一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法。

背景技术

太赫兹波通常是指波长从30微米到3毫米、频率从0.1到10太赫兹的电磁波。太赫兹波介于红外线和毫米波之间，且频谱范围相当宽。因为太赫兹波处于光子学与电子学的过渡区域，所以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，因此在物理学、化学和生物医学等领域有着重大的应用前景。

在太赫兹波研究领域，太赫兹时域光谱系统是一项相当重要且用途广泛的技术。该项技术的原理为：首先将太赫兹脉冲和取样探测脉冲在探测器中混合，然后通过延迟线改变太赫兹脉冲和探测脉冲之间的时间差，该时间差能引起第三方参量的变化——例如，太赫兹脉冲感生双折射、太赫兹脉冲感生电流或者太赫兹脉冲感生二次谐波的变化，探测这些第三方参量就可以探测出太赫兹时域脉冲波形。太赫兹时域脉冲波形进过傅里叶变换之后，就能得到太赫兹脉冲在频域的振幅和相位分布。太赫兹波经过物质后，其振幅和相位由于物质的复折射率不同而受到调制，通过测量初始的太赫兹波和调制后的太赫兹波，经过公式计算，就能得到物质的复折射率，为探索太赫兹脉冲和物质相互作用提供了更多的信息。

2.5 光学式气体传感器光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。[1]用以光谱校准的汞灯谱，最好与样品几乎同时测量，比如，刚刚测完样品后，或在测量样品之前。horiba：horiba scientific旗下的jobin yvon光谱技术自1819年创立以来，始终致力于光学光谱产品的研发生产，其光谱技术涵盖光栅、光学光谱系统、拉曼、荧光、spri、椭偏、辉光放电等技术，其中拉曼光谱仪是horiba scientific主要产品线之一，占据着举足轻重的地位。

步骤11，测量参考信号。复介电常数与复折射率

在本步骤中，将测量不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号，如图2中的左图所示。

步骤12，测量参考信号。

在本步骤中，将测量含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号，如图2中的右图所示。

步骤13，截取主透射峰。

例如，如图3所示，图3中的样品信号包括主峰、回波1和回波2。在本步骤中，将删除如图3所示的参考信号中主峰之后的部分，截取点可选择为主峰和回波1之间的中点。

步骤14，获得频域振幅相位。复介电常数与复折射率

在本步骤中，将分别对参考、样品信号进行傅立叶变换，将它们转换到频域中的复值和可求出两者的比值为：

其中，为所测的透射系数(或传递函数)，ρ(ω)为透射系数实验值的绝对值，φ(ω)为透射系数实验值的相位，表示样品信号和参考信号之间的固有相移。

步骤15，测量得到样品的厚度L。

步骤16，建立主峰透射模型。

对于一般透射测量系统，系统的透射系数计算值为：

5.4.3 可变作用的组合值系数应按下列规定采用：1 一般情况下，风荷载的组合值系数ψw应取1.0，地震作用的组合值系数ψe应取0.5。为真空中的光速值，其值为299792458m／s, n为大气折射率，它与测距仪所用光源的波长，测线上的气温t, 气压p和湿度e有关。超光速会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速（真空中大约为3亿米/秒，光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s）成为许多场合下速率的上限值。

步骤17，建立频域振幅相位计算模型。

另外，上述的步骤15～17可以与步骤11～14同时独立地执行。

步骤18，根据频域振幅相位和频域振幅相位计算模型，联合求解。

对于一般太赫兹脉冲段非吸收材料，考虑到κ＜＜n，可以得到：

通过公式(5)、(6)，联合频域振幅相位实验值求解，可以得到样品折射率的实部n和虚部κ。

步骤19，计算得到材料电磁参数。

根据最后所得到的复折射率，很容易能够将其转换为复相对介电常数(也可以是复介电常数)或者是复电导率它们之间的关系是σ1(ω)＝ε0ωε2(ω)，σ2(ω)＝-ε0ω[ε1(ω)-ε∞]。其中，ε∞为物质在足够高的频率条件下的介电常数，ε0为物质在自由空间的介电系数。

通过上述的步骤11～19，即可计算得到材料电磁参数。

由上可知，太赫兹脉冲通过光学厚样品之后，会有主峰和多次回波，如图3所示。在现有技术中的材料参数提取方法中，通常只考虑主峰，而舍弃其他回波，以回避由于标准具效应(etalon effect)引起的频谱振荡。然而，现有技术中所使用的方法需要知道真实的样品厚度。样品厚度误差会导致材料参数的测量误差，主要体现在两方面：

(1)由公式(5)可知，样品厚度误差对折射率实部误差的影响是线性的；

(2)由公式(6)可知，样品厚度误差对折射率虚部误差的影响是三次方关系。

对于非吸收样品，由于折射率虚部较小，这种影响比较小，但是这种影响对于折射率实部和虚部较大的材料(例如，金属材料和复合材料等)尤为明显。所以，有必要精确测量材料厚度。

然而，非光学透明材料的厚度无法通过光学方法测量，而采用其他的现有方法，例如X光、beta后向散射、Eddy电流法和电导法等，都可能有投入较大、测量周期长、测量材料单一、无法测量过厚(毫米级)样品等缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，从而可以精确地确定光学厚样品的材料参数，还可以同时测量太赫兹脉冲段的材料参数和厚度。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法，该方法包括如下步骤：

A、将测量得到的不含样品信息的太赫兹脉冲作为参考信号；

B、将测量得到的含有样品信息的太赫兹脉冲作为样品信号；

C、从样品信号中提取第p次回波信号，其中，p为大于或等于0的整数；

D、获取第p次回波信号的透射系数的实验值；

E、测量得到样品厚度L的测量值L′；

F、建立主峰/回波透射模型；

3.3.2封头的厚度受内压半球形封头厚度的计算公式（3-11）式中 ——计算压力（mpa）——封头内径（mm）——钢板在设计温度下的许用应力——焊接接头系数，其值小于或等于1根据筒体厚度计算时的数据mpa，mm， 159mpa, 1由公式（3-11）得封头的计算厚度mm封头的设计厚度mm封头的名义厚度mm向上圆整后取 mm。该方法的特点是以色差形式计算白度值，测定结果的白度值较高，极差较小，适用于白度值较高的样品的测量，在钛白粉行业中应用较多。［解］⒈ 设定ri/δe假定封头名义厚度δｎ=10㎜，按gb6479-1996钢板负偏差≤0.25按gb150 3.5.5.1 取c1=0封头有效厚度查表7-2 k1=0.9 封头的当量球壳外半径r0=k1d=0.9×1020=918㎜则 ri/δe=918/9=102⒉ 按式(6-5)计算系数a：⒊ 计算［p］ 查图6-3得b=122 mpa ，按式(6-6)计算［p］值⒋ 确认封头厚度 因［p］=0.196mpa>p=1mpa故椭圆形封头名义厚度δｎ=10㎜ 满足设计要求。

H、根据样品信号中的主峰，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第一材料电磁参数；根据样品信号中的第p次回波，计算得到透射系数的实验值和计算值的最小差值所对应的第二材料电磁参数；

I、根据第一材料电磁参数和第二材料电磁参数得到材料参数总差值函数；

waitforsingleobject函数用来检测 hhandle事件的信号状态，当函数的执行时间超过dwmilliseconds就返回，但如果参数dwmilliseconds为infinite时 函数将直到相应时间事件变成有信号状态才返回，否则就一直等待下去，直到waitforsingleobject有返回直才执行后面的代码。函数说明：execl()用来执行参数path字符串所代表的文件路径， 接下来的参数代表执行该文件时传递的argv[0],argv[1].....是后一个参数必须用空指针null作结束返回值：成功则不返回值， 失败返回-1， 失败原因存于errno中错误代码：参execve()范例：/*执行 /bin/...。getbydbfunction getbydbfunction(,,,,…) 功能：执行指定的数据库函数 返回值： true 成功 false 出错 参数： 参数 funcname rset errmsg p1～n 类型 string recordset string 可变 说明 要执行的数据库函数名称 引用传递 表示返回结果集的变量名 引用传递 如果执行出错，返回的错误信息 函数需要的参数。

结合透射峰值对应波长近场分布，利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释，认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模，可以形成透射峰。2．梯形渠道边坡系数一定时的水力最优断面解 得代入湿周关系式即对上式求的极小值，令故 存在，将代入求解，得到水力最优梯形断面的宽深比水力最优矩形（）断面的宽深比 即梯形断面，将水力最优条件代入中得到上式表明：在任何边坡系数的情况下，水力最优梯形断面的水力半径为水深的一半。每半个基材沿着边缘都刻有0～50mm的刻度,随机配有两块玻璃面板,这些透明面板在一定角度下放置于底板的黑和白空区域,面板区别在于他们微小支承长度, 在面板和底板之间以致形成不同角度,每个面板被给定楔形角度的系数,这些范围从最小角度k=.002到k=.0035,k=.004,k=.007,最大为k=.008,最流行系数为k=.004和k=.008在测试涂料时需选择适当的面板,通常线色涂料应用k=.008,深色涂料应用k=.004,将一滴涂料放在靠近底板的分界处,对线色涂料面板将带支承脚放在白区域的涂料上,用力压紧面板致涂料打散,没有气泡在面板之间形成薄的楔形,楔形将随面板的移动而动,调节位移直到观察黑白界线刚好消失,从黑板刻度上记下刻度读数,面板边缘获得与底板相对应的系数.当测试深色涂时面板系数为k=.004,并从面板处读取读数.涂料厚度用毫米表示,黑和白分界处所得的读数乘以所用面板楔形系数k,数值表示最小涂膜厚度所需黑和白的.涂层厚度所需遮盖力或扩散力可直接从下面每个面板的转换表中获得.。

L、根据计算得到最小值对应的样品复折射率的实部和虚部，其中，为主峰对应的透射系数的实验值。

较佳的，无样品时太赫兹脉冲的参考信号为：

其中，为参考信号，ω为频率，P0为相移因子。

较佳的，太赫兹脉冲透过样品的样品信号为：

其中，T01和T10分别为太赫兹脉冲透过样品上、下表面的透射系数，R10为太赫兹脉冲被样品上表面反射的反射系数，相移因子

较佳的，太赫兹透过样品的第p次回波的透射系数的实验值为：

较佳的，所述主峰/回波透射模型为：

r、c计算机为外接阻容元件值，一般r取值范围为５千欧到１兆欧，如果r ＞１兆欧，电路对外部噪声信号很敏感． 此外，电路还具有重触发功能，即当电路被触发进入暂稳态期间，可再次加输入触发信号，这时输出脉宽tw’为第一次和第二次触发信号的间隔时间t1加上以第二次触发信号为起点的输出脉宽tw 如左图． t’w = ti + tw 54/74hc4538单稳态触发器的工作波形 重触发器输出脉冲 1 0 0 x 1 5 稳定状态 1 0 x 1 1 4 下降沿触发 低脉冲 高脉冲 下降沿 0 1 3 上升沿触发 低脉冲 高脉冲 1 上升沿 1 2 复位清零 1 0 x x 0 1 q反 q tr-反 tr+ rd反 功能 输出 输入 序号 3、稳定状态 如序号４、５所列，在tr＋＝１或tr－＝０时，均不能触发翻转，为稳定状态或禁止触发状态，Ｑ维持０。恒流输出电路再连接至霍姆赫兹线圈,从而在线圈内部得到均匀分布的电磁场.图 1中,uf为电压源输出电压反馈信号,ug为电压源输出电压的调节值,udsf为功率mosfet的漏源电压降反馈信号,uc为恒流输出驱动电路控制信号,if为采集的输出电流反馈信号,ig为电流给定值.所设计的霍姆赫兹线圈由一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈组成,单个线圈的外形长宽均匀384mm,高度为150mm,匝数为150匝,厚度约为4mm,线圈阻值rl=2.5Ω.。当按下触摸的一个按钮时，其就对plc传送出信号，plc接收到动作信号，内部存储器中进行程序运算，运算结束后发出信号和脉冲给步进电机驱动器，步进电机按收到的信号和脉冲，给步进电机发送指令，使其能按plc所给的方向信号和速度脉冲进行动作，随之能使机械手进行上升、下降、左移、右移动作。

如上可见，在本发明中的使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法中，通过多次回波求取材料参数，能够得到材料参数和厚度自洽的结果，取消了现有技术中对非吸收材料的近似，从而可以精确地确定光学厚样品的材料参数，解决了光学厚样品厚度测量误差较大的问题；而且还可以同时测量太赫兹脉冲段的材料参数和厚度，因此可以极大提高测量速率、提高单次测量的信息含量及提高测量结果的有效性和可信度。同时，本发明中所提供的上述方法也能快速测量百微米、毫米级的样品，并且能得到亚微米的精度。

附图说明

图1为现有技术中使用太赫兹时域光谱系统测量光学厚样品复折射率的流程示意图。

图2为现有技术中太赫兹时域光谱系统中的初始信号、参考信号及样品信号的示意图。

图3为本发明中测量得到的参考信号和样品信号的示意图。

图4为本发明中太赫兹脉冲透过光学厚样品后的样品信号及没有样品时的参考信号的示意图。

图5为本发明中不同厚度时的硅片折射率在2到2.5THz间的变化的示意图。

图6为本发明中通过主峰、回波提取的硅片复折射率实部和虚部差随着硅片厚度的变化的示意图。

图7为本发明实施例中的使用太赫兹脉冲测量材料参数和材料厚度的方法的流程示意图。

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。