太赫兹时域光谱测量的原理和方法

1.透射模式测量下样品电磁参数的提取

假设入射太赫兹波为频率为ω、传播方向为z方向的单色平面波,入射到复折射率=n+iκ的样品上,则太赫兹波可表示为

式中,E 0(t)=E 0 eiωt表示入射到样品前的太赫兹波形。设样品的厚度为d,则频域内透射的太赫兹波可表示为

带有样品信息的太赫兹波可表示为

参考信号可视为通过与样品厚度相同的真空区域后的太赫兹波(n=1,κ=0),可表示为

式(3.15)、式(3.16)相比可以得到

式中,A为透射模式测量下的振幅比;ϕ为相位差。所以,可以直接得到样品的折射率为

和样品的吸收系数为(www.xing528.com)

2.反射模式测量下样品电磁参数的提取

反射模式测量下对待测样品电磁参数的提取与透射模式测量类似,根据菲涅耳公式,在垂直入射和反射面为平面的情况下,反射波可以表示为

式中,为反射前入射太赫兹波所在样品的复折射率;n~'为产生反射的样品的复折射率;E 0(ω)表示入射波。将带有样品信息的太赫兹波电场强度与无样品信息的参考信号电场强度相比,得到

式中,ϕ为相位差。其中,假设入射太赫兹波由空气入射,且参考信号来自对太赫兹波完美反射的反射表面,在实际实验系统中一般采用镀金或镀银平面反射镜来近似实现。将复折射率=n+iκ代入式(3.21),得到

式中,r为反射模式测量下的振幅比。由此,可以得到样品的折射率和吸收系数为

值得注意的是,在反射模式测量中,由于参考信号由反射镜提供,所以反射镜与样品位置上的误差就会强烈影响测量结果中信号相位的变化,从而影响折射率和吸收系数的计算提取。

由式(3.24)可得,当r=1且Φ=0时,吸收系数达到最大值,此时