用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架及方法

1.本发明涉及太赫兹光学测量技术领域，特别涉及一种适用于透射式太赫兹时域光谱系统的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架及方法。


背景技术：

2.透射式太赫兹时域光谱系统(thz-tds)可以用于检测太赫兹波穿透待测样品后，每个频率成份上幅值和相位的变化信息，用于提取吸收特征、折射率等重要的太赫兹光学参数，是在太赫兹波段(0.3-3.0thz)研究光与物质相互作用的最佳工具。
3.利用thz-tds进行偏振敏感材料表征，往往需要调整样品与太赫兹波偏振方向的角度位置。当太赫兹波沿双折射晶体光轴方向入射时，不发生双折射现象。而当传播方向与光轴方向不同时，可将入射线偏振光等效分解为两个偏振方向互相垂直的光分量，其中，满足折射定律的分量称为寻常光(o光)，不满足折射定律的分量称为非常光(e光)，二者在晶体中的传播速度不同。速度差经过一定厚度的介质转变为相位差，测量此相位差即可计算晶体双折射率。由此可见，双折射率的测量依赖于光轴方向和晶体厚度的确定。
4.对于光轴方向未知的双折射晶体，可以通过偏振敏感测量方法改变太赫兹发生端或探测端的偏振方向，但这要求对仪器进行专门的改造，无法基于标准thz-tds进行连续测量，普适性差。通过旋转样品改变光轴方向，结合琼斯矩阵等计算的光轴方位角，其范围会受到余弦项的限制。并且这些方法都依赖于晶体厚度等先验参数，而目前大部分研究的实际操作中仍然采用游标卡尺或千分尺人工测量厚度，误差较大且很容易造成划痕从而损坏样品。
5.虽然在太赫兹时域信号中，可以通过样品和参考主峰及回波时间差无接触估计厚度，但这种方法仅用于样品厚度的粗略估计；而在初始值得当情况下的高精度迭代方法则由于计算量大，提取效率较低。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架及方法，以解决现有设备无法对双折射晶体样品进行连续旋转测量，以及测量参数不全、精度不高、容易造成划痕，从而损坏样品的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
8.一方面，本发明提供了一种用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，适用于透射式太赫兹时域光谱系统，所述用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架包括：升降台、驱动系统以及刻度盘；其中，
9.所述刻度盘安装在所述升降台上，且安装固定后，所述刻度盘的盘面呈竖直方向设置，在所述升降台的带动下，所述刻度盘的高度可调节；
10.所述刻度盘包括刻度盘主体和角度主尺盘，所述角度主尺盘与所述刻度盘主体同圆心设置，所述角度主尺盘的圆周内侧设置有角度主尺刻度，所述刻度盘主体上，沿所述角
度主尺盘的圆周方向，设置有角度游标刻度；在所述驱动系统的驱动下，所述角度主尺盘可在所述刻度盘主体上转动，所述角度游标刻度与所述角度主尺刻度配合，用于显示所述角度主尺盘的转动角度；
11.所述刻度盘的圆心位置设置有安置槽，所述安置槽用于安置待测样品；在将待测样品安置于所述安置槽后，所述待测样品可随所述角度主尺盘一起转动。
12.进一步地，所述升降台包括：底座和高度可调的升降部；其中，所述升降部安装于所述底座上，所述刻度盘安装在所述升降部的顶端。
13.进一步地，所述驱动系统包括：控制器、驱动器、步进电机和传动机构；
14.所述控制器用于产生控制步进电机旋转方向及频率的脉冲信号；
15.所述驱动器用于将所述控制器发出的脉冲信号转换为角位移发送给步进电机；
16.所述步进电机通过所述传动机构与所述角度主尺盘传动连接；所述传动机构将步进电机转角同步传输至所述角度主尺盘，实现待测样品自动旋转控制。
17.进一步地，所述控制器包括控制单元和通信单元；其中，所述控制单元用于产生脉冲信号，通过编程控制步进电机旋转方向及频率，脉冲宽度大于1.2微秒；所述通信单元采用串口通信将所述步进电机当前位置信息上传至上位机；
18.所述驱动器包括壳体和接线端子；其中，所述接线端子引出接线分别与所述控制器和所述步进电机相连；所述驱动器选用3200及以上细分设定；
19.所述步进电机使用两相四线35步进电机。
20.进一步地，所述传动机构包括：刻度盘同步轮、电机轴同步轮和皮带；
21.所述电机轴同步轮安装在所述步进电机的转轴上，所述刻度盘同步轮安装在所述刻度盘主体上，所述刻度盘同步轮与所述电机轴同步轮通过皮带连接；所述刻度盘同步轮上设置有与其同圆心的驱动齿轮，所述角度主尺盘的盘缘沿所述角度主尺盘的圆周设置有齿，所述角度主尺盘与所述驱动齿轮啮合。
22.进一步地，所述安置槽包括圆形卡槽和方形卡槽，所述圆形卡槽与所述方形卡槽同心设置；且所述角度主尺盘上还设置有用于固定薄膜晶片的晶片夹。
23.进一步地，所述电动旋转样架用于通过延迟线定位法测光轴角度；
24.所述延迟线定位法测光轴角度的过程包括：
25.将电动旋转样架置于透射式太赫兹时域光谱系统光束聚焦处，调节升降台高度，使得刻度盘中心与太赫兹波聚焦位置重合，测量空气参考信号并保存；
26.将待测样品嵌入所述安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过待测样品，调整透射式太赫兹时域光谱系统光学延迟线，扫描太赫兹时域波形，定位双折射引起的时域波形双峰峰位；
27.锁定光学延迟线于首个波形峰值所在位置，调用电动旋转样架使待测样品旋转一周，峰值信号最大时输出角度即为光轴角度，从而实现待测样品的光轴自动定位；其中，若所述待测样品为负晶体，则将光学延迟线定位于快轴峰值位置；若所述待测样品为正晶体，则将光学延迟线定位于慢轴峰值位置。
28.进一步地，所述电动旋转样架用于通过传递函数迭代逼近法测样品厚度；
29.所述传递函数迭代逼近法测样品厚度的过程为：
30.解锁光学延迟线，扫描非常光轴完整太赫兹波信号，调用电动旋转样架使待测样
品旋转90度，再次扫描寻常光轴完整太赫兹波信号；
31.通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度。
32.进一步地，所述通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度，包括：
33.步骤1，通过太赫兹时域信号中快慢光主峰、第一次回波峰值以及空气参考信号峰值位置，计算待测样品厚度初始估计值，将初始估计值作为当前厚度值；
34.步骤2，在当前厚度值的
±
0.1毫米范围内，根据菲涅耳公式和待测样品内部的传播系数，建立以复折射率为变量的理论传递函数：
[0035][0036]
其中，为随频率变化的复折射率，d为待测样品厚度，c为真空中的光速，m表示测量时间窗内太赫兹信号在待测样品内部经过多重反射的次数；
[0037]
步骤3，对待测样品信号和空气参考信号分别进行傅里叶变换，得到频域信号e
sam
(ω)和e
ref
(ω)，计算太赫兹波与待测样品作用的实测传递函数：
[0038][0039]
步骤3，通过多元函数全局优化求复折射率，建立理论和实测传递函数的误差函数：
[0040]
e＝|t
th
(ω)-t
pr
(ω)|；
[0041]
步骤4，对所得待测样品快、慢轴折射率再次应用傅里叶变换，将厚度不准确引起的折射率周期性震荡转换为离散峰值，将离散峰值最小时所对应的厚度作为更加精确的厚度估计值；
[0042]
步骤5，缩小迭代范围，将步骤4所得更加精确的厚度估计值作为当前厚度值，重复步骤2～步骤4预设次数，以提高厚度估计精度，得到最终的厚度值。
[0043]
另一方面，本发明还提供了一种利用上述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架实现的用于检测样品太赫兹频段光学参数的方法，其包括：
[0044]
将电动旋转样架置于透射式太赫兹时域光谱系统光束聚焦处，调节升降台高度，使得刻度盘中心与太赫兹波聚焦位置重合，测量空气参考信号并保存；
[0045]
将待测样品嵌入所述安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过待测样品，调整透射式太赫兹时域光谱系统光学延迟线，扫描太赫兹时域波形，定位双折射引起的时域波形双峰峰位；
[0046]
锁定光学延迟线于首个波形峰值所在位置，调用电动旋转样架使待测样品旋转一周，峰值信号最大时输出角度即为光轴角度，从而实现待测样品的光轴自动定位；其中，若所述待测样品为负晶体，则将光学延迟线定位于快轴峰值位置；若所述待测样品为正晶体，则将光学延迟线定位于慢轴峰值位置；
[0047]
解锁光学延迟线，扫描非常光轴完整太赫兹波信号，调用电动旋转样架使待测样品旋转90度，再次扫描寻常光轴完整太赫兹波信号；
[0048]
通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度；
[0049]
基于得到的光轴方向和样品厚度，计算样品太赫兹频段光学参数。
[0050]
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0051]
1、本发明首先提供了一种在太赫兹频段无需任何先验参数即可测量双折射晶体光轴方向、厚度、折射率等信息的装置和方法，解决了现有设备无法对双折射晶体样品进行连续旋转测量以及测量参数不全、精度不高的技术问题；
[0052]
2、本发明通过锁定光学延迟线进行样品旋转的方式，实现了双折射晶体光轴方向的自动测量，消除了人工操作引起的定位误差，提高了测量的稳定性和精确度，且本发明中的角度读数可精确至10分，测量精度较高；
[0053]
3、本发明通过传递函数迭代逼近算法实现双折射晶体厚度的无接触测量，相较于目前大部分研究实际操作中采用游标卡尺或千分尺人工测量的方法，本发明方法不容易在样品表面造成划痕，损坏样品；该算法在迭代过程中不断缩小厚度估计范围，提高了计算速度和精度，厚度估计标准差可达10微米以内；
[0054]
4、本发明的装置不局限于圆形双折射晶片光学参数检测，通过增加薄膜片夹和方形卡槽，可用于薄膜器件测试和周期性亚波长人工结构的局域电场增强效果探索，在超材料光谱增强表征方面有很大应用价值，具有重大应用前景。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
图1是透射式太赫兹时域光谱系统的结构示意图；
[0057]
图2是本发明实施例提供的电动旋转样架的结构示意图；
[0058]
图3是本发明实施例提供的刻度盘的结构示意图；
[0059]
图4是本发明实施例提供的检测样品太赫兹频段光学参数的方法流程图；
[0060]
图5是thz-tds系统参数及工作时序关系图；其中，ts表示测量完整参考或样品信号的时间窗长度，tc表示光轴定位过程中样品旋转一周的探测时长；
[0061]
图6是双折射晶体样品及参考信号示意图；
[0062]
图7是采用本发明方法求解的双折射晶体寻常光和非常光的光学参数示意图；其中，(a)为寻常光和非常光的折射率示意图，(b)为双折射示意图；
[0063]
图8是采用本发明方法求解的双折射晶体寻常光和非常光的吸收谱。
[0064]
附图标记说明：
[0065]
1、电动旋转样架；
[0066]
11、驱动器；
[0067]
12、步进电机；
[0068]
13、同步轮传动机构；131、刻度盘同步轮；132、皮带；133、电机轴同步轮；
[0069]
14、刻度盘；141、角度主尺刻度；142、角度游标刻度；143、圆形卡槽；
[0070]
144、方形卡槽；145、晶片夹；146、驱动齿轮；
[0071]
15、底座；
[0072]
2、飞秒激光器；
[0073]
3、光学延迟线；
[0074]
4、太赫兹发射器；
[0075]
5、太赫兹探测器；
[0076]
61、分光镜；62、反射镜；63、离轴抛物面镜。
具体实施方式
[0077]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0078]
本实施例提供了一种用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，适用于透射式太赫兹时域光谱系统，如图1所示，透射太赫兹时域光谱系统包括：电动旋转样架1、飞秒激光器2、光学延迟线3、太赫兹发射器4、太赫兹探测器5以及一系列光学镜片；其中，所述电动旋转样架1用于旋转晶体，以实现光轴定位；所述飞秒激光器2输出用以产生和探测太赫兹波的超快红外激光；其平均功率2.95瓦，脉冲宽度低于100飞秒；所述光学延迟线3包括中空全反射器和步进电机，置于泵浦光光路中，用于增加泵浦光和探测光到达太赫兹发射器4和太赫兹探测器5的光程差，实现太赫兹信号离散采集，采样间隔由步进电机移动步长δs决定：所述太赫兹发射器4和太赫兹探测器5采用光电导天线技术，由近红外激光脉冲击中偏置半导体材料实现；分别用于太赫兹信号发射和探测；光学镜片包括分光镜61、反射镜62、离轴抛物面镜63、半波片、偏振镜、透镜等，用于改变红外激光和太赫兹波的光路及传播状态。
[0079]
如图2所示，所述电动旋转样架1包括：升降台、驱动系统以及刻度盘14；其中，所述刻度盘14安装在所述升降台上，且安装固定后，所述刻度盘14的盘面呈竖直方向设置，在所述升降台的带动下，所述刻度盘14的高度可调节。
[0080]
所述刻度盘14包括刻度盘主体和角度主尺盘，所述角度主尺盘与所述刻度盘主体同圆心设置，所述角度主尺盘的圆周内侧设置有角度主尺刻度141，所述刻度盘主体上，沿所述角度主尺盘的圆周方向，设置有角度游标刻度142；在所述驱动系统的驱动下，所述角度主尺盘可在所述刻度盘主体上转动，所述角度游标刻度142与所述角度主尺刻度141配合，用于显示角度主尺盘的转动角度。具体地，在本实施例中，所述刻度盘采用万能角度尺读数原理，将主尺上的2度分为12等份，读数精度可达10分；用于固定和旋转待测晶体样品及其它偏振敏感材料，并可以通过主尺和游标刻度准备读出当前旋转角度。
[0081]
所述刻度盘的圆心位置设置有安置槽，所述安置槽用于安置待测样品；在将待测样品安置于所述安置槽后，所述待测样品可随所述角度主尺盘一起转动。
[0082]
进一步地，所述升降台包括：底座15和高度可调的升降部；其中，所述升降部安装于所述底座15上，所述刻度盘14安装在升降部的顶端。所述升降台可通过旋钮调节刻度盘高度，以确保待测晶体中心与太赫兹波聚焦位置重合。
[0083]
进一步地，所述驱动系统包括：控制器(图中未示出)、驱动器11、步进电机12和传动机构13；其中，所述控制器用于产生控制步进电机12旋转方向及频率的脉冲信号，为得到可靠响应，脉冲宽度应大于1.2微秒；所述驱动器11用于将所述控制器发出的脉冲信号转换
为角位移发送给步进电机12，为保证角度测量精度，选用3200及以上细分设定；所述步进电机12通过所述传动机构13与所述角度主尺盘传动连接，所述步进电机12使用两相四线35步进电机，在满足旋转刻度盘所需转矩的同时，使装置体积尽可能小；所述传动机构13将步进电机12转角同步传输至所述角度主尺盘，实现待测样品自动旋转控制。
[0084]
进一步地，所述控制器包括控制单元和通信单元；其中，控制单元用于产生脉冲信号，通过编程控制步进电机12旋转方向及频率；通信单元采用串口通信将步进电机12当前位置信息上传至上位机。所述驱动器11包括壳体和接线端子；其中，所述接线端子引出接线分别与所述控制器和所述步进电机12相连。
[0085]
进一步地，所述传动机构13包括：刻度盘同步轮131、电机轴同步轮133和皮带132；所述电机轴同步轮133安装在所述步进电机12的转轴上，所述刻度盘同步轮131安装在所述刻度盘主体上，所述刻度盘同步轮131与所述电机轴同步轮133通过皮带132连接；所述刻度盘同步轮131上设置有与其同圆心的驱动齿轮146，所述角度主尺盘的盘缘沿所述角度主尺盘的圆周设置有齿，所述角度主尺盘与所述驱动齿轮146啮合，通过齿轮传动方式实现传动。
[0086]
进一步地，如图3所示，所述安置槽包括用于固定圆形双折射晶片的圆形卡槽143和用于固定方形双折射晶片的方形卡槽144，所述圆形卡槽143与所述方形卡槽144同心设置；且所述角度主尺盘上还设置有用于固定薄膜晶片的晶片夹145。基于上述，本实施例的刻度盘除可以用于圆形双折射晶片光学参数检测外，还可以进行薄膜器件测试，以及周期性亚波长人工结构的局域电场增强效果探索，在超材料光谱增强表征方面有很大应用价值。
[0087]
利用本实施例的电动旋转样架可通过延迟线定位法测光轴角度；以及通过传递函数迭代逼近法测样品厚度；具体地，检测过程如图4所示，包括：
[0088]
s1，将电动旋转样架置于透射式太赫兹时域光谱系统光束聚焦处，调节升降台高度，使得待测样品(本实施例中为双折射晶体)中心与太赫兹波聚焦位置重合，以太赫兹光束为轴转动样品，测量空气参考信号并保存；
[0089]
s2，将双折射晶体嵌入所述安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过待测样品，调整透射式太赫兹时域光谱系统光学延迟线，扫描太赫兹时域波形，定位双折射引起的时域波形双峰峰位；
[0090]
s3，锁定光学延迟线于首个波形峰值所在位置，调用电动旋转样架使待测样品快速旋转一周，该峰值信号最大时输出角度即为光轴角度，从而通过延迟线定位法测光轴角度，实现待测样品的光轴自动定位；
[0091]
其中，对于光轴方向提取，本实施例以竖直偏振太赫兹波正入射z-cut(光轴平行于界面)单轴负晶体为例，入射太赫兹波分解为遵守折射定律的寻常光(o光)和不满足折射定律的非常光(e光)，二者存在相位差，非常光传播速度较快，其偏振方向平行于光轴，故可通过定位快轴峰值所在位置计算光轴方向；若待测双折射样品为正晶体，则将光学延迟线定位于慢轴峰值位置。
[0092]
s4，解锁光学延迟线，扫描非常光轴完整太赫兹波信号，调用电动旋转样架使待测样品旋转90度，再次扫描寻常光轴完整太赫兹波信号；
[0093]
s5，通过传递函数迭代逼近算法从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度；
[0094]
s6，基于得到的光轴方向和样品厚度，计算样品太赫兹频段光学参数。
[0095]
具体地，在本实施例中，上述s5的实现过程如下：
[0096]
s51，通过太赫兹时域信号中快慢光主峰、第一次回波峰值以及空气参考信号峰值位置，计算待测样品厚度初始估计值，将初始估计值作为当前厚度值；
[0097]
s52，在当前厚度值的
±
0.1毫米范围内，根据菲涅耳公式和待测样品内部的传播系数，建立以复折射率为变量的理论传递函数：
[0098][0099]
其中，为随频率变化的复折射率，d为待测样品厚度，c为真空中的光速，m表示测量时间窗内太赫兹信号在待测样品内部经过多重反射的次数；
[0100]
s53，对待测样品信号和空气参考信号分别进行傅里叶变换，得到频域信号e
sam
(ω)和e
ref
(ω)，计算太赫兹波与待测样品作用的实测传递函数：
[0101][0102]
s54，通过多元函数全局优化求复折射率，建立理论和实测传递函数的误差函数：
[0103]
e＝|t
th
(ω)-t
pr
(ω)|；
[0104]
s55，对所得待测样品快、慢轴折射率再次应用傅里叶变换，将厚度不准确引起的折射率周期性震荡转换为离散峰值：
[0105][0106]
其中，n表示采样点数，ns(ω)表示复折射率的实部；
[0107]
s56，将离散峰值最小时所对应的厚度作为更加精确的厚度估计值；
[0108]
s57，缩小迭代范围，将s56所得更加精确的厚度估计值作为当前厚度值，重复s52～s56预设次数，以提高厚度估计精度，实现双折射晶体非接触测厚。
[0109]
在得到光轴方向和样品厚度后，即可计算并输出所对应的折射率、吸收系数等光学参数。而且，需要指出的是，本实施例通过最小化峰值弱化样品内部多重反射的影响，缩小迭代范围，可获取更加精确的厚度估计值。
[0110]
具体地，在本实施例中，系统参数及工作时序关系如图5所示，测量并保存空气参考信号后，将双折射晶体嵌入刻度盘14安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过晶体得到样品信号，该信号可明显区分快慢轴所对应的两个峰值，若只识别到一个峰值，步进电机12自动旋转45度重新测量；负晶体的非常光速度较快，对应于如图6所示的快光，其偏振方向平行于光轴，锁定光学延迟线3于首个波形峰值所在位置，调用旋转架使晶体快速旋转一周，该峰值信号最大时输出角度为光轴角度；获得晶体光轴方向、厚度，并计算寻常光和非常光的折射率，如图7所示，吸收谱，如图8所示。
[0111]
综上，本实施例提供一种适用于透射式太赫兹时域光谱系统的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架及方法，利用本实施例的电动旋转样架及方法，可以在无需任何先验参数和样品接触的情况下，实现双折射晶体光轴方向定位和样品无接触测厚，
进而计算寻常光和非常光的折射率、吸收系数等太赫兹频段光学参数，从而消除人工操作引起的样品损坏、定位误差等问题，达到提高双折射晶体太赫兹频段光学参数的测量速度、稳定性和精确度的效果。
[0112]
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
[0113]
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0114]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0115]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0116]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

技术特征：
1.一种用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，适用于透射式太赫兹时域光谱系统，其特征在于，所述用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架包括：升降台、驱动系统以及刻度盘；其中，所述刻度盘安装在所述升降台上，且安装固定后，所述刻度盘的盘面呈竖直方向设置，在所述升降台的带动下，所述刻度盘的高度可调节；所述刻度盘包括刻度盘主体和角度主尺盘，所述角度主尺盘与所述刻度盘主体同圆心设置，所述角度主尺盘的圆周内侧设置有角度主尺刻度，所述刻度盘主体上，沿所述角度主尺盘的圆周方向，设置有角度游标刻度；在所述驱动系统的驱动下，所述角度主尺盘可在所述刻度盘主体上转动，所述角度游标刻度与所述角度主尺刻度配合，用于显示所述角度主尺盘的转动角度；所述刻度盘的圆心位置设置有安置槽，所述安置槽用于安置待测样品；在将待测样品安置于所述安置槽后，所述待测样品可随所述角度主尺盘一起转动。2.如权利要求1所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述升降台包括：底座和高度可调的升降部；其中，所述升降部安装于所述底座上，所述刻度盘安装在所述升降部的顶端。3.如权利要求1所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述驱动系统包括：控制器、驱动器、步进电机和传动机构；所述控制器用于产生控制步进电机旋转方向及频率的脉冲信号；所述驱动器用于将所述控制器发出的脉冲信号转换为角位移发送给步进电机；所述步进电机通过所述传动机构与所述角度主尺盘传动连接；所述传动机构将步进电机转角同步传输至所述角度主尺盘，实现待测样品自动旋转控制。4.如权利要求3所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述控制器包括控制单元和通信单元；其中，所述控制单元用于产生脉冲信号，通过编程控制步进电机旋转方向及频率，脉冲宽度大于1.2微秒；所述通信单元采用串口通信将所述步进电机当前位置信息上传至上位机；所述驱动器包括壳体和接线端子；其中，所述接线端子引出接线分别与所述控制器和所述步进电机相连；所述驱动器选用3200及以上细分设定；所述步进电机使用两相四线35步进电机。5.如权利要求3所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述传动机构包括：刻度盘同步轮、电机轴同步轮和皮带；所述电机轴同步轮安装在所述步进电机的转轴上，所述刻度盘同步轮安装在所述刻度盘主体上，所述刻度盘同步轮与所述电机轴同步轮通过皮带连接；所述刻度盘同步轮上设置有与其同圆心的驱动齿轮，所述角度主尺盘的盘缘沿所述角度主尺盘的圆周设置有齿，所述角度主尺盘与所述驱动齿轮啮合。6.如权利要求1所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述安置槽包括圆形卡槽和方形卡槽，所述圆形卡槽与所述方形卡槽同心设置；且所述角度主尺盘上还设置有用于固定薄膜晶片的晶片夹。7.如权利要求1所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述电动旋转样架用于通过延迟线定位法测光轴角度；
所述延迟线定位法测光轴角度的过程包括：将电动旋转样架置于透射式太赫兹时域光谱系统光束聚焦处，调节升降台高度，使得刻度盘中心与太赫兹波聚焦位置重合，测量空气参考信号并保存；将待测样品嵌入所述安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过待测样品，调整透射式太赫兹时域光谱系统光学延迟线，扫描太赫兹时域波形，定位双折射引起的时域波形双峰峰位；锁定光学延迟线于首个波形峰值所在位置，调用电动旋转样架使待测样品旋转一周，峰值信号最大时输出角度即为光轴角度，从而实现待测样品的光轴自动定位；其中，若所述待测样品为负晶体，则将光学延迟线定位于快轴峰值位置；若所述待测样品为正晶体，则将光学延迟线定位于慢轴峰值位置。8.如权利要求7所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述电动旋转样架用于通过传递函数迭代逼近法测样品厚度；所述传递函数迭代逼近法测样品厚度的过程为：解锁光学延迟线，扫描非常光轴完整太赫兹波信号，调用电动旋转样架使待测样品旋转90度，再次扫描寻常光轴完整太赫兹波信号；通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度。9.如权利要求8所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架，其特征在于，所述通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度，包括：步骤1，通过太赫兹时域信号中快慢光主峰、第一次回波峰值以及空气参考信号峰值位置，计算待测样品厚度初始估计值，将初始估计值作为当前厚度值；步骤2，在当前厚度值的
±
0.1毫米范围内，根据菲涅耳公式和待测样品内部的传播系数，建立以复折射率为变量的理论传递函数：其中，为随频率变化的复折射率，d为待测样品厚度，c为真空中的光速，m表示测量时间窗内太赫兹信号在待测样品内部经过多重反射的次数；步骤3，对待测样品信号和空气参考信号分别进行傅里叶变换，得到频域信号e
sam
(ω)和e
ref
(ω)，计算太赫兹波与待测样品作用的实测传递函数：步骤3，通过多元函数全局优化求复折射率，建立理论和实测传递函数的误差函数：e＝|t
th
(ω)-t
pr
(ω)|；步骤4，对所得待测样品快、慢轴折射率再次应用傅里叶变换，将厚度不准确引起的折射率周期性震荡转换为离散峰值，将离散峰值最小时所对应的厚度作为更加精确的厚度估计值；步骤5，缩小迭代范围，将步骤4所得更加精确的厚度估计值作为当前厚度值，重复步骤2～步骤4预设次数，以提高厚度估计精度，得到最终的厚度值。10.一种利用如权利要求1～9任一项所述的用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动
旋转样架实现的检测样品太赫兹频段光学参数的方法，其特征在于，所述检测样品太赫兹频段光学参数的方法包括：将电动旋转样架置于透射式太赫兹时域光谱系统光束聚焦处，调节升降台高度，使得刻度盘中心与太赫兹波聚焦位置重合，测量空气参考信号并保存；将待测样品嵌入所述安置槽内，使线偏振太赫兹波以任意方向穿过待测样品，调整透射式太赫兹时域光谱系统光学延迟线，扫描太赫兹时域波形，定位双折射引起的时域波形双峰峰位；锁定光学延迟线于首个波形峰值所在位置，调用电动旋转样架使待测样品旋转一周，峰值信号最大时输出角度即为光轴角度，从而实现待测样品的光轴自动定位；其中，若所述待测样品为负晶体，则将光学延迟线定位于快轴峰值位置；若所述待测样品为正晶体，则将光学延迟线定位于慢轴峰值位置；解锁光学延迟线，扫描非常光轴完整太赫兹波信号，调用电动旋转样架使待测样品旋转90度，再次扫描寻常光轴完整太赫兹波信号；通过传递函数迭代逼近算法，从寻常光和非常光信号中提取待测样品厚度；基于得到的光轴方向和样品厚度，计算样品太赫兹频段光学参数。

技术总结
本发明公开了一种用于检测样品太赫兹频段光学参数的电动旋转样架及方法，适用于透射式太赫兹时域光谱系统，所述电动旋转样架包括升降台、驱动系统和刻度盘；其中，刻度盘安装在升降台上，其高度可调节；刻度盘包括刻度盘主体和角度主尺盘，角度主尺盘上设有角度主尺刻度，刻度盘主体上设有角度游标刻度；在驱动系统的驱动下，角度主尺盘可在刻度盘主体上转动；刻度盘的圆心位置设置有用于安置待测样品的安置槽；在将待测样品安置于安置槽后，待测样品可随角度主尺盘一起转动。利用本发明的技术方案，可在无需任何先验参数和样品接触的情况下，实现双折射晶体光轴方向定位和样品无接触测厚，并提高太赫兹频段光学参数的测量速度、稳定性和精确度。稳定性和精确度。稳定性和精确度。


技术研发人员：张天尧 张朝晖 赵小燕 袁媛
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/23