CN109211843B - 一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法，包括太赫兹波透射测量获取第一标定板和第二标定板分别作为被测样品以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度，得到第一标定板和第二标定板的复折射率；在某一入射角度下，太赫兹波反射测量获取第一标定板和第二标定板分别反射的太赫兹波反射电场强度；根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得二者反射系数表达式，结合二者反射的太赫兹波反射电场强度之比，计算太赫兹波反射测量的入射角。本发明还涉及一种太赫兹波反射测量系统入射角确定装置。该方法及装置通过计算准确获得太赫兹波反射测量的入射角度，解决了现有技术中依赖角度仪读取无法精确确定入射角度的难题。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法及装置。
背景技术
太赫兹脉冲通常是指波长从30微米到3毫米，频率从0.1到10太赫兹的电磁波。太赫兹脉冲介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。因为太赫兹脉冲处于光子学与电子学的过渡区域，所以它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。
目前，太赫兹波反射测量系统通常依赖外部的角度仪读数获得太赫兹波反射测量的入射角度，这种方法准确性较差，特别是太赫兹波肉眼不可见，由角度仪读数很容易造成偏差，而入射角度的偏差很可能影响太赫兹波测量结果。
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依赖人工读取角度仪获得太赫兹波反射测量的入射角度准确性差，容易出现偏差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法，包括：
S1、太赫兹波透射测量获取第一标定板和第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度，以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度，其中第二标定板与第一标定板的透射率不同；
S2、根据获取的有无被测样品时的太赫兹波透射电场强度之比，分别得到第一标定板和第二标定板的透射系数，进而得到第一标定板和第二标定板的复折射率；
S3、太赫兹波反射测量获取第一标定板和第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度；
S4、根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，计算太赫兹波反射测量的入射角。
优选地，所述步骤S2中计算第一标定板的复折射率时，将有无第一标定板作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度相比，得到第一标定板的透射系数表达式为：
其中，t1表示所述第一标定板的透射系数，
表示有所述第一标定板时测得的透射电场强度，
表示无所述第一标定板时测得的透射电场强度，ω表示频率，ρ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的幅值，ρ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度幅值，φ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的相位，φ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度的相位，n0表示无第一标定板时太赫兹波传播所经过的空间的折射率，
表示第一标定板的复折射率；L表示所述第一标定板的厚度，c表示光速；利用第一标定板的透射系数表达式计算得到第一标定板的复折射率。
优选地，所述步骤S4根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式包括：
根据菲涅尔公式，得出第一标定板的反射系数的表达式为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；θ0表示入射角角度，θ1表示第一标定板材料折射角角度；
得出第二标定板的反射系数的表达式为:
其中，r2 p和r2 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第二标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；θ2表示第二标定板折射角角度，
表示第二标定板的复折射率。
优选地，所述步骤S4中结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，得第一标定板和第二标定板在同一入射角度下的反射率之比为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；
和
分别表示理论上全反射后的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第一标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第二标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度。
优选地，所述步骤S4中计算太赫兹波反射测量的入射角时，根据斯涅耳公式，得：
优选地，还包括：
S5、测量该太赫兹波反射测量系统另一入射角时，改变太赫兹波入射角，重复所述步骤S3，获得第一标定板和第二标定板在该入射角下分别反射的太赫兹波反射电场强度，结合所述步骤S4求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，计算该入射角。
本发明还提供了一种太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，包括：第一标定板、第二标定板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块；
其中，所述第二标定板与所述第一标定板的透射率不同；所述透射测量模块用于通过太赫兹波透射测量获得所述第一标定板和所述第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度；所述反射测量模块用于通过太赫兹波反射测量获取所述第一标定板和所述第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度；所述计算模块用于根据有无被测样品的太赫兹波透射电场强度之比分别得出所述第一标定板和所述第二标定板的复折射率，并结合所述第一标定板和所述第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比以及菲涅尔公式，确定太赫兹波反射测量系统入射角。
优选地，所述反射测量模块包括第二气室、基板、太赫兹波发射模块、太赫兹波接收模块和样品支架；
所述基板设于所述第二气室内，所述基板上设有弓形导轨；所述样品支架设于所述弓形导轨的圆心处，用于放置被测样品；所述太赫兹波发射模块和所述太赫兹波接收模块分别通过一个直轨设于所述弓形导轨，两个所述直轨均一端固定于所述弓形导轨的圆心处，一端跨过所述弓形导轨并能够沿所述弓形导轨弧的切向移动，用于带动所述太赫兹波发射模块和所述太赫兹波接收模块围绕所述样品支架做圆周运动。
优选地，所述透射测量模块包括太赫兹波发射天线、第一至第四抛物面镜、硅片、电光晶体、四分之一波片、聚焦透镜、渥拉斯顿棱镜、差分光电探测器和第一气室；
所述太赫兹波发射天线用于接收泵浦激光并激发产生太赫兹脉冲；所述第一抛物面镜用于接收太赫兹脉冲并准直，第二抛物面镜用于将准直的太赫兹脉冲聚焦形成放置被测样品的聚焦测量点；第三抛物面镜用于将通过聚焦测量点后的太赫兹脉冲再次准直，第四抛物面镜用于将再次准直的太赫兹脉冲汇聚；所述硅片用于反射外来的探测光束，并将探测光束与穿过所述硅片的太赫兹脉冲汇聚于电光晶体，形成太赫兹电场调制后的激光；所述四分之一波片用于对调制后的激光中的寻常光和非常光引入π/2的相位差，所述聚焦透镜用于将引入相位差的激光汇聚，所述渥拉斯顿棱镜用于使汇聚的激光分束并分别汇聚于所述差分光电探测器，所述差分光电探测器用于对被测样品的太赫兹信号进行差分解调探测；所述太赫兹波发射天线、所述第一至第四抛物面镜、所述硅片和所述电光晶体形成太赫兹传输路径，置于充满氮气的所述第一气室内。
(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波反射测量系统入射角确定方法，通过第一标定板和第二标定板的反射系数以及第一标定板和第二标定板在同一入射角度下反射的太赫兹波反射电场强度，解算太赫兹波反射测量的入射角度，该方法可获取准确的太赫兹波入射角度，解决了现有技术中依赖角度仪读取入射角度无法精确确定太赫兹波反射测量入射角的难题，可用于校准太赫兹波反射测量系统中的入射角度，有效减少角度测量误差，提高测量精度。
本发明还提供了一种太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，包括第一标定板、第二标定板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块，通过计算模块可求解得反射测量模块在进行太赫兹波反射测量时的准确入射角度。
附图说明
图1是本发明实施例一中太赫兹波反射测量系统入射角确定方法步骤图；
图2是本发明实施例二中的透射测量模块(含被测样品)结构示意图；
图3是本发明实施例二中的反射测量模块结构示意图。
图中：1：太赫兹波发射天线；2：第一抛物面镜；3：第二抛物面镜；4：被测样品；5：第三抛物面镜；6：第四抛物面镜；7：硅片；8：电光晶体；9：四分之一波片；10：聚焦透镜；11：渥拉斯顿棱镜；12：差分光电探测器；13：第一气室；
20：太赫兹波发射模块；21：太赫兹波接收模块；22：样品支架；23：固定孔；24：第二气室；25：基板；26：弓形导轨。
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
如图1所示，本实施例一提供了一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法，包括以下步骤：
S1、太赫兹波透射测量获取第一标定板和第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度，以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度，其中第二标定板与第一标定板的透射率不同。
太赫兹波透射测量时，太赫兹波正入射被测样品，即垂直穿过被测样品。第一标定板和第二标定板为同时具备透射和反射太赫兹波特性且对太赫兹波极弱吸收的材料，例如：高阻硅片或聚四氟乙烯片。
S2、根据获取的有无被测样品时的太赫兹波透射电场强度之比，分别得到第一标定板和第二标定板的透射系数，进而得到第一标定板和第二标定板的复折射率。
利用有无被测样品时的太赫兹波透射电场强度之比可求得被测样品的复折射率，此步骤即将第一标定板或第二标定板置于透射测量系统被测样品位置处进行透射太赫兹光谱测量，通过与不放置二者时自由空间太赫兹光谱的对比获得透射系数，进而通过菲涅尔公式计算出二者的复折射率。即，根据第一标定板作为被测样品以及无被测样品(既无第一标定板也无第二标定板)时的太赫兹波透射电场强度之比求得第一标定板的透射系数，进而根据第一标定板的透射系数求得第一标定板的复折射率。对第二标定板也同样，根据第二标定板作为被测样品以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度之比求得第二标定板的透射系数，进而根据第二标定板的透射系数求得第二标定板的复折射率。
S3、太赫兹波反射测量获取第一标定板和第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度。该同一入射角度即为待准确求解的角度，入射角度可根据需要进行调整，但两次分别测量第一标定板和第二标定板应在同一入射角度下。
S4、根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，计算太赫兹波反射测量的入射角。
本发明提供的太赫兹波反射测量系统入射角确定方法利用高阻硅片或聚四氟乙烯片对太赫兹波同时具备透射、反射性能的特性，在当前无法准确计量太赫兹波功率的情况下，通过两次分别透射测量不同折射率被测样品(第一标定板和第二标定板)的方式，得到第一标定板和第二标定板的折射率；将第一标定板和第二标定板放入反射测量系统中进行某同一入射角度下的反射测量，获取二者在该同一入射角度下反射得到的太赫兹波电场强度，结合菲涅尔公式，通过反射系数与太赫兹波反射电场强度的比例关系计算反射测量准确的入射角角度，解决了现有技术中依赖角度仪读取入射角度无法精确确定太赫兹波反射测量入射角的难题，可应用于现有的太赫兹波反射测量系统，例如当测量材料反射系数/反射率时，需要精确确定入射角，即可采用本发明所述的方法进行求解，能够有效校正太赫兹波反射测量系统中的入射角度，提高测量精度。
优选地，步骤S2中计算第一标定板的复折射率时，将有无第一标定板作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度相比，得到第一标定板的透射系数表达式为：
其中，t1表示第一标定板的透射系数，
表示有第一标定板时测得的透射电场强度，
表示无第一标定板时测得的透射电场强度，ω表示频率，ρ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的幅值，ρ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度幅值，φ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的相位，φ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度的相位，n0表示无第一标定板时太赫兹波传播所经过的空间的折射率，即太赫兹波反射测量系统所在空间气体的折射率，
表示第一标定板的复折射率；L表示第一标定板的厚度，c表示光速。利用上述第一标定板的透射系数表达式，即可计算求得第一标定板材料的复折射率。
优选地，在弱吸收的情况下，第一标定板的复折射率有近似解析解形式：
其中，n1(ω)表示第一标定板的复折射率近似值，为简化计算，后续计算时可采用n1(ω)的值作为第一标定板的复折射率。
步骤S2中计算第二标定板的复折射率的过程与上述计算第一标定板的复折射率过程相同，在此不再重复说明。
优选地，步骤S4中根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式包括：
根据菲涅尔公式，得出第一标定板的反射系数的表达式为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数。θ0表示入射角角度，θ1表示第一标定板材料折射角角度。
同理，可得出第二标定板反射系数的表达式为:
其中，
和
分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第二标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数。θ2表示第二标定板折射角角度。
表示第二标定板的复折射率。
由于第一标定板及第二标定板在同一入射角下的反射电场强度比易知，优选地，步骤S4中结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，可得第一标定板和第二标定板在同一入射角度下的反射率之比为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；
和
分别表示理论上全反射后的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第一标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第二标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度。
优选地，步骤S4中计算太赫兹波反射测量的入射角时，根据斯涅耳公式，得：
根据斯涅耳公式可将折射角替换为入射角的函数，带入上述关系式，可见上述比例方程的右侧仅有未知量：入射角θ0，而方程的左侧是测量可知的第一标定板和第二标定板反射太赫兹波电场强度之比，无论是p或s偏振形式，均可以通过解上述比例方程得到入射角θ0或其余弦值。例如，对于p偏振的情况而言，令
则有：
由上式可知，根据第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度的比值可以准确求得太赫兹波反射测量时的入射角度θ0，避免了采用常规角度测量装置造成测量不准引入误差。
优选地，该太赫兹波反射测量系统入射角确定方法还包括：
S5、测量该太赫兹波反射测量系统另一入射角时，改变太赫兹波入射角，重复所述步骤S3，获得第一标定板和第二标定板在该入射角下分别反射的太赫兹波反射电场强度，结合所述步骤S4求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，计算得出该改变后的入射角。
即，采用该方法在求得太赫兹波反射测量系统某一个入射角后，改变角度求解另一个入射角时，若仍采用相同的第一标定板和第二标定板，则可直接利用例如上述
关系式，无需重复太赫兹波透射测量及计算第一标定板和第二标定板反射系数表达式。调整太赫兹波反射测量系统的入射角度后，测量第一标定板和第二标定板在该入射角下分别反射的太赫兹波反射电场强度后带入公式，即可方便、快捷地实现太赫兹波以不同角度入射情况下的入射角度的精确测量，且相比于通过现有技术中依赖角度仪读数的方式，测量结果更为准确可靠。
实施例二
本发明实施例还提供了一种太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，包括：第一标定板、第二标定板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块，具体地：
第二标定板与第一标定板的透射率不同；透射测量模块用于通过太赫兹波透射测量获得第一标定板和第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度；反射测量模块用于通过太赫兹波反射测量获取第一标定板和第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度；计算模块用于根据有无被测样品的太赫兹波透射电场强度之比求被测样品的透射系数，分别得出第一标定板和第二标定板的复折射率，根据第一标定板和第二标定板的复折射率以及菲涅尔公式得到第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，并结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，确定太赫兹波反射测量系统的入射角。其中，计算模块可以采用计算机等计算设备进行计算，也可以通过人工进行计算。
本发明提供的太赫兹波反射测量系统入射角确定装置集合了太赫兹时域光谱透射式测量系统和太赫兹时域光谱反射式测量系统，利用既能透射又能反射太赫兹脉冲的第一标定板和第二标定板进行测量，通过第一标定板和第二标定板在同一入射角度下的反射系数之比及反射的太赫兹波反射电场强度之比，解算出太赫兹时域光谱反射式测量系统的具体入射角度，相比于由外部的角度仪读取入射角度，更加准确可靠，并可以校正反射测量系统中的入射角角度。
优选地，第一标定板和第二标定板可采用高阻硅片或聚四氟乙烯片。高阻硅片的电阻率较高，一般为1万欧姆及以上，既能透射又能反射太赫兹脉冲，并且易加工，厚度容易测量，有利于后续解算反射系数。
透射测量模块可采用现有的太赫兹时域光谱透射式测量系统，在一种优选的实施方式中，如图2所示，透射测量模块包括太赫兹波发射天线1、第一至第四抛物面镜、硅片7、电光晶体8、四分之一波片9、聚焦透镜10、渥拉斯顿棱镜11、差分光电探测器12和第一气室13。其中，太赫兹波发射天线1用于接收泵浦激光(泵浦激光可由飞秒激光器产生)，并激发产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲出射，依次经过第一至第四抛物面镜，具体地：
如图2所示，第一抛物面镜2用于接收太赫兹脉冲并使太赫兹脉冲准直，准直的太赫兹脉冲输入第二抛物面镜3，第二抛物面镜3用于接收准直的太赫兹脉冲，并将准直的太赫兹脉冲聚焦，形成放置被测样品4的聚焦测量点。第三抛物面镜5用于接收通过聚焦测量点后的太赫兹脉冲，并将太赫兹脉冲再次准直后输入第四抛物面镜6，第四抛物面镜6用于接收再次准直的太赫兹脉冲，并将太赫兹脉冲汇聚，穿透硅片7。利用第一至第四抛物面镜两次准直、聚焦，可形成易于测量的聚焦测量点。
硅片7用于反射外来的探测光束，并将探测光束与穿过硅片7的太赫兹脉冲汇聚于电光晶体8，形成太赫兹电场调制后的激光。此处的探测光束与泵浦激光脉冲到达电光晶体的时间同步。四分之一波片9用于对调制后的激光中的寻常光(o光)和非常光(e光)引入π/2的相位差，从而便于当线偏振光垂直入射该四分之一波片，并且光的偏振和波片的光轴面成θ＝45°时，出射光为圆偏振光。聚焦透镜10用于将引入相位差后的激光汇聚，输入渥拉斯顿棱镜11，渥拉斯顿棱镜11用于使汇聚的激光分束，并分别汇聚于差分光电探测器12。差分光电探测器12用于对被测样品4的太赫兹信号进行差分解调探测，获取透射过被测样品4的太赫兹信号。优选地，电光晶体8可采用ZnTe晶体。
优选地，透射测量模块中太赫兹传输路径部分置于充满干燥氮气的第一气室13内，从而可排除空气中水蒸气等对太赫兹脉冲的吸收。如图2中虚线部分所示，太赫兹波发射天线1、第一至第四抛物面镜、硅片7、电光晶体8形成太赫兹传输路径，置于充满氮气的第一气室13中，使用时，泵浦激光经过图2中的太赫兹波发射天线1后，激发出太赫兹脉冲，太赫兹脉冲分别经过第一抛物面镜2和第二抛物面镜3的准直、会聚于被测样品4处，透过被测样品4后，再经过第三抛物面镜5和第四抛物面镜6的准直、会聚后，穿透硅片7，与由硅片7反射的外来探测光束会聚于电光晶体8上，由太赫兹电场调制后的探测激光经过四分之一波片9后，由聚焦透镜10将探测激光经渥拉斯顿棱镜11后分束并分别会聚于差分光电探测器12上面，从而进行被测样品4太赫兹信号的解调探测。
将作为第一标定板(或第二标定板)的高阻硅片置于被测样品4位置处，高阻硅片与太赫兹波传输方向垂直，进行有高阻硅片时的透射太赫兹光谱测量；然后去掉高阻硅片，让太赫兹脉冲通过自由空间，获取其透射光谱，将二次获取的太赫兹光谱电场强度进行对比获得高阻硅片的透射系数，进而计算出高阻硅片的复折射率。
反射测量模块可采用现有的太赫兹时域光谱反射式测量系统，即对现有的太赫兹时域光谱反射式测量系统的入射角进行测量或校准。在一种优选的实施方式中，如图3所示，反射测量模块包括第二气室24、基板25、太赫兹波发射模块20、太赫兹波接收模块21和样品支架22。其中，第二气室24为中空密闭结构；基板25设于第二气室24内，基板25上设有弓形导轨26；样品支架22设于弓形导轨26的圆心处，用于放置被测样品(即第一标定板或第二标定板)；太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21均分别通过一个直轨设于弓形导轨26，两个直轨均一端固定于弓形导轨26的圆心处，另一端跨过弓形导轨26并能够沿弓形导轨26弧的切向移动，用于带动太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21围绕样品支架22做圆周运动，有助于调试和样品的准确定位。
优选地，还包括光纤激光器，光纤激光器通过光纤将泵浦激光传输至太赫兹波发射模块20中的发射天线，通过光纤将探测激光传输至太赫兹波接收模块21中的接收天线，因此测试角度易于调节，改变入射角和相应的反射角时，调节两个直轨一端在弓形导轨26的位置即可。
优选地，样品支架22靠近太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21的一侧设有开口，另一侧设有固定装置。使用时，第一标定板或第二标定板通过固定装置设于开口处，太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21均朝向样品支架22，太赫兹波发射模块20向开口处发射太赫兹波，太赫兹波在开口处反射，反射进入太赫兹波接收模块21。
优选地，太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21分别设于两个直轨，并可沿直轨移动，即直轨使得太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21可以沿弓形导轨26的径向移动，以便将焦点会聚于样品表面。
优选地，弓形导轨26一侧设有多个间隔分布的固定孔23，用于固定两个直轨在弓形导轨26的位置。进一步优选地，弓形导轨26一侧还设有指示角度的刻度，可用于粗略估计入射角和相应的反射角角度，方便地调节太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21的位置。
优选地，第二气室24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，第二气室24为透明箱体，便于观察调整。基板25竖直设于第二气室24一侧壁内侧，太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21位于样品支架22下方，在样品支架22放置第一标定板或第二标定板时，可依靠样品的重力和样品支架22表面的支撑保证重复定位精度。
使用时，在密闭的第二气室24中充入干燥的氮气，连接光纤泵浦激光的太赫兹波发射模块20发射出太赫兹脉冲，然后分两次分别照射于样品支架22所架设的第一标定板、第二标定板的下表面上，由其反射后的太赫兹脉冲进入太赫兹波接收模块21进行光谱的收集。根据指示角度的刻度可粗略调整太赫兹波入射角及相应的反射角，调整后利用固定孔23与直轨一端的固定螺栓相互配合，固定太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21位置。该反射测量模块能够确保一次测量第一标定板和第二标定板过程中，各个部件不发生相对变化，无需调整太赫兹波发射模块20和太赫兹波接收模块21位置，且调节角度方便，可测量不同的入射角度。
本发明提供的太赫兹波反射测量系统入射角确定装置可用于求解太赫兹波反射测量系统(反射测量模块)的准确入射角度，或对太赫兹波反射测量系统所用的角度仪(弓形导轨一侧指示角度的刻度)进行校准。
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 (5)
1.一种太赫兹波反射测量系统入射角确定方法，其特征在于，包括：
S1、太赫兹波透射测量获取第一标定板和第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度，以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度，其中第二标定板与第一标定板的透射率不同；
S2、根据获取的有无被测样品时的太赫兹波透射电场强度之比，分别得到第一标定板和第二标定板的透射系数，进而得到第一标定板和第二标定板的复折射率；
S3、太赫兹波反射测量获取第一标定板和第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度；
S4、根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，计算太赫兹波反射测量的入射角；
其中，所述步骤S2中计算第一标定板的复折射率时，将有无第一标定板作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度相比，得到第一标定板的透射系数表达式为：
其中，t1表示所述第一标定板的透射系数，
表示有所述第一标定板时测得的透射电场强度，
表示无所述第一标定板时测得的透射电场强度，ω表示频率，ρ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的幅值，ρ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度幅值，φ1(ω)表示有第一标定板时透射电场强度的相位，φ0(ω)表示无第一标定板时透射电场强度的相位，n0表示无第一标定板时太赫兹波传播所经过的空间的折射率，
表示第一标定板的复折射率；L表示所述第一标定板的厚度，c表示光速；利用
第一标定板的透射系数表达式计算得到第一标定板的复折射率；
所述步骤S4根据第一标定板和第二标定板的复折射率及菲涅尔公式分别求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式包括：
根据菲涅尔公式，得出第一标定板的反射系数的表达式为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；θ0表示入射角角度，θ1表示第一标定板材料折射角角度；
得出第二标定板的反射系数的表达式为:
其中，
和
分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第二标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；θ2表示第二标定板折射角角度，
表示第二标定板的复折射率；
所述步骤S4中结合第一标定板和第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比，得第一标定板和第二标定板在同一入射角度下的反射率之比为：
其中，r1 p和r1 s分别表示太赫兹脉冲以θ0角度入射第一标定板时的p和s两种偏振状态下的反射系数；
和
分别表示理论上全反射后的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第一标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
和
分别表示测得的经第二标定板反射的p和s两种偏振状态下的反射电场强度；
所述步骤S4中计算太赫兹波反射测量的入射角时，根据斯涅耳公式，得：
2.根据权利要求1所述的太赫兹波反射测量系统入射角确定方法，其特征在于，还包括：
S5、测量该太赫兹波反射测量系统另一入射角时，改变太赫兹波入射角，重复所述步骤S3，获得第一标定板和第二标定板在该入射角下分别反射的太赫兹波反射电场强度，结合所述步骤S4求得第一标定板和第二标定板的反射系数的表达式，计算该入射角。
3.一种太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，其特征在于，包括：第一标定板、第二标定板、透射测量模块、反射测量模块和计算模块；
其中，所述第二标定板与所述第一标定板的透射率不同；所述透射测量模块用于通过太赫兹波透射测量获得所述第一标定板和所述第二标定板分别作为被测样品时的太赫兹波透射电场强度以及无被测样品时的太赫兹波透射电场强度；所述反射测量模块用于通过太赫兹波反射测量获取所述第一标定板和所述第二标定板在同一入射角度下分别反射的太赫兹波反射电场强度；所述计算模块用于根据有无被测样品的太赫兹波透射电场强度之比分别得出所述第一标定板和所述第二标定板的复折射率，并结合所述第一标定板和所述第二标定板反射的太赫兹波反射电场强度之比以及菲涅尔公式，确定太赫兹波反射测量系统入射角。
4.根据权利要求3所述的太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，其特征在于：所述反射测量模块包括第二气室、基板、太赫兹波发射模块、太赫兹波接收模块和样品支架；
所述基板设于所述第二气室内，所述基板上设有弓形导轨；所述样品支架设于所述弓形导轨的圆心处，用于放置被测样品；所述太赫兹波发射模块和所述太赫兹波接收模块分别通过一个直轨设于所述弓形导轨，两个所述直轨均一端固定于所述弓形导轨的圆心处，一端跨过所述弓形导轨并能够沿所述弓形导轨弧的切向移动，用于带动所述太赫兹波发射模块和所述太赫兹波接收模块围绕所述样品支架做圆周运动。
5.根据权利要求3所述的太赫兹波反射测量系统入射角确定装置，其特征在于：所述透射测量模块包括太赫兹波发射天线、第一至第四抛物面镜、硅片、电光晶体、四分之一波片、聚焦透镜、渥拉斯顿棱镜、差分光电探测器和第一气室；
所述太赫兹波发射天线用于接收泵浦激光并激发产生太赫兹脉冲；所述第一抛物面镜用于接收太赫兹脉冲并准直，第二抛物面镜用于将准直的太赫兹脉冲聚焦形成放置被测样品的聚焦测量点；第三抛物面镜用于将通过聚焦测量点后的太赫兹脉冲再次准直，第四抛物面镜用于将再次准直的太赫兹脉冲汇聚；所述硅片用于反射外来的探测光束，并将探测光束与穿过所述硅片的太赫兹脉冲汇聚于电光晶体，形成太赫兹电场调制后的激光；所述四分之一波片用于对调制后的激光中的寻常光和非常光引入π/2的相位差，所述聚焦透镜用于将引入相位差的激光汇聚，所述渥拉斯顿棱镜用于使汇聚的激光分束并分别汇聚于所述差分光电探测器，所述差分光电探测器用于对被测样品的太赫兹信号进行差分解调探测；所述太赫兹波发射天线、所述第一至第四抛物面镜、所述硅片和所述电光晶体形成太赫兹传输路径，置于充满氮气的所述第一气室内。
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