一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置与流程

本发明涉及材料检测技术，特别涉及一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置。

背景技术：

太赫兹频段目标散射特性基础研究项目意在建立典型目标太赫兹电磁特性模型，研究目标在太赫兹频段的电磁特性计算、测量、分析和特征提取等的方法，掌握太赫兹频段目标的散射特性，形成典型目标太赫兹频段电磁散射特性数据库，为太赫兹主动探测与成像的军事应用提供技术支撑。

在太赫兹目标特性研究中，需要了解各种材料的电磁参数，从而可以利用这些参数进行目标的散射建模。而在现有技术中，材料的电磁参数大多通过实验的方法来获得，通常是通过两套太赫兹反射、透射光路系统来分别获得材料的反射系数、透射系数，然后再经过反演获得材料在该太赫兹频段的电磁参数。由于是使用两套不同的实验测试系统，因此即使所放置的是同一材料样品，电磁波入射在该材料样品上的位置等参数都会具有较大的测试误差，并且测试效率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置，从而可以在同一太赫兹脉冲下同步完成同一待测材料样品的反射系数和透射系数的同步测量与数据采集，实现待测材料的反射系数、透射系数和电磁参数的同步获取。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法，该方法包括：

设置一个用于测量透射系数的透射探测光路和一个用于测量反射系数的反射探测光路；

在材料板支架上放置参考样板，使得太赫兹脉冲波以45度角斜入射到参考样板，并使得被参考样板反射的太赫兹脉冲波输出至反射探测光路中的第二探测器；

撤去参考样板，使得太赫兹脉冲波直接输出至透射探测光路中的第一探测器；

第一探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为第一参考信号，第二探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为第二参考信号；

在材料板支架上放置待测材料板，使得太赫兹脉冲波以45度角斜入射到待测材料板，并使得被待测材料板透射的太赫兹脉冲波输出至透射探测光路中的第一探测器，同时使得被待测材料板反射的太赫兹脉冲波输出至反射探测光路中的第二探测器；

第一探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为透射信号，第二探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为反射信号；

根据所述透射信号、反射信号、第一参考信号和第二参考信号，计算得到待测材料板的透射系数、反射系数和所需的电磁参数。

较佳的，透射系数和反射系数通过如下的公式计算得到：

其中，τ和t分别表示反射系数和透射系数，I_r(ω)和I_s(ω)分别为待测材料板的反射信号和待测材料板的透射信号经傅立叶变换以后得到的信号强度，I_r0(ω)和I_i(ω)分别为第二参考信号和第一参考信号经傅立叶变换以后得到的信号强度。

较佳的，根据如下的方法得到电磁参数：

当45°入射的太赫兹脉冲波被待测材料板透射时，介质中传播因子为：

其中，p(ω,L)为介质中传播因子，ω为频率，L为介质的厚度，为复折射率，c为光速；

根据如下公式计算得到复透射系数为：

其中，H(ω)为复透射系数，E_total(ω)为通过待测材料板的太赫兹波的电场强度，E_ref(ω)为第一参考信号的电场强度，入射角为折射角，为空气的折射率，对于空气介质为待测材料板的复折射率，L为太赫兹波在待测材料板中传输的距离，b为参考信号与直接透射的太赫兹电磁波在待测材料板内产生的附加光程差，FP(ω)为由于法布里波罗标准具效应引起的干涉项，

忽略样品中多次震荡，可令：FP(ω)＝1，则：

其中，n₂为复折射率实部，k₂为复折射率虚部消光系数；

将复透射函数写成辅角和模的形式：

联立方程(1)和(2)，代入ρ(ω)、Φ(ω)的测量值即可计算得到材料的折射率n₂(ω)和k₂(ω)；

根据复折射率的实部和虚部计算复介电常数：

ε_r＝n₂²(ω)-k₂²(ω)，ε_i＝2n₂(ω)k₂(ω)；

其中，ε_r为介电常数实部，ε_i为介电常数虚部，n₂(ω)和k₂(ω)分别为被测材料的折射率和消光系数。

本发明中还提供了一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置，该装置包括：光源、第一分束器、太赫兹波发生器、材料板支架、至少两个反射器、第一探测器和第二探测器；

所述光源，用于输出脉冲光；

所述第一分束器，用于将所述光源输出的脉冲光分为两束脉冲光，使得其中一束脉冲光作为泵浦光束经过延迟线输出至所述太赫兹波发生器，而使得另一束脉冲光作为探测光束通过反射镜和探测分束器之后，分别输出至第一探测器和第二探测器；

所述太赫兹波发生器，用于被所述泵浦光束激发而输出太赫兹脉冲波；

所述材料板支架，用于放置并固定待测材料板或参考样板；

所述至少两个反射器，用于反射所述太赫兹波发生器输出的太赫兹脉冲波，使得所述太赫兹脉冲波以45度角斜入射到材料板支架上的待测材料板或参考样板上；

所述第一探测器，用于接收分束器输出的探测光束，并当材料板支架上未放置任何物体时，接收被所述反射器反射的太赫兹脉冲波；当材料板支架上放置待测材料板时，接收被待测材料板透射的太赫兹脉冲波；

所述第二探测器，用于接收分束器输出的探测光束，并当材料板支架上放置参考样板或待测材料板时，接收被参考样板或待测材料板反射的太赫兹脉冲波。

较佳的，所述光源为飞秒脉冲激光光源。

较佳的，所述太赫兹波发生器为发射天线。

较佳的，所述装置还进一步包括：激光辅助定位装置；

所述激光辅助定位装置用于精确确定待测材料板或参考样板的位置。

较佳的，在第一探测器和第二探测器之前分别设置有一个电光晶体。

较佳的，所述电光晶体为ZnTe晶体。

较佳的，在各个光路中设置有衰减片，用于调节光路上的光强。

如上可见，在本发明中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置中，对现有技术中的太赫兹时域光谱测量系统(THz-TDS)进行了改进升级，设置了两路探测光路，其中一路完成反射系数的测量，另一路同时完成透射系数的测量，并通过光程的测量和光路的设计，从而可以实现在同一太赫兹脉冲下同步完成同一待测材料样品的反射系数和透射系数的同步测量与数据采集，实现了待测材料的透射系数和反射系数的同步测量，从而可以快速、准确地提取材料的电磁参数，实现待测材料的反射系数、透射系数和电磁参数的同步获取。

另外，更进一步的，由于本发明中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置，区别于现有技术中的太赫兹频段材料反射系数和透射系数测量方法，将被测材料样品板与入射太赫兹光束成45度角放置，而且在测量参考样板的太赫兹波反射能量时，参考样板也需要同样45角放置，因此设计了材料板支架，并设计了激光辅助定位装置予以精确确定待测材料板和参考样板的位置，解决了材料样板快速精准定位的难题，降低了由于待测材料板与参考样板由于放置角度偏差而引入的测量误差，为散射建模提供了可靠的材料性能数据。

附图说明

图1为本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置的结构示意图。

图3为太赫兹脉冲波45度角入射参考样板后被全反射后的示意图。

图4为太赫兹脉冲波45度角入射待测材料板的数学模型示意图。

图5为玻璃钢的太赫兹时域光谱示意图。

图6为本发明中电磁参数推导的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的技术方案中提供了一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置，从而可以。

图1为本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法主要包括如下所述的步骤：

步骤11，设置一个用于测量透射系数的透射探测光路和一个用于测量反射系数的反射探测光路。

在本步骤中，将同时设置两个探测光路：透射探测光路和反射探测光路，如图2所示。其中，透射探测光路中设置有一个探测器，可以称为第一探测器，反射探测光路中也设置有一个探测器，可以称为第二探测器。

步骤12，在材料板支架上放置参考样板，使得太赫兹脉冲波以45度角斜入射到参考样板，并使得被参考样板反射的太赫兹脉冲波输出至反射探测光路中的第二探测器。

在本步骤中，将在上述的两个探测光路中的材料板支架上设置参考样板，使得由太赫兹波发生器输出的太赫兹脉冲波以45度角斜入射到参考样板上，从而使得被参考样板反射的太赫兹脉冲波输出至反射探测光路中的第二探测器。

步骤13，撤去参考样板，使得太赫兹脉冲波直接输出至透射探测光路中的第一探测器。

在本步骤中，将撤去参考样板，此时，由太赫兹波发生器输出的太赫兹脉冲波将直接输出至透射探测光路中的第一探测器，

步骤14，第一探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为第一参考信号，第二探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为第二参考信号。

步骤15，在材料板支架上放置待测材料板，使得太赫兹脉冲波以45度角斜入射到待测材料板，并使得被待测材料板透射的太赫兹脉冲波输出至透射探测光路中的第一探测器，同时使得被待测材料板反射的太赫兹脉冲波输出至反射探测光路中的第二探测器。

在本步骤中，将在材料板支架上放置待测材料板，即将待测材料板放置在参考样板的同样位置，使得由太赫兹波发生器输出的太赫兹脉冲波以45度角斜入射到待测材料板上，从而使得一部分太赫兹脉冲波透射穿过待测材料板输出至透射探测光路中的第一探测器，而另一部分太赫兹脉冲波则被待测材料板反射至反射探测光路中的第二探测器。

步骤16，第一探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为透射信号，第二探测器将接收到的太赫兹脉冲波转换为反射信号。

步骤17，根据所述透射信号、反射信号、第一参考信号和第二参考信号，计算得到待测材料板的透射系数、反射系数和所需的电磁参数。

通过上述的步骤11～17，即可同时测量得到样品(即待测材料板)的透射系数、反射系数和所需的电磁参数。

本发明中还提供了一种太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置。图2为本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置的结构示意图。如图2所示，本发明实施例中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置主要包括：光源11、第一分束器12、太赫兹波发生器13、材料板支架14、至少两个反射器15、第一探测器16和第二探测器17；

所述光源，用于输出脉冲光；

所述第一分束器，用于将所述光源输出的脉冲光分为两束脉冲光，使得其中一束脉冲光作为泵浦光束经过延迟线18输出至所述太赫兹波发生器13，而使得另一束脉冲光作为探测光束通过反射镜23和探测分束器24之后，分别输出至第一探测器和第二探测器；

所述太赫兹波发生器，用于被所述泵浦光束激发而输出太赫兹脉冲波；

所述材料板支架，用于放置并固定待测材料板21或参考样板(图中未示出)；

所述至少两个反射器，用于反射所述太赫兹波发生器输出的太赫兹脉冲波，使得所述太赫兹脉冲波以45度角斜入射到材料板支架上的待测材料板或参考样板上；

所述第一探测器，用于接收分束器输出的探测光束，并当材料板支架上未放置任何物体时，接收被所述反射器反射的太赫兹脉冲波；当材料板支架上放置待测材料板时，接收被待测材料板透射的太赫兹脉冲波；

所述第二探测器，用于接收分束器输出的探测光束，并当材料板支架上放置参考样板或待测材料板时，接收被参考样板或待测材料板反射的太赫兹脉冲波。

通过使用上述的装置，可同时测量得到样品(即待测材料板)的透射系数、反射系数和所需的电磁参数。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述光源可以是飞秒(femtosecond)脉冲激光光源。该飞秒脉冲激光光源可以以一定的重复周期输出脉冲光。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述太赫兹波发生器可以是发射天线。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的装置还可以进一步包括：激光辅助定位装置；所述激光辅助定位装置用于精确确定待测材料板或参考样板的位置。

此外，较佳的，在本发明的具体实施例中，还可以在第一探测器和第二探测器之前分别设置有一个电光晶体25。例如，该电光晶体可以是碲化锌(ZnTe)晶体。

当太赫兹波与探测光束一起到达该电光晶体时，太赫兹波的电场可以改变该电光晶体的折射率椭球，从而改变探测光束的o光e光状态。通过探测二者的强度差，可以间接测量太赫兹波的电场强度。

此外，较佳的，在本发明的具体实施例中，还可以根据实际应用情况的需要，在各个光路中设置衰减片26，用于调节光路上的光强。例如，可以通过衰减片减小泵浦在太赫兹发射天线上的光强，以免光强过强。

图3为太赫兹脉冲波45度角入射参考样板后被全反射后的示意图，图4为太赫兹脉冲波45度角入射待测材料板的数学模型示意图，图5为玻璃钢的太赫兹时域光谱示意图。如图3、4和5所示，在本发明的一个较佳实施例中，实验测试可以选用玻璃钢板(FRP)材料作为待测材料板。在实际实验中，所用的玻璃钢板的厚度d为1.1mm，测试环境：温度23.4℃，湿度2.7％。利用复合型THz-TDS系统(例如，图2所示的装置)进行探测，太赫兹脉冲波以45度角斜入射到被测试的厚度为d的样品上。

太赫兹脉冲波透过样品后其振幅和位相发生了改变。图3中所示的E_i为入射的太赫兹脉冲波的电场强度，E_r0为被参考样板全反射后的太赫兹脉冲波的电场强度，图4中所示的E_r是被待测材料板反射后的太赫兹脉冲波的电场强度，E_s是透过待测材料板后的太赫兹脉冲波的电场强度，d为样品厚度，n₁为空气的折射率，n₂为待测材料板的折射率。

在本发明的技术方案中，以实验所使用的待测材料板为玻璃钢板为例，可以使用上述的方法对玻璃钢板进行材料透射和反射光谱的探测。

太赫兹脉冲波45度角斜入射到被测试的厚度为d的样品(即待测材料板)上时，其振幅和位相均发生了改变。利用透射光路测量没有样品时的太赫兹信号作为第一参考信号，利用反射光路测量放置全反射参考样板时的太赫兹信号作为第二参考信号；在放入样品后，利用两光路同步测量透过样品的太赫兹信号(即透射信号)和样品反射的能量(即反射信号)，从而可以根据所述透射信号、反射信号、第一参考信号和第二参考信号，计算得到待测材料板的透射系数、反射系数和所需的电磁参数。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，透射系数和反射系数可以通过如下的公式计算得到：

其中，τ和t分别表示反射系数和透射系数，I_r(ω)和I_s(ω)分别为待测材料板的反射信号和待测材料板的透射信号经傅立叶变换以后得到的信号强度，I_r0(ω)和I_i(ω)分别为参考样板全反射的信号(即第二参考信号)和无样品时自由透过的信号(即第一参考信号)经傅立叶变换以后得到的信号强度，分别由反射光路和透射光路的第一探测器和第二探测器测量得到。

为保证测量的精确性，需要对两个探测光路进行精准测量，在保证二者相等的同时，也需要保证其与两个探测激光脉冲传播的路径等光程，从而确保同步测量透射和反射的太赫兹脉冲是同一脉冲信号，并且是使用同一孪生的探测激光脉冲予以探测。

另外，在本发明的技术方案中，还可根据所述透射信号、反射信号、第一参考信号和第二参考信号，计算得到待测材料板的电磁参数。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，还可以通过如下的方式推导得到所需的电磁参数。

图6为本发明中电磁参数推导的原理示意图。如图6所示，由于待测材料板是成45角放置(即入射角为45度)，区别于通常情况下的正入射(入射角为0度)，从菲涅尔公式出发推导如下：

当45°入射的太赫兹脉冲波被待测材料板透射时，介质中传播因子为：

其中，p(ω,L)为介质中传播因子，ω为频率，L为介质的厚度，为复折射率，c为光速。

根据图6中所示的模型和菲涅耳公式可计算出复透射系数为：

其中，H(ω)为复透射系数，E_total(ω)为通过待测材料板的太赫兹波的电场强度，E_ref(ω)为参考太赫兹脉冲(即第一参考信号)的电场强度，入射角为折射角，为空气的折射率，对于空气介质为介质(即待测材料板)的复折射率，L为太赫兹波在待测材料板中传输的距离，b为参考信号与直接透射的太赫兹电磁波在待测材料板内产生的附加光程差，FP(ω)为由于法布里波罗标准具效应引起的干涉项。

忽略样品中多次震荡，可令：FP(ω)＝1，则：

其中，n₂为复折射率实部，k₂为复折射率虚部消光系数。

将复透射函数写成辅角和模的形式：

方程(1)和(2)联立，代入ρ(ω)、Φ(ω)的测量值即可计算得到材料的折射率n₂(ω)和k₂(ω)。

根据复折射率的实部和虚部计算复介电常数：

ε_r＝n₂²(ω)-k₂²(ω)，ε_i＝2n₂(ω)k₂(ω)；

其中，ε_r为介电常数实部，ε_i为介电常数虚部，n₂(ω)和k₂(ω)分别为被测材料的折射率和消光系数。

综上可知，在本发明中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置中，对现有技术中的太赫兹时域光谱测量系统(THz-TDS)进行了改进升级，设置了两路探测光路，其中一路完成反射系数的测量，另一路同时完成透射系数的测量，并通过光程的测量和光路的设计，从而可以实现在同一太赫兹脉冲下同步完成同一待测材料样品的反射系数和透射系数的同步测量与数据采集，实现了待测材料的透射系数和反射系数的同步测量，从而可以快速、准确地提取材料的电磁参数，实现待测材料的反射系数、透射系数和电磁参数的同步获取。

另外，更进一步的，由于本发明中的太赫兹频段同步测量材料透波反射特性的方法和装置，区别于现有技术中的太赫兹频段材料反射系数和透射系数测量方法，将被测材料样品板与入射太赫兹光束成45度角放置，而且在测量参考样板的太赫兹波反射能量时，参考样板也需要同样45角放置，因此设计了材料板支架，并设计了激光辅助定位装置予以精确确定待测材料板和参考样板的位置，解决了材料样板快速精准定位的难题，降低了由于待测材料板与参考样板由于放置角度偏差而引入的测量误差，为散射建模提供了可靠的材料性能数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。