一種基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復(fù)折射率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及光子學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于太赫茲反射光譜提 取固體薄片復(fù)折射率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波通常指的是頻率在0· ITHz~10THz(lTHz = 1012Hz)，波長在3mm~ 30 μ m范圍內(nèi)的電磁輻射。太赫茲波在電磁波譜上位于毫米波和紅外線之間，屬于遠(yuǎn)紅外波 段，太赫茲頻段在電磁波譜中的位置如圖1所示，是光子學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)、宏觀與微觀 的過渡區(qū)域。太赫茲輻射具有非常重要的科學(xué)價(jià)值，目前已成為世界性的研究熱點(diǎn)，是21 世紀(jì)科學(xué)研究最前沿的領(lǐng)域之一。太赫茲頻段所具有的獨(dú)特性質(zhì)決定了它具有廣闊的應(yīng)用 前景。
[0003] 利用一些光譜技術(shù)可以對藥物進(jìn)行檢測，目前已采用拉曼散射光譜、紅外光譜對 藥物進(jìn)行了一些研究。相比于這些技術(shù)，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如，它對 化合物晶型有很高的靈敏度，能夠反映整個(gè)分子的低頻振動(dòng)和分子間的弱相互作用，能量 低不會(huì)造成藥物發(fā)生化學(xué)變化等。因此，利用太赫茲光譜在化學(xué)藥品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和流通環(huán) 節(jié)進(jìn)行質(zhì)量的檢查等，成為太赫茲輻射最具前景的應(yīng)用之一。
[0004] 化學(xué)藥品通常以固體薄片、顆粒和液態(tài)形式存在。通過對化學(xué)藥品薄片的太赫茲 時(shí)域信號進(jìn)行快速傅立葉變換，可以同時(shí)獲得它的太赫茲信號的振幅和相位信息，從而提 取到物質(zhì)在太赫茲頻段的復(fù)折射率，即獲得藥品的"指紋譜"，從而達(dá)到分析和鑒別藥品的 目的。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用全反射鏡參考方法提取固體薄片的復(fù)折射率。圖2(a)所示 為太赫茲脈沖垂直入射到固體薄片樣品上時(shí)光線的傳播情況，圖中表示被測固體薄片放置 在干燥空氣中。若忽略空氣對太赫茲輻射的吸收，則空氣的折射率為實(shí)數(shù)，且近似為1 ;設(shè) 薄片的復(fù)折射率為反+7?其中ns為樣品的折射率，k s為消光系數(shù)。
[0006] 現(xiàn)有的全反射鏡參考方法的處理流程如圖3所示，包括如下步驟：
[0007] 步驟301 :基于反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，測量全反射鏡的時(shí)域信號并將其作 為參考信號瓦(〇，對其做傅里葉變換得到參考信號的頻譜我(M ;
[0008] 步驟302:將全反射鏡取下?lián)Q成樣品，并使得二者的前表面位置完全重合，測量 樣品的時(shí)域信號式(〇，同樣再對其做傅里葉變換，得到樣品的頻譜式α
[0009] 步驟303 :根據(jù)公式（6)計(jì)算得到樣品的折射率1^和消光系數(shù)ks，從而獲得復(fù)折射 率元(〇)。
[0010] 假設(shè)全反射鏡無損耗反射，則全反射鏡的反射信號等于入射信號見⑴。以圖2 (a) 中戽⑴作為樣品信號，將氧(0作為參考信號。則參考信號和樣品信號的頻譜可以分別表示 為
[0013] 其中，ξ,可由菲涅爾（Fresnel)公式得到，通常采用P分量探測，則
[0015] 用樣品信號頻譜式(?)除以參考信號頻譜我.(《)可得到傳遞函數(shù)珂《)的表達(dá)式
[0017] 聯(lián)立公式⑶和（4)，得到樣品復(fù)折射率和傳遞函數(shù)的關(guān)系
[0019] 旬?)是復(fù)數(shù)，令
則由公式（5)可以推導(dǎo)出樣品的折射率和消光 系數(shù)的表達(dá)式
[0021] 吸收系數(shù)a s= 2c〇ks/c，其中c是真空中的光速。傳遞函數(shù)匈的振幅P (ω) 和相位Φ(ω)都是可測量的量，因此，由公式（6)便可以獲得折射率ns和消光系數(shù)ks，從 而獲得復(fù)折射率W ?) = *V+爲(wèi)》
[0022] 這種全反射鏡參考方法存在如下問題：首先，傳遞函數(shù)翁(β?):的相位Φ ( ω )不可避 免地會(huì)存在一個(gè)機(jī)械相移誤差。如圖2(b)所示，樣品表面和全反射鏡的表面很難實(shí)現(xiàn)完全 復(fù)位，二者的位置會(huì)存在A L的光程差。因此，參考信號與樣品信號會(huì)存在一個(gè)固有的相移
使得提取的固體薄片的復(fù)折射率不夠精確；其次，該方法要求測量系統(tǒng)的機(jī)構(gòu) 精密度足夠高，因此，增加了系統(tǒng)硬件制作的難度；最后，由于需要分別測量參考與樣品的 時(shí)域信號，因此，測量效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 本申請?zhí)峁┝艘环N基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復(fù)折射率的方法，可以提高 測量得到的復(fù)折射率的精確度，并提高測量效率。
[0024] 本申請實(shí)施例提供的一種基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復(fù)折射率的方法，包 括：
[0025] Α、制備同一種材料的薄厚不同的兩個(gè)固體薄片樣品，其中薄樣品為被測樣品，厚 樣品作為時(shí)域信號基線校正時(shí)的輔助樣品，測量二者的太赫茲時(shí)域反射信號；
[0026] Β、用被測樣品和輔助樣品的太赫茲時(shí)域反射信號之差作為基線，將被測樣品的第 一、二個(gè)峰分別作為基線校正后的參考信號和樣品信號；
[0027] C、對基線校正后的樣品信號和參考信號分別進(jìn)行復(fù)合數(shù)字濾波，以去除系統(tǒng)回波 和隨機(jī)噪聲；
[0028] D、根據(jù)濾波后的樣品信號和參考信號，用自參考方法提取被測樣品的復(fù)折射率， 其中包括：采用遺傳算法對公式
[0030] 進(jìn)行優(yōu)化求解，以傳遞函數(shù)
為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行至少N次種群迭代， 最終得到優(yōu)化后的復(fù)折射率的精確解；其中，
為傳遞函數(shù)的 相位；
為傳遞函數(shù)的振幅；菲涅爾系數(shù)ras、t as、rsa、tsa可 由菲涅耳公式得到：
1表示復(fù)折射率，c 是真空中的光速，d表示被測樣品厚度，下標(biāo)as表示由空氣到樣品的界面，下標(biāo)sa表示由 樣品到空氣的界面。
[0032] 較佳地，步驟B包括：
[0033] B1、將被測樣品和輔助樣品的太赫茲時(shí)域反射信號的第一個(gè)峰在時(shí)間軸上對齊；
[0034] B2、用被測樣品的太赫茲時(shí)域反射信號減去輔助樣品的太赫茲時(shí)域反射信號，得 到樣品信號；
[0035] B3、將被測樣品的太赫茲時(shí)域反射信號中的第二個(gè)峰置為前后數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值， 將輔助樣品的太赫茲的時(shí)域反射信號中的第一個(gè)峰置為前后數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值，再用被測樣 品的太赫茲時(shí)域反射信號減去輔助樣品的太赫茲的時(shí)域反射信號，得到參考信號。
[0036] 較佳地，所述復(fù)合數(shù)字濾波包括解卷積和小波變換。
[0037] 較佳地，所述解卷積包括：
[0038] 通過實(shí)驗(yàn)得到第一個(gè)回波的振幅A1和第一個(gè)回波與主峰的時(shí)間延遲（t ft。）；
[0039] 依據(jù)公式
濾波，獲得主峰的頻譜；其中，Α(ω)和Aq(CO)分別為原 始時(shí)域信號和主峰的頻譜。
[0040] 較佳地，所述小波變換包括：將基線校正后的樣品信號和參考信號多尺度分解，使 噪聲按頻率區(qū)域化分；采用Matlab中的wdencmp函數(shù)，對高頻系數(shù)進(jìn)行閾值量化去噪處理， 最后根據(jù)小波分解的各層系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的高頻系數(shù)，進(jìn)行一維信號的重構(gòu)，得到 去除噪聲后的樣品信號和參考信號。
[0041] 較佳地，所述N大于或等于100。
[0042] 較佳地，由公式
計(jì)算得到的η。（ ω )、k。（ ω )作為遺傳算法的 初代種群。
[0043] 較佳地，所述被測樣品和輔助樣品的厚度差的絕對值等于或大于0. 8_。
[0044] 從以上技術(shù)方案可以看出，與目前的全反射鏡參考方法相比，本發(fā)明的方法具有 以下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] (1)僅需一次性制備同種材料的厚樣品，以后再測相同材料時(shí)可重復(fù)使用作為基 線校正的輔助樣品，從而提高了測量效率；
[0046] (2)采用數(shù)字濾波技術(shù)，可以通過編程靈活地調(diào)節(jié)參數(shù)，不受硬件的限制，并且可 以采用最先進(jìn)的數(shù)字濾波算法；
[0047] (3)無需用全反射鏡作為參考，避免了樣品表面與參考物不共面所帶來的機(jī)械相 移誤差，提高了復(fù)折射率的測量精度；
[0048] (4)將被測固體薄片的前表面反射的光作為參考信號，將后表面反射的光作為樣 品信號，光