[发明专利]一种极性液体反射式实验系统及其测量方法

说明书

本发明涉及一种极性液体反射式实验系统及其测量方法，该系统包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和后处理系统，样品测试平台上设置高阻硅基底，底部设置一组离轴抛物镜，以聚焦电磁脉冲到样品测试平台并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器。该系统的测量方法包括：以检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号；将待测液体装载在高阻硅基底上并以检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号；将样品信号和参考信号传输到后处理系统，基于高斯混合模型对信号进行重构并计算液体样品的折射率。该系统及其测量方法有利于迅速、准确地从太赫兹脉冲信号中提取液体样品的折射率。

技术领域

本发明属于太赫兹液折射率测量技术领域，具体涉及一种极性液体反射式实验系统及其测量方法。

背景技术

太赫兹时域光谱技术是一门自二十世纪末发展起来的新的光谱技术，广泛应用于基础研究和工业领域，全球许多科研工作者致力于研究其在无损检测、化学分析、安全筛查、医学成像等方面的潜在应用。相比红外光，太赫兹波的透射性很强，对大部分干燥、非金属、非极性材料都具有较好的穿透能力。

但是对于在太赫兹波段不透明的材料，例如极性液体等对太赫兹波具有强烈吸收、难以被穿透的样品，如果仍然使用透射式时域光谱进行测量，则需要把样品制备得很薄，或者注入被制备得很薄的器皿中，在操作上存在一定的难度。相比之下，使用反射式时域光谱测量这类样品可以避免这方面的局限，是一种更为适合的测量方法。但在反射式太赫兹系统中，一方面，太赫兹波需要经过更多的光学器件，信号传播的光程更长，信号强度受到损失；另一方面，由于反射式系统中有一部分结构被暴露在密闭的样品室外，无法完全充满氮气，易受到环境中水蒸气的影响；所以若没有恰当的信号处理，太赫兹信号的频谱将不可避免地产生变形或者显示出伪波动，甚至可能被误认为是吸收峰，从而导致不准确的样品分析，引起电磁参数的振荡。因此，有必要研制出一种能够准确测量出液体折射率的实验装置及系统，以进一步发展和应用太赫兹时域光谱技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极性液体反射式实验系统及其测量方法，该系统及其测量方法有利于迅速、准确地从探测到的太赫兹时域脉冲信号中提取待测液体样品的折射率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种极性液体反射式实验系统，包括飞秒激光光源、反射镜、分光镜、离轴抛物镜、时间延迟单元、太赫兹发射器、太赫兹探测器、样品测试平台和计算机后处理系统，所述样品测试平台上设置有高阻硅基底，所述样品测试平台底部设置有一组离轴抛物镜，用于将太赫兹发射器发出的电磁脉冲聚焦到样品测试平台，并将携带样品信息的太赫兹脉冲汇集到太赫兹探测器，所述太赫兹探测器输出信号至计算机后处理系统进行后处理。

进一步地，所述飞秒激光光源发出激光经反射镜后进入分光镜，分光后一路经太赫兹发射器后辐射出太赫兹波，聚焦到样品测试平台上的样品，并携带样品信息到达太赫兹探测器，另一路经时间延迟单元后到达太赫兹探测器，对太赫兹波进行电光采样。

进一步地，所述高阻硅基底由高折射率的高电阻率硅材料加工而成。

进一步地，本发明还提供了基于高斯混合模型的极性液体反射式实验系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将高阻硅基底安装固定在样品测试平台上，形成太赫兹反射式时域光谱检测光路，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为参考信号；

步骤S2：将待测液体装载在高阻硅基底上，并以所述检测光路探测到的太赫兹信号为样品信号；

步骤S3：将步骤S2获得的样品信号和步骤S1中获得的参考信号传输到后处理系统中，基于高斯混合模型对信号进行重构，并计算液体样品的折射率。

进一步地，所述步骤S3中，重构参考信号与样品信号并计算待测液体样品的复折射率，具体包括以下步骤：

步骤S31：分别初始化参考信号与样品信号的高斯混合模型参数；