基于太赫兹时域光谱系统的双折射率晶体非接触式表征方法

晶体的各向异性探测技术正逐渐向非接触和非破坏性方法发展。太赫兹辐射由于其对许多介电材料的大穿透深度和非电离特性,在各向异性材料的双折射研究中具有广阔的前景。石英、蓝宝石、液晶以及含有亚波长结构的超材料等都表现出太赫兹双折射,作为偏振功能器件中的常用材料,其参数测量对于太赫兹器件研发具有重要意义。材料双折射率的提取往往依赖光轴方向和晶体厚度等先验参数。材料的光轴方向表征其各向异性的优先方向,对于已知光轴取向的晶体,可以根据经验选择合适的琼斯向量,而在实际应用中,只要选择探测太赫兹波的线偏振方向、光轴、探测轴。可以很容易地测量出寻常光和非常光,并直接从时域信号中计算出各自的折射率。对于光轴方向未知的材料,需要旋转样品以不同的方位角进行测量。双折射率的提取依赖于材料厚度的确定,通过游标卡尺或千分尺所得测量值与真实值存在较大差异,容易在样品表面造成划痕。无论是旋转样品还是厚度测量,人为操作都会为双折射率表征引入不确定性。基于透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)开发了一种双折射晶体光轴方向和晶片厚度的非接触式测量方法,不依赖于晶体先验参数,即可获取晶体完整的折射率。通过控制样品旋转配合光学延迟线动作实现光轴自动定位,利用传递函数迭代逼近算法提取晶体厚度和完整的折射率。为验证该方法,选择了在太赫兹波段具有双折射特性的(10-10)取向蓝宝石晶体进行测量,准确地提取了晶体在0.3~1.5 THz频率范围的平均寻常光折射率3.39±0.02,非常光折射率3.08±0.02,双折射率-0.31±0.02,并绘制了吸收谱。结果证明,所建立的测量方法避免了人工操作引起的样品损坏和定位误差,提高了双折射晶体太赫兹频段材料参数的测量速度、稳定性和精确度,对偏振敏感太赫兹测量技术及其应用具有重要意义。

基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

经过二十年的发展,太赫兹光谱技术已经在生物医疗、工业质检、国防安全、新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力,然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖,严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用,近年来,以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS),凭借其高集成度、低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。但是,作为新型光谱技术,THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段,此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用,而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘,与相位信息紧密相关的样品折射率、介电常数、极化率等关键参数因此无法准确获取。从THz-FDS的相干探测原理出发,结合实测数据,详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系,建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。在此基础上,指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因,提出了所改进的双基点折射率求取算法。为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性,选取了在太赫兹波段应用广泛的聚合物聚四氟乙烯作为表征对象,制备了厚度不同的多个样片,对所有样品测定折射率的结果为1.456±0.006,不同样片间折射率的测量不确定度仅为0.5%,且平均值与前期报道值吻合,充分验证了该方法复现性。此外,选取其中一枚样片考察了实验参数设置变化对折射率测定结果的影响,使用THz-FDS多种积分时间和采样步长的设置组合采集原始光电流数据,结果显示实验参数设置对折射率测定结果没有显著影响,验证了算法的鲁棒性。提出的折射率测定方法丰富了太赫兹频域光谱系统的表征参数,结合频域光谱系统相比传统时域光谱系统在工业应用方面的优势,该方法对太赫兹光谱技术的实际应用发展具有重要意义。

凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响

在太赫兹光谱实验测试中,为了提高系统信噪比,被测试的固态样品表面通常为平行且光滑的形态,然而在安检等实际应用场合中,自然状态下的物体表面可能会呈现出凹陷、凸起等特殊形态,这会对太赫兹光谱产生影响,这些影响与特殊形态的尺寸有关,但最容易忽视的是这些影响也与太赫兹波的空间分布有关。首先,对凹陷表面样品进行了基于高斯光学的太赫兹波透射过程建模,研究了表面具有规则圆柱形的凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响。通过小孔拟合法对太赫兹光谱系统的高斯光学参数进行了测量,获得了太赫兹波的束腰半径等参数。然后,选用表面被加工成凹陷形态的聚四氟乙烯为实验材料进行太赫兹透射光谱实验,将太赫兹光谱传递函数幅值的理论模型值和实验值进行对比来验证模型的适用情况,通过实验证实了在表面有凹陷等缺损情况时将太赫兹波进行高斯光束建模的必要性。最后,由模型推论出在与太赫兹波传播方向平行和垂直两个维度方向上,凹陷深度和凹陷半径对太赫兹透射光谱的定量影响作用:随着凹陷深度的增加,光谱传递函数幅值周期越来越小,两者之间存在单调的定量关系,且不会受到凹陷半径的影响。利用凹陷深度对光谱传递函数幅值周期的定量影响关系可以实现对凹陷深度的定量检测,当可用频谱宽度为1.2 THz时,凹陷深度的最低检测值为0.53 mm;随着凹陷半径的增加,光谱传递函数幅值均值有着先降低后增加的变化趋势,两者之间不存在单调函数关系且受到凹陷深度的影响。当凹陷半径大于5 mm时,光谱传递函数幅值均值不再随半径的增加而增大,样品表面凹陷对太赫兹波光谱传递函数幅值幅度的影响与凹陷位置也有关系,这两种现象主要与太赫兹波的高斯分布情况有关。研究结论可用于太赫兹波在非极性材料表面缺陷的无损检测中,还可用于设计样品表面形态,使其具有期望的光谱传递函数。