太赫兹时域光谱技术是材料介电参数测量的重要方法, 是材料研究、 鉴别和分析的重要工具。 太赫兹时域光谱技术是一种太赫兹频段的相干探测技术, 可以同时获得太赫兹波的幅度和相位信息, 通过透射测量、 反射测量可获得材料的复透射率或复反射率来反演材料的电磁参数。 在实际中, 大多数被测材料太赫兹波无法穿透, 或者不满足透射材料参数反演需要的弱吸收近似, 因此反射测量更具应用价值。 在已发表的研究结果中, 研究人员仍普遍采用透射测量的方案, 很少见使用反射测量方案获取材料参数。 究其原因, 在反射测量时, 由于样品和参考板位置的放置误差很难消除, 从而导致无法准确提取反射相位。 将光学领域广泛使用的Kamers-Kronig关系应用于太赫兹时域光谱系统反射测量中, 以解决反射测量中无法准确获得相位信息从而无法提取介电参数的问题。 为了验证Kamers-Kronig关系的准确性, 一方面, 通过透射、 反射方法分别测量硅材料的复透射率、 复反射率并反演了其材料参数, 两者的反演结果一致性较好。 另一方面, 利用同一组硅的反射测量数据分别用Kamers-Kronig关系和最大熵法对其材料参数进行反演, 两种处理方法也可以实现相互印证, 进一步确保了提取数据的可靠性。 对Kamers-Kronig关系和最大熵方法所取得的结果进行了对比讨论, 通过Kamers-Kriong关系和最大熵法获得的折射率、 消光系数以及复介电参数结果一致性较好, 且基于Kamers-Kriong反演了一种精神药物的吸收谱, 与透射结果做了比对。 结果表明, Kamers-Kronig关系非常适合提取材料光学参数和吸收谱, 且相比最大熵法其普适性更强, 甚至对于无法获取相位信息的非相干测量系统依然适用, 但该方法需要整个频段的反射率幅度信息, 对于没有测量的频率需要进行外推, 对于反射率随频率变化不大的物质更加适用。 该研究成果对于利用反射式太赫兹时域光谱系统获取材料太赫兹波段的光学参数提供了一种有效方法, 可解决绝大数情况下反射测量参数提取问题, 对太赫兹时域光谱技术的实际应用具有重要意义。
太赫兹 Kamers-Kronig关系 反射 材料参数反演 Terahertz Kamers-kronig relationship Reflection Material parameters
给出了ZnTe电光晶体折射率和吸收系数随太赫兹波频率而变化的计算曲线, 比较了太赫兹波在ZnTe中传播时的相速度和群速度。通过与太赫兹频率和晶体厚度相关的电光效率响应函数, 理论计算了ZnTe电光晶体对太赫兹脉冲的探测电光响应, 得到了晶体厚度与探测到的太赫兹频谱宽度的定性关系, 从计算结果中找到了ZnTe电光晶体在5.3 THz和6.2 THz等多个频点的探测盲点, 这些探测盲点来自于ZnTe电光晶体与相应频点太赫兹波的栅格共振吸收。结合自制的大口径太赫兹光导天线和1 kHz脉冲重复频率的太赫兹时域光谱实验系统, 通过差分探测技术, 从实验上得到了太赫兹波极化方向与〈110〉型ZnTe晶体晶轴方向的六个最佳匹配角度, 给出了太赫兹电场最大值随晶轴与太赫兹波极化方向之间夹角变化的曲线及经验公式, 这将有利于在实践中对该现象的深入理解和对探测灵敏度的有效提高。
太赫兹探测 ZnTe晶体 电光响应 terahertz detection ZnTe crystal electric-optic response 红外与激光工程
2019, 48(12): 1219001
Author Affiliations
Abstract
1 National Laboratory for Infrared Physics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China
2 Shanghai Engineering Research Center of Energy-Saving Coatings, Shanghai 200083, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A new approach is proposed to accurately determine the thickness of films, especially for ultra-thin films, through spectrum-fitting with the assistance of an interference layer. The determination limit can reach even less than 1 nm. Its accuracy is far better than that of the traditional methods. This determination method is verified by experiments, and the determination limit is at least 3.5 nm compared with the results of atomic force microscope (AFM). Furthermore, a double interference-aided spectra fitting method is proposed to reduce the requirements of the determination instruments, which thus allows one to determine the film’s thickness with a low-precision common spectrometer and to greatly lower the cost. It is a very high-precision determination method for on-site and in-situ applications, especially for ultra-thin films.
120.4290 Nondestructive testing 120.4800 Optical standards and testing 220.4840 Testing 120.7000 Transmission Chinese Optics Letters
2016, 14(8): 081203
为测量太赫兹时域光谱散射测量系统的静区场强分布, 以确定后续测量目标的尺寸, 将金属球在静区三维方向上移动测量回波, 分别采用不同软件处理实验数据并得到不同类型的数据拟合曲线, 由拟合曲线得到了静区的三维空间范围。通过不同类型的曲线拟合发现, 相对于入射波方向在静区横截面的两维方向上, 电场强度分布近似为高斯分布, 而在入射波方向上的场强分布在某一范围内存在波动现象。还对系统的线性度进行了测量, 结果显示了系统具有良好的线性度。
太赫兹时域光谱 静区 场强 拟合曲线 terahertz time-domain spectroscopy quiet zone electric field intensity fitting curve 红外与激光工程
2016, 45(11): 1125003
