CN114295582A - 一种极性液体反射式实验系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极性液体反射式实验系统及其测量方法，该系统包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和后处理系统，样品测试平台上设置高阻硅基底，底部设置一组离轴抛物镜，以聚焦电磁脉冲到样品测试平台并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器。该系统的测量方法包括：以检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号；将待测液体装载在高阻硅基底上并以检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号；将样品信号和参考信号传输到后处理系统，基于高斯混合模型对信号进行重构并计算液体样品的折射率。该系统及其测量方法有利于迅速、准确地从太赫兹脉冲信号中提取液体样品的折射率。

Description

一种极性液体反射式实验系统及其测量方法

技术领域

本发明属于太赫兹液折射率测量技术领域，具体涉及一种极性液体反射式实验系统及其测量方法。

背景技术

太赫兹时域光谱技术是一门自二十世纪末发展起来的新的光谱技术，广泛应用于基础研究和工业领域，全球许多科研工作者致力于研究其在无损检测、化学分析、安全筛查、医学成像等方面的潜在应用。相比红外光，太赫兹波的透射性很强，对大部分干燥、非金属、非极性材料都具有较好的穿透能力。

但是对于在太赫兹波段不透明的材料，例如极性液体等对太赫兹波具有强烈吸收、难以被穿透的样品，如果仍然使用透射式时域光谱进行测量，则需要把样品制备得很薄，或者注入被制备得很薄的器皿中，在操作上存在一定的难度。相比之下，使用反射式时域光谱测量这类样品可以避免这方面的局限，是一种更为适合的测量方法。但在反射式太赫兹系统中，一方面，太赫兹波需要经过更多的光学器件，信号传播的光程更长，信号强度受到损失；另一方面，由于反射式系统中有一部分结构被暴露在密闭的样品室外，无法完全充满氮气，易受到环境中水蒸气的影响；所以若没有恰当的信号处理，太赫兹信号的频谱将不可避免地产生变形或者显示出伪波动，甚至可能被误认为是吸收峰，从而导致不准确的样品分析，引起电磁参数的振荡。因此，有必要研制出一种能够准确测量出液体折射率的实验装置及系统，以进一步发展和应用太赫兹时域光谱技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极性液体反射式实验系统及其测量方法，该系统及其测量方法有利于迅速、准确地从探测到的太赫兹时域脉冲信号中提取待测液体样品的折射率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种极性液体反射式实验系统，包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和计算机后处理系统，所述样品测试平台上设置有高阻硅基底，所述样品测试平台底部设置有一组离轴抛物镜，用于将太赫兹发射器发出的电磁脉冲聚焦到样品测试平台，并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器，所述太赫兹探测器输出信号至计算机后处理系统进行后处理。

进一步地，所述飞秒激光光源发出激光经反射镜后进入分光镜，分光后一路经太赫兹发射器后辐射出太赫兹波，聚焦到样品测试平台上的样品，并携带样品信息到达太赫兹探测器，另一路经时间延迟单元后到达太赫兹探测器，对太赫兹波进行电光采样。

进一步地，所述高阻硅基底由高折射率的高电阻率硅材料加工而成。

进一步地，本发明还提供了基于高斯混合模型的极性液体反射式实验系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将高阻硅基底安装固定在样品测试平台上，形成太赫兹反射式时域光谱检测光路，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号；

步骤S2：将待测液体装载在高阻硅基底上，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号；

步骤S3：将步骤S2获得的样品信号和步骤S1中获得的参考信号传输到后处理系统中，基于高斯混合模型对信号进行重构，并计算液体样品的折射率。

进一步地，所述步骤S3中，重构参考信号与样品信号并计算待测液体样品的复折射率，具体包括以下步骤：

步骤S31：分别初始化参考信号与样品信号的高斯混合模型参数；

步骤S32：采用梯度下降算法对高斯混合模型参数进行迭代优化，并使用优化后的高斯混合模型参数分别建立参考信号与样品信号的重构信号；

步骤S33：将重构后的参考信号与样品信号经快速傅里叶变换(FFT)后转变为频谱信号，通过样品频谱信号与参考频谱信号得到系统复传递函数；

步骤S34：结合待测液体样品的折射率计算公式进行求解，得到样品的复折射率。

进一步地，所述步骤S32中，重构信号的计算公式为：

其中，a为单个高斯分量的振幅，表示每个分量在重构信号R(θ,T)中的权重，b为均值，表示时间延迟；c为方差，表征脉冲持续时间的带宽因子。

进一步地，所述步骤S33中，系统复传递函数的计算公式为：

其中，E_ref为参考信号，E_sam为样品信号。

进一步地，所述步骤S34中，待测液体复折射率的计算公式为：

n＝n_si(1-H(w)r₂₁)/(1+H(w)r₂₁)

其中，n_si为硅基底的折射率，r₂₁为空气-基底界面的反射系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)基底采用高阻硅制成，在太赫兹波段具有恒定的折射率，吸收很小可以忽略不计；以反射光路结构对样品进行检测，太赫兹波仅接触到基底与待测样品的交界面，损耗较小，解决了传统透射式太赫兹光谱易受极性液体高吸收率影响的局限。

(2)使用高斯混合模型对太赫兹时域信号进行重构，剔除了原始时域信号中的不相关信息，从失真的观测信号中恢复原始信号，避免了反射式系统易受干扰导致的电磁参数发生伪波动的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构示意图；

图2是本发明实施例中太赫兹波在测试装置中的传播示意图；

图3是本发明实施例中性能测试色散曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于高斯混合模型的极性液体反射式实验系统，包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和计算机后处理系统，所述样品测试平台上设置有高阻硅基底，所述样品测试平台底部设置有一组离轴抛物镜，用于将太赫兹发射器发出的电磁脉冲聚焦到样品测试平台，并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器，所述太赫兹探测器输出信号至计算机后处理系统进行后处理。

具体地，所述飞秒激光光源发出激光经反射镜后进入分光镜，分光后一路经太赫兹发射器后辐射出太赫兹波，聚焦到样品测试平台上的样品，并携带样品信息到达太赫兹探测器，另一路经时间延迟单元后到达太赫兹探测器，对太赫兹波进行电光采样。

在本实施例中，所述高阻硅基底由高折射率(n_s＝3.51)的高电阻率硅材料加工而成。

图2为太赫兹电磁脉冲在样品测试装置中的传播模型示意图。A代表参考信号的测试模型，B代表样品信号的测试模型。其中，Air为空气介质，Si表示基底，Sample表示待测液体。

本发明基于高斯混合模型的极性液体反射式实验系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将高阻硅基底安装固定在样品夹具上，形成太赫兹反射式时域光谱检测光路，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号。

步骤S2：将待测液体装载在高阻硅基底上，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号。

步骤S3：将步骤S2获得的样品信号和步骤S1中获得的参考信号传输到后处理系统中，基于高斯混合模型对信号进行重构，并计算液体样品的折射率。

所述步骤S3中，重构参考信号与样品信号并计算待测液体样品的复折射率，具体包括以下步骤：

步骤S31：分别初始化参考信号与样品信号的高斯混合模型参数。

步骤S32：采用梯度下降算法对高斯混合模型参数进行迭代优化，并使用优化后的高斯混合模型参数分别建立参考信号与样品信号的重构信号。

其中，重构信号的计算公式为：

其中，a为单个高斯分量的振幅，表示每个分量在重构信号R(θ,T)中的权重，b为均值，表示时间延迟；c为方差，表征脉冲持续时间的带宽因子。

步骤S33：将重构后的参考信号与样品信号经快速傅里叶变换(FFT)后转变为频谱信号，通过样品频谱信号与参考频谱信号得到系统复传递函数。

其中，系统复传递函数的计算公式为：

其中，E_ref为参考信号，E_sam为样品信号。

步骤S34：结合待测液体样品的折射率计算公式进行求解，得到样品的复折射率。

其中，待测液体复折射率的计算公式为：

n＝n_si(1-H(w)r₂₁)/(1+H(w)r₂₁)

其中，n_si为硅基底的折射率，r₂₁为空气-基底界面的反射系数。

基于高斯混合模型的极性液体反射式实验装置及系统性能评价：

基于高斯混合模型的极性液体反射式实验装置及系统性能评价是基于对该实验装置测得的液体石蜡的复折射率的振荡情况进行评估，引入去趋势波动分析(DetrendedFluctuation Analysis,DFA)的α标度指数来分析随频率变化的样品复折射率的振荡情况。

定义一组复折射率序列，设为{x_i,i＝1，...，N}，对该序列进行积分运算：

将y(k)划分成长度为n，互相不重叠的N/n个等长子区间。利用最小二乘拟合每一个子区间，得到局部趋势，并通过减去子区间中的局部趋势来去除积分序列中的趋势，去趋势积分序列的均方根波动由下式计算：

F(n)和n在双对数坐标系中具有线性关系，在这种情况下，波动程度可以用标度指数α来衡量。α的值越大，说明序列的波动性越小；α的值越小，说明序列的波动性越大。

本发明实施例的性能测试结果如下图3所示。从实验色散曲线可以看出来，通过本实验装置及系统测得的折射率更为平滑，α标度指数上升了29％。因此，本发明的基于高斯混合模型的极性液体反射式实验装置及系统具有很好的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种极性液体反射式实验系统，其特征在于，包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和计算机后处理系统，所述样品测试平台上设置有高阻硅基底，所述样品测试平台底部设置有一组离轴抛物镜，用于将太赫兹发射器发出的电磁脉冲聚焦到样品测试平台，并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器，所述太赫兹探测器输出信号至计算机后处理系统进行后处理。

2.根据权利要求1所述的一种极性液体反射式实验系统，其特征在于，所述飞秒激光光源发出激光经反射镜后进入分光镜，分光后一路经太赫兹发射器后辐射出太赫兹波，聚焦到样品测试平台上的样品，并携带样品信息到达太赫兹探测器，另一路经时间延迟单元后到达太赫兹探测器，对太赫兹波进行电光采样。

3.根据权利要求1所述的一种极性液体反射式实验系统，其特征在于，所述高阻硅基底由高折射率的高电阻率硅材料加工而成。

4.根据权利要求1所述的一种极性液体反射式实验系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将高阻硅基底安装固定在样品测试平台上，形成太赫兹反射式时域光谱检测光路，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号；

步骤S2：将待测液体装载在高阻硅基底上，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号；

步骤S3：将步骤S2获得的样品信号和步骤S1中获得的参考信号传输到后处理系统中，基于高斯混合模型对信号进行重构，并计算液体样品的折射率。

5.根据权利要求4所述的一种极性液体反射式实验系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，重构参考信号与样品信号并计算待测液体样品的复折射率，具体包括以下步骤：

步骤S31：分别初始化参考信号与样品信号的高斯混合模型参数；

步骤S32：采用梯度下降算法对高斯混合模型参数进行迭代优化，并使用优化后的高斯混合模型参数分别建立参考信号与样品信号的重构信号；

步骤S33：将重构后的参考信号与样品信号经快速傅里叶变换后转变为频谱信号，通过样品频谱信号与参考频谱信号得到系统复传递函数；

步骤S34：结合待测液体样品的折射率计算公式进行求解，得到样品的复折射率。

6.根据权利要求5所述的一种极性液体反射式实验系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S32中，重构信号的计算公式为：

其中，a为单个高斯分量的振幅，表示每个分量在重构信号R(θ,T)中的权重，b为均值，表示时间延迟；c为方差，表征脉冲持续时间的带宽因子。

7.根据权利要求5所述的一种极性液体反射式实验系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S33中，系统复传递函数的计算公式为：

其中，E_ref为参考信号，E_sam为样品信号。

8.根据权利要求7所述的一种极性液体反射式实验系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S34中，待测液体复折射率的计算公式为：

n＝n_si(1-H(w)r₂₁)/(1+H(w)r₂₁)

其中，n_si为硅基底的折射率，r₂₁为空气-基底界面的反射系数。

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