一種基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復折射率的方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及光子學技術與電子學技術領域，尤其涉及一種基于太赫茲反射光譜提 取固體薄片復折射率的方法。
【背景技術】
[0002] 太赫茲波通常指的是頻率在0· ITHz~10THz(lTHz = 1012Hz)，波長在3mm~ 30 μ m范圍內的電磁輻射。太赫茲波在電磁波譜上位于毫米波和紅外線之間，屬于遠紅外波 段，太赫茲頻段在電磁波譜中的位置如圖1所示，是光子學技術與電子學技術、宏觀與微觀 的過渡區域。太赫茲輻射具有非常重要的科學價值，目前已成為世界性的研究熱點，是21 世紀科學研究最前沿的領域之一。太赫茲頻段所具有的獨特性質決定了它具有廣闊的應用 前景。
[0003] 利用一些光譜技術可以對藥物進行檢測，目前已采用拉曼散射光譜、紅外光譜對 藥物進行了一些研究。相比于這些技術，太赫茲時域光譜技術具有獨特的優勢，例如，它對 化合物晶型有很高的靈敏度，能夠反映整個分子的低頻振動和分子間的弱相互作用，能量 低不會造成藥物發生化學變化等。因此，利用太赫茲光譜在化學藥品的生產、儲存和流通環 節進行質量的檢查等，成為太赫茲輻射最具前景的應用之一。
[0004] 化學藥品通常以固體薄片、顆粒和液態形式存在。通過對化學藥品薄片的太赫茲 時域信號進行快速傅立葉變換，可以同時獲得它的太赫茲信號的振幅和相位信息，從而提 取到物質在太赫茲頻段的復折射率，即獲得藥品的"指紋譜"，從而達到分析和鑒別藥品的 目的。
[0005] 現有技術中，通常采用全反射鏡參考方法提取固體薄片的復折射率。圖2(a)所示 為太赫茲脈沖垂直入射到固體薄片樣品上時光線的傳播情況，圖中表示被測固體薄片放置 在干燥空氣中。若忽略空氣對太赫茲輻射的吸收，則空氣的折射率為實數，且近似為1 ;設 薄片的復折射率為反+7?其中ns為樣品的折射率，k s為消光系數。
[0006] 現有的全反射鏡參考方法的處理流程如圖3所示，包括如下步驟：
[0007] 步驟301 :基于反射式太赫茲時域光譜系統，測量全反射鏡的時域信號并將其作 為參考信號瓦(〇，對其做傅里葉變換得到參考信號的頻譜我(M ;
[0008] 步驟302:將全反射鏡取下換成樣品，并使得二者的前表面位置完全重合，測量 樣品的時域信號式(〇，同樣再對其做傅里葉變換，得到樣品的頻譜式α
[0009] 步驟303 :根據公式（6)計算得到樣品的折射率1^和消光系數ks，從而獲得復折射 率元(〇)。
[0010] 假設全反射鏡無損耗反射，則全反射鏡的反射信號等于入射信號見⑴。以圖2 (a) 中戽⑴作為樣品信號，將氧(0作為參考信號。則參考信號和樣品信號的頻譜可以分別表示 為
[0013] 其中，ξ,可由菲涅爾（Fresnel)公式得到，通常采用P分量探測，則
[0015] 用樣品信號頻譜式(?)除以參考信號頻譜我.(《)可得到傳遞函數珂《)的表達式
[0017] 聯立公式⑶和（4)，得到樣品復折射率和傳遞函數的關系
[0019] 旬?)是復數，令
則由公式（5)可以推導出樣品的折射率和消光 系數的表達式
[0021] 吸收系數a s= 2c〇ks/c，其中c是真空中的光速。傳遞函數匈的振幅P (ω) 和相位Φ(ω)都是可測量的量，因此，由公式（6)便可以獲得折射率ns和消光系數ks，從 而獲得復折射率W ?) = *V+爲》
[0022] 這種全反射鏡參考方法存在如下問題：首先，傳遞函數翁(β?):的相位Φ ( ω )不可避 免地會存在一個機械相移誤差。如圖2(b)所示，樣品表面和全反射鏡的表面很難實現完全 復位，二者的位置會存在A L的光程差。因此，參考信號與樣品信號會存在一個固有的相移
使得提取的固體薄片的復折射率不夠精確；其次，該方法要求測量系統的機構 精密度足夠高，因此，增加了系統硬件制作的難度；最后，由于需要分別測量參考與樣品的 時域信號，因此，測量效率低。
【發明內容】
[0023] 本申請提供了一種基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復折射率的方法，可以提高 測量得到的復折射率的精確度，并提高測量效率。
[0024] 本申請實施例提供的一種基于太赫茲反射光譜提取固體薄片復折射率的方法，包 括：
[0025] Α、制備同一種材料的薄厚不同的兩個固體薄片樣品，其中薄樣品為被測樣品，厚 樣品作為時域信號基線校正時的輔助樣品，測量二者的太赫茲時域反射信號；
[0026] Β、用被測樣品和輔助樣品的太赫茲時域反射信號之差作為基線，將被測樣品的第 一、二個峰分別作為基線校正后的參考信號和樣品信號；
[0027] C、對基線校正后的樣品信號和參考信號分別進行復合數字濾波，以去除系統回波 和隨機噪聲；
[0028] D、根據濾波后的樣品信號和參考信號，用自參考方法提取被測樣品的復折射率， 其中包括：采用遺傳算法對公式
[0030] 進行優化求解，以傳遞函數
為目標函數，進行至少N次種群迭代， 最終得到優化后的復折射率的精確解；其中，
為傳遞函數的 相位；
為傳遞函數的振幅；菲涅爾系數ras、t as、rsa、tsa可 由菲涅耳公式得到：
1表示復折射率，c 是真空中的光速，d表示被測樣品厚度，下標as表示由空氣到樣品的界面，下標sa表示由 樣品到空氣的界面。
[0032] 較佳地，步驟B包括：
[0033] B1、將被測樣品和輔助樣品的太赫茲時域反射信號的第一個峰在時間軸上對齊；
[0034] B2、用被測樣品的太赫茲時域反射信號減去輔助樣品的太赫茲時域反射信號，得 到樣品信號；
[0035] B3、將被測樣品的太赫茲時域反射信號中的第二個峰置為前后數據點的平均值， 將輔助樣品的太赫茲的時域反射信號中的第一個峰置為前后數據點的平均值，再用被測樣 品的太赫茲時域反射信號減去輔助樣品的太赫茲的時域反射信號，得到參考信號。
[0036] 較佳地，所述復合數字濾波包括解卷積和小波變換。
[0037] 較佳地，所述解卷積包括：
[0038] 通過實驗得到第一個回波的振幅A1和第一個回波與主峰的時間延遲（t ft。）；
[0039] 依據公式
濾波，獲得主峰的頻譜；其中，Α(ω)和Aq(CO)分別為原 始時域信號和主峰的頻譜。
[0040] 較佳地，所述小波變換包括：將基線校正后的樣品信號和參考信號多尺度分解，使 噪聲按頻率區域化分；采用Matlab中的wdencmp函數，對高頻系數進行閾值量化去噪處理， 最后根據小波分解的各層系數和經過量化處理后的高頻系數，進行一維信號的重構，得到 去除噪聲后的樣品信號和參考信號。
[0041] 較佳地，所述N大于或等于100。
[0042] 較佳地，由公式
計算得到的η。（ ω )、k。（ ω )作為遺傳算法的 初代種群。
[0043] 較佳地，所述被測樣品和輔助樣品的厚度差的絕對值等于或大于0. 8_。
[0044] 從以上技術方案可以看出，與目前的全反射鏡參考方法相比，本發明的方法具有 以下優點：
[0045] (1)僅需一次性制備同種材料的厚樣品，以后再測相同材料時可重復使用作為基 線校正的輔助樣品，從而提高了測量效率；
[0046] (2)采用數字濾波技術，可以通過編程靈活地調節參數，不受硬件的限制，并且可 以采用最先進的數字濾波算法；
[0047] (3)無需用全反射鏡作為參考，避免了樣品表面與參考物不共面所帶來的機械相 移誤差，提高了復折射率的測量精度；
[0048] (4)將被測固體薄片的前表面反射的光作為參考信號，將后表面反射的光作為樣 品信號，光