CN108593591A - 一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，太赫兹时域光谱系统采用透反比标准器作为计量标准，透反比标准器使用高阻硅材料制作而成，利用透反比标准器对太赫兹时域光谱系统光谱透射比或光谱反射比标定，采用菲涅耳公式作为测量模型将其量值溯源至材料的折射率和吸收系数，测量误差可控制在±1%以内，该方法为太赫兹时域光谱系统的量值溯源和准确度评估提供了技术依据。
Description
技术领域
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，涉及太赫兹时域光谱标定技术，尤其是一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，适用于光谱透射比和光谱反射比标定。
背景技术
太赫兹波是指频率介于（0.1~10）THz之间的电磁波，介于远红外和毫米波之间。太赫兹波具有良好的介质穿透性、低电离能和相干性等优异特性，因此在材料科学、信息科学、航空航天等重要领域具有广阔的应用前景。
目前，太赫兹时域光谱系统被广泛用于多种类型物质的检测和分析中，这种定性或定量检测主要是基于对待测样品的光谱透射比或光谱反射比测试实现的。由于太赫兹时域光谱系统自身的信噪比限制以及易受环境因素干扰等原因，其测量结果的准确度往往难以保证，因此，需要采用计量的手段，对系统的光谱透射比或光谱反射比进行标定，从而对测量结果的不确定度进行评估。
由于太赫兹波段是介于光学远红外与微波之间的特殊波段，兼具有光学与微波的特性，因此，传统的用于光学波段标定的方法无法适用于太赫兹波段。目前，针对太赫兹波段的光谱透射比或光谱反射比标定的方法或标准尚属空白，相应的计量标准也尚未建立。为了保证该类仪器测量结果的准确度，需要探索和研究适用于太赫兹波段光谱透射比和光谱反射比标定的新方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，适用于太赫兹时域光谱系统光谱透射比和光谱反射比标定，解决太赫兹时域光谱系统测量结果准确度评估问题，为计量标准装置的建立提供技术依据。
本发明的技术方案如下：
一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，其中太赫兹时域光谱系统采用透反比标准器作为计量标准，透反比标准器使用高阻硅材料制作而成，其厚度为1mm～5mm，直径不小于太赫兹时域光谱系统产生的太赫兹光束的直径。
利用透反比标准器对太赫兹时域光谱系统进行标定时，若太赫兹时域光谱系统为透射式，则将透反比标准器的光谱透射比作为标准值；若太赫兹时域光谱系统为反射式，则将透反比标准器的光谱反射比作为标准值；若太赫兹时域光谱系统同时具有透射和反射测量功能，则需分别将透反比标准器的光谱透射比和光谱反射比作为标准值。
利用透反比标准器对太赫兹时域光谱系统光谱透射比或光谱反射比标定的步骤为：首先在不放入透反比标准器的情况下测量一组光谱数据，记为背景光谱；然后将透反比标准器放入太赫兹时域光谱系统中，测量一组光谱数据，记为样品光谱。对于透射式时域光谱系统，将样品光谱与背景光谱相除，即可得到光谱透射比T；对于反射式时域光谱系统，将样品光谱与背景光谱相除，则可得到光谱反射比R。
设透反比标准器的折射率为n，使太赫兹光沿透反比标准器法线方向入射，利用菲涅耳公式计算可得到太赫兹光在标准器界面的透射比和反射比。太赫兹光单次通过单界面时的光谱反射比R1的表达式：
太赫兹光单次通过单界面时的透射比T1的表达式：
考虑材料对太赫兹光的吸收，设其吸收系数为α，标准器的厚度为l，同时考虑光在透反比标准器内的多次反射和透射，计算可得其总反射率表达式：
总透过率表达式：
式中R1、T1、R、T都是频率的函数，即光谱透射比和光谱反射比。同时，总反射率表达式和总透过率表达式中不同项代表太赫兹光在材料中发生多次反射或透射时的反射比或透射比，在时域上表现为间隔相同但强度逐渐减弱的太赫兹脉冲序列。当对太赫兹时域光谱测量系统进行标定时，光学延迟线的扫描长度是有限的，不可能将所有脉冲信号测得，因此，可只选取其中有限个脉冲信号进行标定。本发明只选取第一个脉冲信号进行测量，将通过总反射率表达式和总透过率表达式第一项分别计算得到的值作为标准值计算公式，即：
本发明的效果和益处是：该太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，本发明中采用高阻硅材料制作的光谱透反比标准器对太赫兹时域光谱系统进行标定，采用菲涅耳公式作为测量模型将其量值溯源至材料的折射率和吸收系数，测量误差可控制在±1%以内，该方法为太赫兹时域光谱系统的量值溯源和准确度评估提供了技术依据。
附图说明
图1 太赫兹时域光谱系统的光谱标定原理图。
图中：1 飞秒激光器；2 信号发生器；3 光束调制模块；4 锁相放大器；5 太赫兹时域光谱系统；6 透反比标准器；7 计算机系统。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如说明书附图1所示，飞秒激光器1发出的激光束经光束调制器3按照特定频率调制后入射到太赫兹时域光谱系统5中，太赫兹时域光谱系统5将相应的太赫兹信号转化为电信号输出至锁相放大器4，锁相放大器4将所需电信号进行滤波和放大后输出至计算机系统7，计算机系统7对采集到的信号进行时-频变换和后续光谱分析。
飞秒激光器1为太赫兹时域光谱系统5提供泵浦和探测光束，其中心波长与太赫兹时域光谱系统5的响应波长范围匹配；信号发生器2提供特定频率的周期信号，并将该周期信号的频率值分别传输至光束调制模块3和锁相放大器4，为二者提供频率参考；光束调制模块3对飞秒激光束的重复频率进行调制和降频，调制后的重复频率与信号发生器2输入至锁相放大器4的参考频率一致；锁相放大器4对来自太赫兹时域光谱系统5的电信号进行去噪、解调和放大处理，并将处理后的电信号输入至计算机系统7；太赫兹时域光谱系统5在入射飞秒激光的作用下产生太赫兹脉冲，该太赫兹脉冲入射到待测样品上后，携带待测样品的光谱信息，经探测模块转化为电信号输出至锁相放大器4；透反比标准器6作为对太赫兹时域光谱系统5的光谱透射比或光谱反射比进行标定。
实施例
透反比标准器使用高阻硅材料制作而成，其厚度为1mm～5mm，由于高阻硅材料折
射率在太赫兹波段各频率处的差异非常小，在（0.1～3）THz波段内其折射率在3.4170～
3.4176范围内。利用本发明推导得到标准值计算公式：和，
将上述折射率值代入标准值计算公式中，可得到（0.1～3.0）THz波段内光谱透射比标准值
在0.2994～0.2995范围内，光谱反射比标准值在0.4908～0.4907范围内。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，其特征在于：
太赫兹时域光谱系统采用透反比标准器进行标定，透反比标准器使用高阻硅材料制作而成，其厚度为1mm～5mm，直径不小于太赫兹时域光谱系统产生的太赫兹光束的直径；
利用透反比标准器对太赫兹时域光谱系统进行光谱透射比或光谱反射比标定步骤：首先在不放入透反比标准器的情况下测量一组光谱数据，记为背景光谱，然后将透反比标准器放入太赫兹时域光谱系统中，测量一组光谱数据，记为样品光谱，最后对于透射式时域光谱系统，将样品光谱与背景光谱相除，即可得到光谱透射比T，对于反射式时域光谱系统，将样品光谱与背景光谱相除，则可得到光谱反射比R。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，其特征在于：利用所述透反比标准器对太赫兹时域光谱系统进行标定时，若太赫兹时域光谱系统为透射式，则将透反比标准器的光谱透射比作为标准值；若太赫兹时域光谱系统为反射式，则将透反比标准器的光谱反射比作为标准值；若太赫兹时域光谱系统同时具有透射和反射测量功能，则需分别将透反比标准器的光谱透射比和光谱反射比作为标准值。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，其特征在于：太赫兹光沿透反比标准器法线方向入射，利用菲涅耳公式计算可得到太赫兹光单次通过单界面时的光谱反射比R1表达式：
式中n为透反比标准器的折射率；
太赫兹光单次通过单界面时的透射比T1的表达式：
考虑材料对太赫兹光的吸收，以及光在透反比标准器内的多次反射和透射，可得总反射率表达式：
式中α为吸收系数，l为标准器的厚度；
总透过率表达式：
选取第一个脉冲信号进行测量，将通过总反射率表达式和总透过率表达式第一项分别计算得到的值作为标准值计算公式，即：
。
4.根据权利要求1或3所述的一种太赫兹时域光谱系统的光谱透反比标定方法，其特征在于：高阻硅材料在（0.1～3）THz波段内折射率在3.4170～3.4176范围内，利用标准值计算公式可得（0.1～3.0）THz波段内光谱透射比标准值在0.2994～0.2995范围内，光谱反射比标准值在0.4908～0.4907范围内。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180928 |