基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

作者：张天尧; 李博扬; 李星玥; 李迎; 吴先毫; 赵小燕; 张朝晖^*

来源：光谱学与光谱分析, 2023, 43(02): 495-502.

• 太赫兹折射率谱
• 太赫兹频域光谱技术
• 相位信息
• 相干探测机制

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。

• 单位
  北京科技大学; 自动化学院