太赫兹光谱分析中用误差理论确定样品厚度的研究

太赫兹（1 THz=1012 Hz）时域光谱作为一种新型的光谱探测技术,被广泛用来研究各种材料在远红外频谱范围内的光学特性。在太赫兹透射光谱分析中,多数情况下需要知道被测样品的厚度,才能准确提取样品的光学参数。然而,有些样品的厚度不宜测量准确甚至不能直接测量。文中介绍和讨论了利用误差理论给出了准确确定样品厚度的同时提取样品的太赫兹波段光学参数的方法,该方法可以广泛应用于该类样品的太赫兹透射谱分析过程。     

基于太赫兹反射谱提取光学参数不确定度分析

利用太赫兹光谱技术计算物质的光学参数已成为各领域的研究重点。由于太赫兹系统以及算法提取过程依然存在缺陷,无法实现对物质光学参数的精确测量。为提高光学参数的测量准确度,对反射式太赫兹时域光谱系统进行全面的不确定度分析。首先分析了基于太赫兹反射时域光谱提取光学参数、折射率和消光系数的7种误差来源,并分别建立了折射率和消光系数的不确定度模型;然后,以葡萄糖多晶薄片样品为例,计算其在0.2~2.0 THz频段的折射率和消光系数的各种误差因素占综合不确定度的比例,总结误差因素对不确定度的贡献。其中,样品厚度测量的随机误差对折射率的影响最大,占总误差的80%;传递函数误差对消光系数的影响最大,占总误差的99%。最后,对减小折射率和消光系数的不确定度提出了建议,如采用自参考方法提取光学参数,采用智能优化算法对样品厚度和光学参数进行优化,修正Fabry-Perot效应等。     

基于模式理论的EFPI传感器输出干涉谱分析

运用模式理论研究分析了单模光纤法布里-珀罗传感器(EFPI)在白光条件下的输出干涉谱,理论推导出反射光干涉光谱的归一化函数表达式,分析得到输出干涉谱受法布里-珀罗腔的腔长和耦合系数的相位变化的共同影响,并与传统几何光学的方法相比较。通过计算机仿真,可以清晰看出各参数与输出干涉谱的关系。其研究结论为高精度和高准确度的法布里-珀罗系统的实现提供了更为精确的理论基础。     

激光线性扫频法快速标定法布里-珀罗标准具参数

法布里-珀罗标准具是一种精密的光学仪器,其光谱窄、精细度高,广泛应用于精细距离的测定、信号的检测分析等。标准具其自身参数的快速测量和准确标定成为诸多光学研究必不可少的步骤。针对法布里-珀罗标准具参数测量,设计快速标定实验方案,采用窄线宽(线宽1 kHz)激光光源,数字示波器采用泰克DPO4104B(1 GHz,5 GS/s)进行采样存储,直接利用屏幕图像测试并计算标准具的主要参数指标。准确标定了所测法布里-珀罗标准具的自由谱宽、半高全宽、精细度、品质因数以及扫频常数,比较分析了两种不同测试方案所得到结果。为开展法布里-珀罗标准具参数的快速准确标定提供技术参考。     

基于太赫兹时域光谱的塑化剂定量分析北大核心CSCD

利用太赫兹时域光谱结合化学计量学对塑化剂定量检测技术进行了研究。提出了一种利用太赫兹透射光谱测量超薄液体样品光学常数的新方法。利用该方法,以一种典型塑化剂——邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为例,采用内径为200μm的比色皿作为样品载体测量了不同浓度DBP-无水乙醇和DBP-乙醇-水溶液在太赫兹波段下的折射率和吸收系数。结果表明随着DBP含量的增加,DBP-乙醇溶液和DBP-乙醇-水溶液在太赫兹波段(0.2~1.1THz)的光学参数随DBP浓度均呈有规律的变化。根据吸收系数面积、平均折射率相对DBP浓度变化曲线建立了未知溶液DBP含量的预测模型。该研究表明太赫兹时域光谱技术可能成为快速检测白酒等含乙醇饮料中塑化剂含量的新方法。     

注入型法布里-珀罗腔的衬度增强效应、频谱特性和时间特性

就几种典型的情况,计算注入型法布里-珀罗腔的参数与输出光束参数的关系,法布里-珀罗腔的频谱特性及时间弛豫效应,并指出这些特性在激光光谱研究领域中的应用前景.     

啁啾布喇格光栅法布里-珀罗滤波器

为了获得窄的自由光谱范围和可控的精细度,采用了将平行双通道波导用啁啾布喇格光栅完全反向耦合,在耦合区入口处制作解理面反射镜的方法,将光栅色散引入法布里-珀罗腔内,同时保持了解理面反射镜对精细度的控制.得到法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围不仅决定于腔长,还决定于色散,通过调整光栅参数获得在大范围内可控的自由光谱范围.数值模拟和分析结果表明,这种啁啾布喇格光栅法布里-珀罗滤波器可以在传统双镜法布里-珀罗滤波器尺寸下获得千倍量级压缩的自由光谱范围,而精细度的调整不影响自由光谱范围.     

固体粉末的太赫兹折射率和吸收系数准确提取方法

为解决固体粉末类物质太赫兹折射率和吸收系数提取不准确的问题,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术以聚乙烯(PE)与聚四氟乙烯(PTFE)为研究对象,分析一元和二元混合粉中孔隙率对光学参数提取的影响;以有效介质理论为基础,提出基于Landau-Lifshitz-Looyenga(LLL)模型的折射率和吸收系数提取方法。结果表明：经过LLL模型修正的PE和PTFE粉末的折射率与文献中报道热塑成型的PE和PTFE板一致,证实了LLL模型在固体粉末太赫兹光学参数计算应用中的有效性。研究成果可为固体粉末的太赫兹标准光谱数据库建设和物质定量识别等领域提供指导。     

半球面法布里-珀罗天线的发展

半球面法布里-珀罗天线是对传统平面法布里-珀罗天线的一种宽带化改进设计.对半球面法布里-珀罗天线的工作原理进行了介绍,并以开式谐振腔理论为基础讨论了与平面法布里-珀罗天线的差别,详细分析了其带宽拓展的原理.介绍了半球面法布里-珀罗天线进一步优化的方法,讨论了其在不同波段的设计方法和加工工艺.通过总结半球面法布里-珀罗天...     

偏置电压驱动下AlGaN/GaN二维电子气的宽谱太赫兹波发射

本文介绍了低温（6 K）下偏置电压加速AlGaN/GaN二维电子气产生的宽谱太赫兹波发射。根据“浅水波”等离子体波失稳理论和史密斯-珀塞尔理论,分别设计了两种器件结构。实验结果表明所观测到的太赫兹辐射与电子浓度无明显依赖关系,得到的而是自于晶格和热电子的黑体辐射。通过考虑湿度和衬底法布里-珀罗谐振腔作用,计算得到的热电子发射光谱与实验光谱良好吻合。研究结果表明通过电流驱动二维电子气产生太赫兹辐射的器件将不可避免地产生强烈的电子气加热和晶格加热问题,很难实现理论预言的等离子体波失稳与高效太赫兹发射。因此,需要设计更加精巧的器件结构才能实现高效的等离子体波激发和太赫兹发射。     

太赫兹时域光谱反射式层析成像技术

改性聚丙烯（PP）材料由于其阻燃、高抗冲性能等特点被广泛应用在汽车仪表板、保险杠等汽车配件中,采用无损探伤技术对改性PP材料进行检测是汽车配件质量保证的必要手段。搭建了透射式太赫兹时域光谱系统及反射式太赫兹时域光谱成像系统,采用透射式THz-TDS系统对改性PP材料的光学参数进行了检测,测定了该材料在太赫兹波段的折射率,其数值为1.53。设计了一种改性PP材料平底洞样品,采用反射式THz-TDS成像系统对其进行成像,采用了反卷积滤波技术对THz信号进行处理,提高了信号的信噪比,提出了一种基于飞行时间的太赫兹时域光谱层析成像技术,采用已测定的改性PP材料的折射率,通过飞行时间层析成像技术对该样品的太赫兹检测结果进行了三维重构,厚度测量精度为0.01mm。     

Design and analysis of a novel tunable optical filter

In this paper, an improved design of a tunable optical filter device which is driven by a piezoelectric actuator is proposed. The device can be used either as a tunable optical filter for discrete wavelength alignment or as a dynamic optical filter. The tunable filter is electrostatically driven and consists of three main parts: The electromechanical stage, the suspension and the thin film optical filter. The electromechanical stage and the suspension were designed using graph presentation methods, studied numerically using the finite element method (FEM). The thin film optical filter was designed by a thin film design software. The electromechanical stage was integrated with the suspension and tested as an angular driver of thin-film tilt interference filter for dense-wavelength division demultiplexing system applications.     

基于氧化钼薄膜的光控太赫兹传输特性研究

本文采用热蒸发法制备了沉积在硅片上的200nm 氧化钼(MoO₃)的太赫兹调制薄膜。 在室温条件下,通过傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)技术,研究了MoO₃薄膜在不同激励光功率下的太赫兹传输特性。提出了薄膜重要光学参数的提取模型,利用透 射式太赫兹时域光谱技术测量了薄膜的时域信号,分别计算了太赫兹波在薄膜中的透过率及 调制效率及薄膜的复介电常数变化。结果表明,在980 nm激光器条件 下,随着激光器功率 的提高,MoO₃薄膜的太赫兹调制深度逐渐增加。在激光功率为266 mW时,在0.26 THz处 透过率达到最低为61%,调制效率(Modulation factor)达到最高为10%。通过分析MoO₃薄膜 的复介电常数及载流子密度变化,得出了激发生成的载流子浓度的提高导致介电常数的改变 , 增强了薄膜的导电性,从而减低了太赫兹波在薄膜中的透过率的结论。为MoO₃薄膜应用在 太赫兹波段调制领域提供了实验数据。     

可调谐光纤F-P线性滤波器的设计与分析

光纤滤波器在光纤通信和光纤传感领域发挥着重要的作用。本文基于光学薄膜干涉理论设计了一种用于光纤传感的可调谐F-P线性滤波器,该滤波器由两端面相对的入射光纤与出射光纤构成,两光纤端端面分别镀有反射光纤薄膜。该F-P干涉腔改善了传统F-P腔的透射率响应特性,有助于提高滤波器的线性度和线性范围。本文采用光学薄膜干涉矩阵分析法对该滤波器的透射率响应关系进行了计算与分析,并得出该FP滤波器的结构参数。设计结果表明,这种新型线性滤波器具有线性度好、线性范围宽和线性区间可调的优点。     

Effect of surface roughness on the temperature of a silicon wafer heated by incoherent radiation

The effect of surface roughness of a silicon wafer on its temperature on heating by incoherent radiation is studied. The temperature-time diagrams of heating and cooling are obtained experimentally for double-side- and single-side-polished wafers at different arrangements of the rough surface with respect to the radiation source. The steady-state temperatures of such wafers under identical conditions of heating from 100 to 250°C are compared. It is established that the highest steady-state temperatures are common to the wafers presenting their rough side to the radiation source, the lowest steady-state temperatures to the double-side- polished wafers, and the intermediate temperatures to the wafers presenting their polished side to the radiation source. An optical model of the rough surface is suggested. In this model, the rough surface is represented by a negligibly thin damaged layer characterized by its own optical parameters. In the model, an optical parameter is introduced to characterize the degree of roughness of the illuminated surface. The dependence of the absorptivity of the wafer on this parameter and on the arrangement of the rough surface with respect to the radiation source is treated theoretically. The model provides a qualitative interpretation of the experimental data.     

典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar,HSRL）系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子（云或气溶胶）散射和分子散射成分分开,提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法,其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器:FPI（Fabry-Prot Interferometer）和碘吸收滤波器,作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型:晴空、卷云、气溶胶（两层厚云）的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器,其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差（4.010-3%）,这是由低光学厚度（1.0）的粒子后向散射效应引起的。但是,如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下,其仍不失为是一个好的选择。     

Optical bistability in a dissipative thermally expanding etalon

The phenomenon of optical bistability is examined for the case of a lossy Fabry-Perot etalon. Using a multibeam interference method and thermal length expansion relationships, we derive an inverted equation which predicts the output transmission for such an etalon. Specific operating parameters are given for silicon wafer structures operating in the lattice vibration absorption regime (10 μm). Experiments using 15 ms CO2laser pulses and Si wafers show resonance-to-nonresonance switching.     

Uncertainty in Terahertz Time-Domain Spectroscopy Measurement of Liquids

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a significant technique for characterizing materials as it allows fast and broadband measurement of optical constants in the THz regime. The measurement precision of the constants is highly influenced by the complicated measurement procedure and data processing. Taking THz transmission measurement of liquids into account, the sources of error existing in THz-TDS process are identified. The contributions of each source to the uncertainty of optical constants in THz-TDS process are formulated, with particular emphasis on the effect of multilayer reflections and plane wave assumption. As a consequence, an analytical model is proposed for uncertainty evaluation in a THz-TDS measurement of liquids. An actual experiment with a Di 2-Ethyl Hexyl Phthalate (DEHP) sample is carried out to show that the proposed model could be a basis to evaluate the measurement precision of optical constants of liquids.     

一种改进的InSAR干涉图滤波算法

首先介绍了自适应矢量均值滤波算法的基本原理,接着对该算法提出改进性研究,并利用Microsoft Visual C＋＋编程予以实现,最后将该算法用于实际合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR,Synthetic Aperture Radar Interferometry）的干涉图像,通过采用滤波评价指标,得出无论干涉图像中的条纹粗细与否,该算法在保持图像边缘的基础上对图像噪声均具有较好的抑制能力。实验结果表明对于处理含噪声较多的InSAR干涉图像,该算法相对容易实现。     

光学滤波片薄膜镀制工艺中的监控技术模拟分析

在窄带滤波器件的研制过程中，模拟分析了采用极值法对膜层厚度进行光学监控及其偏差对滤波器件光学特性的影响，并给出了一个4腔DWDM滤波片的理想工艺曲线以及模拟计算所得到光学特性的分布曲线，计算结果有利于指导高品质薄膜器件的研制，并研制出符合工业应用标准要求3腔和4腔的100GHz,200GHz的DWDM滤波片以及CWDM滤波片。