CN109188105A - 适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法，该装置包括参考板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块；该方法采用部分透射、部分反射的材料作为参考板，通过对参考板的透射测量，获得其复折射率，并推算其在设定入射角度下的反射率；分别测量参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量，并结合推算的参考板的反射率，计算待测材料板的反射率；根据测量频段待测材料板的反射率及外推反射率，计算待测材料板引起的相移，从而得到待测材料板的复介电参数。该装置及方法基于光纤耦合的太赫兹时域光谱技术，特别适用于太赫兹频段高反射材料的介电参数的测量，有助于提高反射率、介电参数测量的准确度。

Description

适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法。

背景技术

太赫兹时域光谱技术(Terahertz time domain spectroscopy,THz-TDS)是近年来发展起来的新的光谱技术，许多大分子物质的转动、振动能级都落在了太赫兹频段，太赫兹时域光谱系统可用于测量违禁化学品(包括各类单质炸药、毒品)等大分子物质的吸收光谱，成为了一种有效的物质鉴定手段；另一方面，太赫兹时域光谱也作为一种材料特性研究工具，利用透射式、反射式太赫兹时域光谱系统对物质进行透射率、反射率测量，从而可反演材料的介电参数。

尽管目前提出了很多太赫兹频段材料介电参数的测量、反演方法，但大多只适用于弱吸收材料的透射测量，一直以来反射测量是太赫兹时域光谱技术面临的最大挑战，该技术存在反射相位测不准和高反射材料反射率幅度测不准两个主要问题；反射相位测不准来源于放置误差，反射法测量介电参数先要获得样品的反射率，包括反射的幅度和相位，需要分别在同样姿态下测量参考板的反射和待测材料板的反射的幅度相位，两次反射测量需要参考板和待测材料板的反射表面严格处于同一位置，因为太赫兹波长只有0.1mm(@1THz)，对放置误差较为敏感，误差应该在几微米的范围内，才能准确获得材料板反射引起的相移，然而通常手工放置样板无法保证这样的精度，造成无法准确反演介电参数。同时，反射定位误差也会导致反射太赫兹偏离太赫兹接收模块中的探测芯片或者波束聚焦状态被改变，也会影响幅度测量精度。

另一方面，反射率幅度测不准也来源于错误的选择参考板，通常测量反射率幅度时会选择金属板或者镀金反射镜的反射能量作为照射能量，材料板反射能量除以参考板的反射能量作为反射率幅度部分，对大多数材料是适用的且可以被接受的。但对于金属等高反射性能的材料的测量而言，以镀金反射镜作为参考板，认为其反射能量等同于照射能量，其中存在着贵金属金的反射率在所有材料里是最高、且可以反射全部能量的假设，而这一假设是不严格的，然而在很多已知频段已证实，这不是一定是正确的，尤其是在太赫兹这样一个跨度很宽的频段内。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中太赫兹频段材料高反射材料测量存在反射率幅度、相位测量不准确，无法准确反演材料介电参数的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，包括：参考板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块；

所述透射测量模块用于对所述参考板进行太赫兹波透射测量；所述反射测量模块用于分别获取所述参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；所述计算模块用于根据所述透射测量模块的测量结果获得所述参考板的折射率和消光系数并计算所述参考板在设定入射角度下反射的反射率，结合所述参考板和所述待测材料板反射的太赫兹波能量，计算所述待测材料板的反射率和相移，解算待测材料板的介电参数。

优选地，所述反射测量模块包括气室、基板、弓型轨道、太赫兹发射模块、太赫兹接收模块和样品支架；

所述基板设于所述气室内，所述弓型轨道设于所述基板，所述样品支架设于所述弓型轨道的圆心处，用于放置被测样品；所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块分别通过一个直轨设于所述弓型轨道，两个所述直轨均一端固定于所述弓型轨道的圆心处，一端设于所述弓型轨道并能够沿所述弓型轨道移动，用于带动所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块围绕所述样品支架做圆周运动。

优选地，所述基板竖直设于所述气室一侧壁的内侧，所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块位于所述样品支架下方。

优选地，所述参考板为硅片或聚四氟乙烯片。

本发明还提供了一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，包括如下步骤：

S1、对参考板进行太赫兹波透射测量，获得参考板的折射率和消光系数，计算参考板在设定入射角度下反射的反射率；

S2、分别测量参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；

S3、根据参考板的反射率和反射的太赫兹波能量以及待测材料板反射的太赫兹波能量，计算待测材料板在测量频段的反射率；

S4、根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移，解算待测材料板的复介电参数。

优选地，所述步骤S1中计算参考板在设定入射角度下反射的反射率时，根据菲涅耳公式，若入射太赫兹波为p偏振，则参考板的反射系数r_01p为：

若入射太赫兹波为s偏振，则参考板的反射系数r_01s为：

其中，r_01p和r_01s分别表示太赫兹波由空气入射参考板时的p和s两种偏振状态下的反射系数，为入射角度，为折射角度；为空气复折射率，为参考板复折射率，ω为频率，n₁(ω)为参考板的折射率，k₁(ω)为参考板的消光系数；

则参考板的反射率为：

优选地，所述步骤S3包括：

根据参考板的反射率R_参考板和反射的太赫兹波能量P_参考板，得到太赫兹波照射能量P_照射：

根据太赫兹波照射能量P_照射和待测材料板反射的太赫兹波能量P_材料板，得到待测材料板在测量频段的反射率R：

优选地，所述步骤S4中采用Kramers-Kronig关系解算待测材料板的复介电参数：

ε_r(ω)＝n²(ω)-k²(ω)，ε_i(ω)＝2n(ω)·k(ω)；

其中，θ(ω)为待测材料板引起的相移，n(ω)为待测材料板的折射率，k(ω)为待测材料板的消光系数，ε_r(ω)和ε_i(ω)为待测材料板复介电参数的实部和虚部，待测材料板的复介电参数ε(ω)＝ε_r(ω)+iε_i(ω)。

优选地，所述步骤S4中根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移时，将积分分为频段Ⅰ：(0，ω₁)，频段Ⅱ：(ω₁，ω₂)，和频段Ⅲ：(ω₂，∞)三段：

其中，频段Ⅱ为测量频段，频段Ⅰ的反射率采用线性外推，为定值R(ω₁)，频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推，为

优选地，确定频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推时，根据在测量频段内选定的标定点的复介电参数调整参数p的数值，或令参数p的数值为0。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法，采用部分透射、部分反射材料作为参考板，通过透射、反射测量参考板以及反射测量待测材料板，利用参考板的反射率，计算待测材料板的反射率，相比通常以镀金反射镜或普通金属板作为参考板的反射率测量方法，提高了反射率幅度的测量准确度。并且，传统太赫兹时域光谱系统通过反射测量获得复反射率(包含幅度和相位信息)，结合菲涅耳反射定律可推演材料的电磁参数，通常样品和参考板无法达到几个微米级的放置精度要求，导致其相位无法准确的测量，需要对相位进行修正，处理方法复杂。而本发明提供的方法可避免相位测不准带来的困扰，只需测量幅度信息，通过反射率幅度计算相移。

本发明提供的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法还能够结合已知频段的信息，通过标定调整参数，修正结果，达到更为准确地反演待测材料板复介电参数的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一中反射测量模块结构示意图；

图2是本发明实施例二中适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法步骤图；

图3是本发明实施例三中金属铝反射率测量曲线；

图4a是本发明实施例三中金属铝折射率曲线；

图4b是本发明实施例三中金属铝消光系数曲线；

图4c是本发明实施例三中金属铝介电参数实部曲线；

图4d是本发明实施例三中金属铝介电参数虚部曲线。

图中：1：太赫兹发射模块；2：太赫兹接收模块；3：样品支架；4：固定孔；5：气室；6：基板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供的一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，包括：参考板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块。其中，透射测量模块用于对参考板进行太赫兹波透射测量；反射测量模块用于分别获取参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；计算模块用于根据透射测量模块的测量结果获得参考板的折射率和消光系数并计算所述参考板在设定入射角度下反射的反射率，结合参考板和待测材料板反射的太赫兹波能量，计算待测材料板的反射率和相移，解算待测材料板的介电参数。优选地，本发明采用部分透射、部分反射且低损耗材料作为参考板，参考板既能透射太赫兹波，又能反射太赫兹波。

通常测量材料的反射率的幅度和由材料板反射引起的相移，可推导出材料的介电参数。测量时应保证参考板和待测材料板切换时前表面严格处于同一位置，定位误差非常的小，但是由于太赫兹波波长只有亚毫米量级级，以3THz为例，其波长仅为0.1mm，切换参考板和待测材料板时，定位误差应小于1/100波长，约1um，这是人工放置材料板所不能及的定位精度。

本发明提供的太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置通过透射、反射测量参考板以及反射测量待测材料板，计算出待测材料板的反射率，根据反射率计算出待测材料板的相移，进而计算出待测材料板的折射率、消光系数和复介电参数，有效解决了现有技术中反射率测量不准确，介电参数反演不准确的问题。

通常认为贵金属金的反射率最大，能够反射全部照射能量，因此现有技术测量反射率通常选用镀金反射镜作为参考板。对于测量普通材料的反射率，金镜作为参考并不会对测量结果有太大的影响，因为金属反射率普遍较高，但是这样做的结果也会导致不够准确。但对于高反射的材料如银、铝、铜等常见金属以及其它反射率较高的材料而言，测量其介电参数就需要选择一种能够反射全部照射能量的参考板，然而太赫兹波段，各种金属的反射率也略有不同。金的反射率在0.1-3THz测量频段其反射效率最高，但这并不一定在太赫兹波段成立，采用金作为参考将会引起较大误差，有时可能还会出现明显大于1的错误情况。

本发明提出了采用部分反射、部分透射、低损耗的材料作为反射率测量中的参考板，使用时首先利用透射测量模块对参考板进行透射测量，以获得其介电参数，计算模块利用菲涅耳公式计算参考板的反射系数。利用反射测量模块对参考板和待测材料板进行反射测量，计算模块通过参考板和待测材料板的反射能量以及已经获得的参考板的反射系数，获得材料的反射率，并结合K-K关系和测量频段材料的一些已知信息，反演材料的介电参数。本发明提供的装置可使得反射率及介电参数测量更加准确，尤其适合高反射材料的反射率、介电参数的获取。

参考板采用低吸收材料，优选地，参考板可采用硅片材或聚四氟乙烯片材。硅片材既能透射又能反射太赫兹脉冲，并且易加工，对太赫兹波的损耗极低，有利于测量及后续解算反射系数。进一步优选地，参考板可选高阻硅片。高阻硅片的电阻率较高，一般为1万欧姆及以上。

反射测量模块可选用现有的太赫兹时域光谱反射式测量系统，在一个优选的实施方式中，如图1所示，反射测量模块(也即太赫兹时域光谱反射式测量系统)包括气室5、基板6、太赫兹发射模块1、太赫兹接收模块2和样品支架3。其中，气室5为中空密闭结构，用于填充干燥空气，减小空气中水汽对太赫兹波的吸收；基板5设于气室5内，弓型轨道设于基板6上，样品支架3设于弓型轨道的圆心处，用于放置被测样品(即参考板或待测材料板)；太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2均分别通过一个直轨设于弓型轨道，两个直轨均一端固定于弓型轨道的圆心处，另一端设于弓型轨道并能够沿弓型轨道移动，用于带动太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2围绕样品支架3做圆周运动。

优选地，基板6竖直设于气室5一侧壁内侧，太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2位于样品支架3下方。样品支架22在上方的意义在于，发射、接收模块下置，样品自上而下利用自身重力放置，可保证切换待测材料板和参考板时，二者前表面，即反射表面，尽可能的处于同一位置，太赫兹波长短，方向性好，待测材料板和参考板的放置误差是导致相位、反射率测不准的最大因素之一，利用重力有助于保证两次测量待测材料板反射表面和参考板反射表面尽可能的保持定位、姿态的一致性，提高测量精度。

优选地，弓型轨道一侧设有多个间隔分布的固定孔4，用于固定两个直轨在弓型轨道的位置。进一步优选地，弓型轨道一侧还设有指示角度的刻度，便于准确调节太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2的位置，以便改变太赫兹波反射测量中的反射角度。

优选地，反射测量模块包括光纤耦合式太赫兹时域光谱系统主机，太赫兹发射模块1、太赫兹接收模块2通过光纤连接至太赫兹时域光谱系统主机，因此相比于自由空间的太赫兹时域光谱系统，更加灵活，测试角度易于调节，改变反射系统的反射角度时，只需调节两个直轨端部在弓型轨道的位置即可。

优选地，样品支架3靠近太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2的一侧设有开口，另一侧设有固定装置。使用时，参考板和待测材料板通过固定装置设于开口处，太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2均朝向样品支架3，太赫兹发射模块1向开口处发射太赫兹波，太赫兹波在开口处反射，反射进入太赫兹接收模块2。

优选地，太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2分别设于两个直轨，并可沿直轨移动，即直轨使得太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2可以沿弓型轨道的径向移动。

优选地，气室5用于充入干燥的氮气，以排除太赫兹传输中水蒸气等对其的吸收影响。进一步优选地，气室5为透明箱体，便于观察调整。

反射测量时，太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2相对于被测样品形成镜面反射角度，使用时，在密闭的气室5中充入干燥的氮气，连接光纤泵浦激光的太赫兹发射模块1发射出太赫兹脉冲，然后分两次分别照射于样品支架3所架设的参考板和待测材料板的下表面上，由其反射后的太赫兹脉冲进入太赫兹接收模块2进行光谱的收集。根据指示角度的刻度可调整太赫兹波入射角及相应的反射角，调整后利用固定孔4与直轨一端的固定螺栓相互配合，固定太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2位置。该反射测量模块方便调节角度，且能够确保一次测量参考板和待测材料板过程中，各个部件不发生相对变化，无需调整太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2位置。

透射测量模块可选用现有的太赫兹时域光谱透射式测量系统，在一个优选的实施方式中，透射测量模块可与反射测量模块结构相同，即透射测量模块与反射测量模块可共用同一套装置，如图1所示，太赫兹透射测量时，可沿弓型轨道旋转太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2，使太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2相对共线放置，即二者呈180°夹角，分列于弓型轨道的两个端位。样品支架旋转90°，位于太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2之间，垂直于太赫兹波，即形成了透射测量状态。分别测量参考板太赫兹波透射电场强度和直通电场强度(太赫兹发射模块1和太赫兹接收模块2间不放置参考板，即无参考板的太赫兹波透射电场强度)，计算参考板材料的复透射系数，从而反演参考板材料的折射率和消光系数，用于计算参考板的反射率。

在一个优选的实施方式中，计算模块还用于借助待测材料板在测量频段内的已知信息对计算得到的介电参数进行修正，更准确的确定其介电参数。

实施例二

如图2所示，本实施例二提供了一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，可采用上述任一种实施方式所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置进行测量，包括如下步骤：

S1、对参考板进行太赫兹波透射测量，获得参考板的折射率和消光系数，计算参考板在设定入射角度下反射的反射率；

S2、分别测量参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；

S3、根据参考板的反射率和反射的太赫兹波能量以及待测材料板反射的太赫兹波能量，计算待测材料板在测量频段的反射率；

S4、根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移，解算待测材料板的复介电参数。

在一个优选的实施方式中，步骤S1包括首先分别获取有无参考板的太赫兹波透射电场强度和然后两者相除得到复透射系数，从而反演参考板材料的折射率n₁(ω)和消光系数k₁(ω)，公式为：

优选地，步骤S1中计算参考板在设定入射角度下反射的反射率时，根据菲涅耳公式，若入射太赫兹波为p偏振，忽略样品内的多次反射，则参考板的反射系数r_01p为：

若入射太赫兹波为s偏振，忽略样品内的多次反射，则参考板的反射系数r_01s为：

其中，r_01p和r_01s分别表示太赫兹波由空气入射参考板时的p和s两种偏振状态下的反射系数，为入射角度，为折射角度；为空气复折射率，为参考板复折射率，复折射率由实部和虚部组成，与频率相关，ω为频率，n₁(ω)为参考板的折射率，k₁(ω)为参考板的消光系数；

则参考板的反射率为：

优选地，步骤S2中对参考板和待测材料板分别进行太赫兹波反射测量时，将参考板放置于反射测量模块中测量点(样品支架)，调节参考板、太赫兹发射模块和太赫兹接收模块姿态，使反射效率最高；记录其反射的太赫兹波能量P_参考板后，维持其他部件不变，以待测材料板替换参考板，测得待测材料板反射的太赫兹波能量P_材料板。

优选地，步骤S3包括：

根据参考板的反射率R_参考板和反射的太赫兹波能量P_参考板，得到太赫兹波照射能量P_照射：

根据太赫兹波照射能量P_照射和待测材料板反射的太赫兹波能量P_材料板，得到待测材料板在测量频段的反射率R：

以入射角度为15°，太赫兹波p偏振，参考板采用硅片为例，空气折射率n₀＝1，由于在测量频段0.1-3THz硅的折射率接近常数n₁＝3.4，k₁≈0，近似不随频率变化，问题得以简化，在入射角度的情况，折射角的余弦函数可根据折射定律计算：

参考板(硅片)前表面的反射率，待测材料板的反射率计算步骤如下：

对于在测量频段不能近似为常数的参考板，或者对测量精度要求更高的情况下，需带入参考板随频率变化的折射率n₁(ω)和消光系数k₁(ω)来计算不同频点的反射率。

优选地，步骤S4中采用Kramers-Kronig关系(K-K关系)解算待测材料板的复介电参数：

其中，θ(ω)为待测材料板引起的相移，n(ω)为待测材料板的折射率，k(ω)为待测材料板的消光系数，ε_r(ω)和ε_i(ω)为待测材料板复介电参数的实部和虚部，待测材料板的复介电参数ε(ω)＝ε_r(ω)+iε_i(ω)。避免了反射率中相位信息测不准而无法准确提取材料参数的问题。

相移与材料板全频段的反射率有关，但实际测量中，只能测量电磁频谱中有限的频段，其余频段需要采用线性外推或指数外推法得出。优选地，步骤S4中根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移时，将积分分为频段Ⅰ：(0，ω₁)，频段Ⅱ：(ω₁，ω₂)，和频段Ⅲ：(ω₂，∞)三段：

其中，频段Ⅱ为测量频段，频段Ⅰ的反射率采用线性外推，即在频段Ⅰ认反射率随频率变化不明显，为恒定值R(ω₁)，频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推，即参数p＝0，即为线性外推，参数p≠0，即为指数外推。

显然，在计算θ₂(ω)的过程中，当ω′＝ω时有奇点的情况，奇点值可以以该点的微商值来代替，运用洛比达法则：

其中，p作为参数可优化调节。优选地，确定频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推时，根据在测量频段内选定的标定点的复介电参数(来自于理论计算或其他测量方式获得)调整参数p的数值，或令参数p的数值为0。若可通过其他方式理论计算或测量已知测量频段(频段Ⅱ)内某一点(标定点)的复介电参数，调整参数p的取值，使得该方法求解得到的复介电参数在标定点与其真实值相同，即利用测量频段已知信息，通过标定调整参数，修正结果更准确的确定待测材料板的复介电参数，若未有已知信息，采用线性外推(取p＝0)，同样可获得较为近似的可靠结果。

实施例三

本实施例三与实施例二基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例以硅片参考板，测量金属铝的反射率，如图3所示，测量频率范围(频段Ⅱ)为0.2-3THz，对相移积分分为三段：频段Ⅰ：0-0.2THz，频段Ⅱ：0.2-3THz，频段Ⅱ：3THz以上，并根据K-K关系反演介电参数，计算所得如图4a至4d所示，图4a为金属铝折射率曲线；图4b为金属铝消光系数曲线；图4c为金属铝介电参数实部曲线；图4d为金属铝介电参数虚部曲线。

根据Mark A.Ordal,等人于1998年在APPLIED OPTICS发表的Optical propertiesof Al,Fe,Ti,Ta,W,and Mo at submillimeter wavelengths文章中，Al在1.5THz的折射率为436，将该点值作为标定点，计算待测材料板的材料参数时，选择合适的参数p的值，使计算的折射率曲线在1.5THz频点处折射率在436附近，从而实现对整个测量频段的介电参数的矫正，使结果更为准确。

综上所述，本发明提供了一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置及方法。本发明在现有反射率测量及介电参数反演方法上进行了一些改进，有助于提高现有反射率、介电参数测量的准确度，并一定程度地克服了反射式太赫兹时域光谱系统的问题，特别适用于太赫兹频段高反射材料的介电参数的测量。本发明采用部分透射、部分反射材料作为参考板，分别测量待测材料板和参考板的反射能量，将待测材料板的反射能量除以参考板的反射能量乘以参考板的反射率作为待测材料板的反射率。其中参考板的反射率的获得需要通过透射法测量参考板获得其折射率和消光系数，并代入菲涅耳公式准确获得。基于Kramers-Kronig关系及材料的反射率幅度信息可以计算出由待测材料板引起的相移，从而反演材料的介电参数，并结合测量频段一些已知信息，对获得的参数进行矫正，使测得太赫兹频段高反射材料的介电参数更为准确。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，其特征在于，包括：参考板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块；

所述透射测量模块用于对所述参考板进行太赫兹波透射测量；所述反射测量模块用于分别获取所述参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；所述计算模块用于根据所述透射测量模块的测量结果获得所述参考板的折射率和消光系数并计算所述参考板在设定入射角度下反射的反射率，结合所述参考板和所述待测材料板反射的太赫兹波能量，计算所述待测材料板的反射率和相移，解算待测材料板的介电参数。

2.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，其特征在于：所述反射测量模块包括气室、基板、弓型轨道、太赫兹发射模块、太赫兹接收模块和样品支架；

所述基板设于所述气室内，所述弓型轨道设于所述基板，所述样品支架设于所述弓型轨道的圆心处，用于放置被测样品；所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块分别通过一个直轨设于所述弓型轨道，两个所述直轨均一端固定于所述弓型轨道的圆心处，一端设于所述弓型轨道并能够沿所述弓型轨道移动，用于带动所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块围绕所述样品支架做圆周运动。

3.根据权利要求2所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，其特征在于：所述基板竖直设于所述气室一侧壁的内侧，所述太赫兹发射模块和所述太赫兹接收模块位于所述样品支架下方。

4.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量装置，其特征在于：所述参考板为硅片或聚四氟乙烯片。

5.一种适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对参考板进行太赫兹波透射测量，获得参考板的折射率和消光系数，计算参考板在设定入射角度下反射的反射率；

S2、分别测量参考板和待测材料板在同一设定入射角度下反射的太赫兹波能量；

S3、根据参考板的反射率和反射的太赫兹波能量以及待测材料板反射的太赫兹波能量，计算待测材料板在测量频段的反射率；

S4、根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移，解算待测材料板的复介电参数。

6.根据权利要求5所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于：

所述步骤S1中计算参考板在设定入射角度下反射的反射率时，根据菲涅耳公式，若入射太赫兹波为p偏振，则参考板的反射系数r_01p为：

若入射太赫兹波为s偏振，则参考板的反射系数r_01s为：

其中，r_01p和r_01s分别表示太赫兹波由空气入射参考板时的p和s两种偏振状态下的反射系数，为入射角度，为折射角度；为空气复折射率，为参考板复折射率，ω为频率，n₁(ω)为参考板的折射率，k₁(ω)为参考板的消光系数；

则参考板的反射率为：

7.根据权利要求6所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

根据参考板的反射率R_参考板和反射的太赫兹波能量P_参考板，得到太赫兹波照射能量P_照射：

根据太赫兹波照射能量P_照射和待测材料板反射的太赫兹波能量P_材料板，得到待测材料板在测量频段的反射率R：

8.根据权利要求7所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于：

所述步骤S4中采用Kramers-Kronig关系解算待测材料板的复介电参数：

ε_r(ω)＝n²(ω)-k²(ω)，ε_i(ω)＝2n(ω)·k(ω)；

其中，θ(ω)为待测材料板引起的相移，n(ω)为待测材料板的折射率，k(ω)为待测材料板的消光系数，ε_r(ω)和ε_i(ω)为待测材料板复介电参数的实部和虚部，待测材料板的复介电参数ε(ω)＝ε_r(ω)+iε_i(ω)。

9.根据权利要求8所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于：

所述步骤S4中根据待测材料板在测量频段的反射率外推测量频段外的反射率，进而计算待测材料板的相移时，将积分分为频段Ⅰ：(0，ω₁)，频段Ⅱ：(ω₁，ω₂)，和频段Ⅲ：(ω₂，∞)三段：

其中，频段Ⅱ为测量频段，频段Ⅰ的反射率采用线性外推，为定值R(ω₁)，频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推，为

10.根据权利要求9所述的适用于太赫兹频段高反射材料介电参数测量方法，其特征在于：

确定频段Ⅲ的反射率采用线性外推或者指数外推时，根据在测量频段内选定的标定点的复介电参数调整参数p的数值，或令参数p的数值为0。