收谱。

根据得到的所述特征吸收谱，即可进行待测样品的分析和鉴别。但是吸收谱的形状会和传统方法得到的吸收谱的形状不同。加上负号以后，根据本发明的方法得到的吸收谱和传统方法得到的吸收谱的形状完全一样。

即本发明通过得到的被测样品以及参考信号的振幅谱，由

提取出被测样品在太赫兹波段的特征吸收谱。

根据得到的特征吸收谱，即可进行被测样品的分析和鉴别。由于本发明的太赫兹光谱分析方法在理论推导过程中使用了近似，这些近似只适用于弱极性的有机化合物材料，故本发明的方法适用于弱极性的有机化合物材料，如爆炸物、毒品和氨基酸等，在安全检查防护等方面可以有重要作用。

得到本发明

的理论推导过程中去除了参考信号对检测的影响，因此能够克服参考信号造成的误差。本发明的方法相对于背景技术中提到的利用数字修正计算法和利用K-K变换关系来消除误差的方法来说，其计算更加简单。

为了便于理解，下面对

可以用来表示在系统有效频率范围内弱极性有机化合物材料的吸收谱进行简要的理论推导。

材料的复折射率可以从色散理论的洛伦兹振动模型得到。包括振动在内的所有跃迁模式中，材料的复介电常数可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}){{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{i\γ\ω}-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}$

其中，ε₀和ε_∞分别为ω＝0和ω＝∞时材料的介电常数，γ为阻尼常数，ω为振动频率。在实际情况中，

$\mathrm{\Δ\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}=\frac{{\mathrm{Nq}}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}m{\left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2},{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}=1+\mathrm{\χ}$

其中，x是材料的非谐振磁化率，q是有效电荷，m是有效质量，N是单位体积内的晶胞数。并且，介电常数的实部ε₁和虚部ε₂可以分表表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}-\mathrm{\Δ\ϵ}\frac{2{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ\ω}}{4{\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)}^2+{\mathrm{\γ}}^2},{\mathrm{\ϵ}}_2=\mathrm{\Δ\ϵ}\frac{\mathrm{\γ\Δ\ω}}{4{\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)}^2+{\mathrm{\γ}}^2}$

有机化合物材料中分子之间或声子之间的振动刚好处于太赫兹波段，当材料为弱极性材料时，Nq²的值就非常的小，因此，ε₁＞＞ε₂。

复介电常数和复折射率之间有如下的关系：

$\mathrm{\μ}\widetilde{\mathrm{\ϵ}}=\tilde{n}{\left(\mathrm{\ω}\right)}^2$

其中，μ是磁导率，在光学波段其等于1。所以：

$n+\mathrm{ik}~\sqrt{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}$

这表明，在由弱极性造成的弱吸收的情况下，有：

$n~\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1},\mathrm{\κ}~\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{n}$

上式表明，色散主要是由材料介电常数的实部来决定的，吸收主要是由材料介电常数的虚部来决定的。所以，相对反射率r可以表示为：

$r=\sqrt{\frac{{(n-1)}^2+{\mathrm{\κ}}^2}{{(n+1)}^2+{\mathrm{\κ}}^2}}~\frac{n-1}{n+1}$

对上式两边求导，得到：

$-\mathrm{dr}/\mathrm{d\ω}~\frac{-\mathrm{dn}/\mathrm{d\ω}}{{(n+1)}^2}~\frac{-\mathrm{dn}/\mathrm{d\ω}}{{(n_{\∞}+1)}^2}$

即： $-\mathrm{dr}/\mathrm{d\ω}~\frac{-d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}/\mathrm{d\ω}}{{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}+1)}^2}~\frac{-d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}/\mathrm{d\ω}}{{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}}+1)}^2}$

由上式可以看出，

和

具有相同的曲线形状。因为可以通过

来表示弱极性有机化合物材料在太赫兹波段的吸收谱。

具体的，在本发明的一个实施例中，将黑索金(RDX)研磨成粉末状，按照2：1的比例将黑索金(RDX)和聚乙烯粉末混合均匀，然后压制成直径为13mm，厚度为1mm的圆片。

首先在样品架4上放置反射镜，测量没有放置样品时的参考信号的太赫兹时域波形，然后将制作好的黑索金放置于反射式太赫兹时域光谱装置中样品架上，通过测量得到黑索金(RDX)的太赫兹时域波形。通过傅立叶变换得到参考信号以及待测黑索金(RDX)在该装置的有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)。

从得到的振幅谱中将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱r(ω)，再对相应的角频率求一阶导数

得到黑索金(RDX)在太赫兹波段的特征吸收谱。

图2为传统处理方法及本发明的方法对爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱的提取结果。其中：曲线1是利用传统的处理方法，通过人为消除位相误差计算得到爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱；曲线2是通过相对反射率谱对角频率求一阶导数，即：

计算得到爆炸物黑索金(RDX)的特征吸收谱。

从图2的两条谱线中可以看出，本发明的太赫兹光谱分析方法，其得出的特征吸收谱与传统方法得出的特征吸收谱在形状上大致相同，峰值出现在同样的频率下。说明利用本发明的太赫兹光谱分析方法，能够有效消除参考信号造成的位相误差。但本发明的计算过程与传统的方法相比更加简便，达到了有益的技术效果。

在本发明另一个实施例中，将爆炸物2，4-DNT研磨成粉末状，按照2∶1的比例将2，4-DNT和聚乙烯粉末混合均匀，然后压制成直径为13mm，厚度为1mm的圆片。

首先在样品架4上放置反射镜，测量没有放置样品时的参考信号的太赫兹时域波形，然后将制作好的2，4-DNT放置于反射式太赫兹时域光谱装置中样品架上，通过测量得到载有2，4-DNT信息的太赫兹时域波形。通过傅立叶变换得到参考信号以及待测2，4-DNT在该装置的有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)。

从得到的振幅谱中将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱r(ω)，再对相应的角频率求一阶导数

得到黑索金(RDX)在太赫兹波段的特征吸收谱。

图3为传统处理方法及本发明的方法对爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱的提取结果。其中：曲线1是利用传统的处理方法，通过人为消除位相误差计算得到爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱；曲线2是通过相对反射率谱对角频率求一阶导数，即：

计算得到爆炸物2，4-DNT的特征吸收谱。

从图3的两条谱线中可以看出，本发明的太赫兹光谱分析方法，其得出的特征吸收谱与传统方法得出的特征吸收谱在形状上大致相同，峰值出现在同样的频率下。说明利用本发明的太赫兹光谱分析方法，能够有效消除参考信号造成的位相误差。但本发明的计算过程与传统的方法相比更加简便，达到了有益的技术效果。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)测量没有放置样品时参考信号的太赫兹时域波形；

(2)测量载有待测样品信息的太赫兹时域波形；

(3)由太赫兹时域波形分别得到参考信号以及待测样品在系统有效频率范围内的振幅谱r_r(ω)、r_s(ω)，ω为相应的角频率；

(4)将待测样品的振幅谱除以参考信号的振幅谱得到相对反射率谱

(5)由得到的相对反射率谱r(ω)，通过

计算提取出待测样品在系统有效频率范围内的特征吸收谱。

2.如权利要求1中所述的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，其特征在于，步骤(3)中测量得到的太赫兹时域波形通过傅立叶变换得到参考信号以及待测样品在系统有效频率范围内的振幅谱。

3.如权利要求1中所述的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中测量的太赫兹时域波形为一维太赫兹时域波形。

4.如权利要求1中所述的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中测量的太赫兹时域波形为二维测量中的太赫兹时域波形。

5.如权利要求1中所述的消除位相误差的反射式太赫兹光谱分析方法，其特征在于，所述待测样品为弱极性的有机化合物材料。

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