2024年5月14日发(作者：一加为什么口碑炸了)

郑州大学物理工程学院

本科生毕业论文

太赫兹时域光谱系统测量金属薄膜

光学参数的原理和方法

赵博

电子科学与技术专业

2

目录

太赫兹时域光谱系统测量金属薄光学参数的原理和方法

摘要：

第一章 引言 太赫兹波技术综述

1.1 太赫兹辐射简介

1.2 太赫兹波的特性

1.3 太赫兹波的产生技术

1.4 太赫兹波的探测技术

1.5 太赫兹波的应用领域

第二章 太赫兹时域光谱系统简述

2.1 太赫兹时域光谱技术

2.2 太赫兹时域光谱系统光路图

第三章 获得薄膜光学参数的方法

3.1 金属薄膜内太赫兹传播的理论推导

3.2 超薄金属薄膜太赫兹特性

3.3 光学参数测量方法

3.4 几种常用的具体算法

3.5 实验结果和讨论

3.6 总结

第四章 全文总结

致谢

参考文献

1

1

2

2

2

3

5

6

7

7

8

10

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18

19

太赫兹时域光谱系统测量金属薄膜

光学参数的原理和方法

摘要：

太赫兹辐射技术是近年来发展迅速的一种技术，在很多方面展现了优良的特性。本文

介绍了太赫兹理论方面的内容，包括源、探测器的原理和结构以及太赫兹波技术的应用领

域。金属薄膜作为一种电磁功能膜，由于其特征尺寸在太赫兹频段内是将介于太赫兹波的

穿厚深度附近，因而具有许多独特的性质。金属薄膜的电导率，介电常数、消光系数等光

学特性，也都有各自特点。介绍太赫兹时域光谱系统，并介绍用太赫兹时域光谱系统通过

检测金属薄膜的折射、透射和吸收等过程，获得包括折射率，消光系数，介电常数等在内

的薄膜光学参数的原理。

关键字：太赫兹时域光谱系统 金属薄膜 复折射率

Abstract：

Terahertz radiation technology is developing rapidly in recent years, a technique

demonstrated in many ways, good features. This article describes the theoretical

aspects of terahertz, including the source, detector, and the principles and structure of

the field of terahertz technology. In the terahertz frequency band, as a function of

magnetic film, the feature size of metal film is thick between the THz wave of wear depth

in the vicinity, which has many unique properties. Conductivity of dielectric constant,

extinction coefficient, optical properties of thin metal film, get their own characteristics.

This article describes the terahertz time domain spectroscopy system and ways to the

determine optical parameters of metal film, including refraction, transmission and

absorption process.

Keywords: terahertz time-domain spectroscopy system complex refractive index

1

第一章 引言 太赫兹波技术综述

本章简要介绍了太赫兹太赫兹的相关理论即背景知识。介绍了太赫兹产生和探测方法

及理论基础，介绍了太赫兹产生源和接收装置的结构。并简要介绍了太赫兹的一些应用领

域。

1.1 太赫兹辐射简介

太赫兹辐射（terehertz ，THz, 1THz=Hz）是指频率在0.1 THz~10 THz之间的电磁波，

波段位于微波和红外之间，属于远红外电磁辐射范畴。由于太赫兹频段是电磁波谱上有电

子学向光子学过度的特殊区域，因而具有相当重要的科学价值和应用价值。

长期以来，由于缺乏有效的产生和检测太赫兹波段电磁辐射的方法，人们对于这一范

围内的电磁波的特性所知很少，因而产生了所谓“太赫兹空隙”（THz Gap）的说法。二十

世纪九十年代之后，随着超快激光技术的发展，太赫兹脉冲的产生得到了稳定可靠的光源，

有关太赫兹特性的理论研究和应用都得到了长足的发展。而太赫兹波科学技术与其他学科

相关，在与电磁学、物理学、化学、通信理论、量子理论和材料科学等多个学科的交互贯

通，使得太赫兹波在宏观和微观领域都具有重要的研究价值和实用价值。太赫兹波技术的

不断发展，逐步完善人类认知织染改造自然的能力，在天文遥感、生物医学、晚景科学、

公共安全、工业无损检测等方面，太赫兹波技术都不断展现出了越来越宽广的应用前景。

1.2 太赫兹波的特性

太赫兹波在电磁波谱上的独特位置，使其展现出了一系列不同于其他频段电磁辐射的

性质。主要包括：穿透性、宽带性、相干性、低能性、穿透性、惧水性及光谱的吸收特性。

（1）太赫兹脉冲宽度窄，配合合理的取样技术，可以有效抑制背景辐射的干扰，得

到具有高信噪比的太赫兹电磁播视频谱；

（2）太赫兹脉冲辐射仅包含若干个电磁振荡周期，当脉冲频率覆盖范围较广，便于

大范围分析材料光谱特性。

（3）太赫兹时域光谱技术直接测量太赫兹波的时域电场，通过傅立叶变换得出台合

资的振幅和相位，并可方便的得出介电常数的实部和虚部。

2

（4）太赫兹波的光子能量较低，相对于X射线的光子，1THz频率的光子能量大约只

有四毫电子伏特，低于前者7~8个数量级，检测过程中可不会产生对生物阻止有害的光致

电离和其他破坏，尤其适用于活体检查。

1

（5）由于太赫兹所处波段，在波谱中同时具有量子特性的电磁波，因此太赫兹频率

的光子既可以被准光学系统进行聚焦和准直等操作，也可以在特定的报道中进行传播。部

分材料对太赫兹波段是透明的，因此太赫兹波技术可以用于品质检查和安全检查。

2

1.3 太赫兹波的产生技术

太赫兹波的产生和探测技术是太赫兹波技术研究中的重点内容。由于使用传统的电子

学方法和光学方法都难以产生和检测太赫兹电磁波，直到使用超快激光轰击非线性光学晶

体或者光电导偶极天先产生功率和频率可调的电磁波，太赫兹波技术才受到广泛的关注。

这种技术提供了在时域和频域检测太赫兹电磁波的方法，并且提供了稳定可靠的光源和检

测手段，但是仍缺乏高功率，低价位和便携式测量设备仍然闲置着当前技术的发展。目前，

常见的太赫兹发射源可以分类为窄频带连续太赫兹波产生技术和宽频带脉冲太赫兹波技

术两大类。

1.3.1 窄频带连续太赫兹波产生技术

窄频带太赫兹发射源在高频率分辨率的测量中具有重要的地位。在相当长一段时间以

来，有关太赫兹波段的研究工作主要集中在开发窄频带太赫兹发射器上。目前，对于太赫

兹波技术的研究的两个大方向分别是：利用电子学的方法将低频微波向高频延伸；利用光

学方法将激光技术向低频延伸。前者可以产生低频率的大功率太赫兹波，后者可以产生方

向性和相关性都比较好的低功率高频太赫兹波。而在这个方向，包括非线性光学混频技术

3

、光学参量转换技术、自由电子激光技术和量子级联激光技术都在不断展现各自的魅力。

两个大的研究方向，在发展中也展现出了相互融合的趋势。

两束连续波激光在一块光电导材料中进行混频可以产生频率为两束激光频率差值的

光电流。当频率差位于THz波段时，光电流可沿着发射线传播或通过天线向自由空间辐射

出连续THz波。这种光学混频器通常使用微机电系统技术制作具有微小光电导缝隙的电极，

在电极之间施加很大的偏置电场，光电导体放置在天线或天线阵列的策动点上，被两束激

3

光所照射。其工作方式类似极大带宽的电流源，在THz波段驱动天线产生辐射。非线性光

学混频技术产生太赫兹波的过程收到的限制因素是光学混频的低效率，而优点则是可以通

过纳秒激光脉冲泵浦活的太赫兹辐射，并可实现太赫兹波的可调谐输出。

电子振荡太赫兹辐射源技术，包含了耿氏振荡器、肖特基二极管、共振隧穿二极管振

荡器等产生方法。三种方法产生的太赫兹波的频率都比较低，都存在半导体基片中的介质

损耗的问题，主要的解决方法是运用微机电系统技术减小半导体几篇的厚度，以提高太赫

兹放大器的输入功率从。自由电子激光器能够产生高相干性、高强度的单色光，基本原理

是使用高速电子流通过此片转进入交替变换的磁场中，电子通过自发辐射，产生太赫兹波。

自由电子激光器的频率随着入射电子的能量增大而增大，且为持续变化，因而理论上可以

产生微波到X射线的相干电磁辐射。具有频谱范围广、峰值功率相干型平均功率大等优点。

量子级联激光器是将固体半导体激光器技术延伸到太赫兹波段的生产技术。与传统半导体

激光器通过半导体材料倒带中的电子和价带中的空穴的复合产生激射原理不同的是，该技

术采用了量子阱倒带激发态的电子共振跃迁到基态释放能量，将发射的光子一级一级传递

下去，而波长取决于有两子限制效应决定的两个激发态之间的能量差。

1.3.2 宽频带脉冲太赫兹波产生技术

窄频带连续太赫兹产生方法都无法有效地消除系统的背景噪声，而使用超快激光技术

的基于锁模激光器产生超快激光脉冲的脉冲太赫兹发射源得到了广泛应用。这一类的方法

速度快，测量过程中的背景噪声可以被有效的避免。

4

共振光整流方式、宽频带脉冲太赫兹波产生方法主要包括：光电导偶电极天线方式、

半导体表面产生方法。其中，光电导偶极天线方式的基本原理是在光电导半导体材料表面

沉淀金属制成偶极天线电机结构，拥有皮秒级的超快激光照射电极之间的光电脑半导体材

料，在其表面瞬间产生大量自由电子空穴对，这些广生在刘子在外加电场或者内建电场下

被加速，在光电导半导体材料表面刑场变化极快的光电流，进而产生向外辐射的太赫兹脉

冲。共振光蒸馏方法的原理是利用激光脉冲在电光经体内的非线性效应，通过远红外差频

的方法产生太赫兹电磁辐射脉冲。

通常，使用光电导天线辐射的太赫兹脉冲能量比用光蒸馏效应产生的太赫兹脉冲能量

要强。但是光导天线产生的太赫兹脉冲的频谱宽度较窄，利用光整流机制可以产生更宽频

的太赫兹辐射。

4

1.4 太赫兹波的探测技术

太赫兹波探测技术目前主要分为两类：脉冲太赫兹波探测技术、外差法连续太赫兹波

探测技术。其中，脉冲太赫兹波探测技术又包含有光导天线发和电光采样法。

1.4.1 脉冲太赫兹波探测技术

电光采样法是最早用于太赫兹脉冲探测的相干探测方法。它是基于光电导天线发射机

理的逆过程，使用半导体光电导天线作为太赫兹接受元件，使用探测激光脉冲在广电介质

中激发产生的自由载流子在太赫兹电场偏转电压的作用下运动并产生电流，测量该电流以

获得太赫兹电场信息。光电导探测天线的是在蓝宝石上沉淀注入离子的损伤硅或者低温生

长的砷化镓晶片制成。这种技术可以

通过激发和门控光脉冲的时间延迟不同取样辐射电场的时域

波形，信噪比可超过1000。

自由空间电光学采样是基于探测光宇太赫兹辐射在电光晶体激发的线性电光效应，是

光整流的逆效应，是三个束波非线性混合的过程。工作过程为：高会计光脉冲被分数片分

为泵浦光和探测光。泵浦光照射在太赫兹发射器上，发射器产生电磁辐射脉冲，时间在皮

秒级，频率在太赫兹量级。太赫兹光束被聚集到电光晶体上，改变电光晶体的折射率椭圆

球面。先偏振探测器光束在晶体内和太赫兹光束贡献传播，探测光束的相位会受到晶体折

射率的调制。相位改变经过分析一Wollaston冷静那个转化为强度信号。通常使用一对查分

平衡探测起来压缩背景噪声。为提高灵敏度，探测信号有锁相放大其提供。

1.4.2 外差法连续太赫兹波探测技术

目前的微波毫米波和太赫兹波频段最灵敏的接收器都是基于外差理论设计制造的。探

测器的部分振荡器以太赫兹频率振荡并结合搜到信号。该信号由于被放大而被测量到。外

差过程通常通过一个混合器实线，该装置输出的信号频率与热舍太赫兹信号和局部振荡器

信号的频率之差成正比。低噪声温度可以使用基于吵到设备的冷却外差接收机活的。这种

接收器基于超导体-绝缘体-超导体隧道接，而隧道接基于准粒子在超导间隙的隧穿而具有

明显的非线性的I-V关系。其主要缺点是工作温度很低，但需要的局部振荡器的功率也较

低，而更低的噪声温度可以使用电子辐射热量计混合器活的。

5

1.5 太赫兹波的应用领域

由于太赫兹波具有的独特性质，太赫兹波技术在很多场合都体现到用处。其中。在生

物医学领域，太赫兹波对于癌症、肿瘤的诊断有很好的辅助诊断作用。

5

在环境监测领域，

对不同物质的太赫兹光谱特性的分布，可以确定环境中的物质构成做出快速诊断，确定污

染物的鉴别

6

，而利用全电子太赫兹波谱仪测量其体吸收光谱并建立汽车尾气污染物的检

测限度，具有很高的灵敏度。在安全检查领域，由于太赫兹波对于义务纸盒塑料等多种非

金属和非极性材料基本透明，可以利用太赫兹波透过这些包装检测被包装的危险物，也可

以用于对人身无损害的安检过程。

6

第二章 太赫兹时域光谱系统简述

本章简述了太赫兹时域光谱系统的理论，太赫兹时域光谱系统的特点，典型的太赫兹

时域光谱系统的光路和基本工作原理。简述了投射性太赫兹时域光谱系统提取材料光学参

数的基本原理。

2.1 太赫兹时域光谱技术

材料在太赫兹波段的光学特性参数可以采用多种方法获得。太赫兹时域光谱系统

（Terahertz time-demain spectroscopt ,THz-TDS）是一种相干探测技术，能够同时获得太赫

兹脉冲的振幅信息和相位信息。该技术利用太赫兹脉冲透射样品或者从样品上的反射，记

录下通过参考片和样品片后的太赫兹时域电场波形，对其进行快速傅里叶变换得到参考和

样品的频率波形，然后对频谱数据进行分析和处理就可以得到被测样品的光学残参数，包

括折射率、吸收系数和消光系数等。进而可以对样品的种类进行鉴别并获得一些重要的物

理化学信息。

7

目前太赫兹时域光谱系统的典型光路分为四大类：反射型光路，透射型光路，差分型

光路

和啁啾展宽型光路

。透射型太赫兹时域光谱系统在对于大量材料的研究中展现了良好的

效果。透射型太赫兹时域光谱系统主要应用于对气体、液体、火焰、电解质、半导体、超

导体、有机材料的太赫兹光学特性的研究。反射性太赫兹时域光谱系统工作原理类似于透

射型时域光谱系统，区别则体现在反射性系统的探测器接收的是有样品表面反射的太赫兹

波。

8

典型的太赫兹时域光谱系统主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置、太赫兹辐射探

测装置和时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两

束，一束激光脉冲(泵浦脉冲)经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射源上产生太赫兹辐射，

另一束激光脉冲(探测脉冲)和太赫兹脉冲共同入射到太赫兹探测器件上，通过调节探测脉

冲和太赫兹脉冲之问的时问延迟探测太赫兹脉冲的整个波形。

7

2.2 太赫兹时域光谱系统光路图

2.2.1 投射型系统

对于透射型系统，光路图如

图一所示。泵浦和探测太赫兹波

所用的飞秒激光器是美国相干

公司生产的自锁模可调谐式钛

蓝宝石飞秒激光器，激光中心波

长为800nm，脉宽小于100fs，重

复频率为80MHz,平均输出功率

650mW。飞秒激光脉冲经半波片

(HWP)后被分束镜(CBS)分为泵浦

光I和探测光Ⅱ。泵浦光I在经过斩波器和由反射镜M3、M4组成的电动平移台后经反射镜M5、

M6反射，再经A3、A4和凸透镜Ll准直、聚焦后以450角入射到晶向为<100>的p．型砷化铟

(InAs)晶体上，通过光整流效应激发出太赫兹波。探测光II经过一系列反射镜M7～M12以

及凸透镜L2后经偏振片P打在高阻硅上，经过高阻硅的反射打在晶向为<110>型，厚度为

0．5mm的ZnTe电光探测晶体上，在ZnTc晶体上与经四个抛物面镜PM)反射并透过样品而载

有样品信息的太赫兹波共线，太赫兹波通过电光晶体调制探测光从而将样品的信息加载到

探测光束上来。载有样品信息的探测光最终经过四分之一波片(QWP)和凸透镜L3后被渥拉

斯顿棱镜分为两个偏振方向垂直的分量，最后由差分探测器通过测量两偏振分量的差异而

解调出样品的信息。

该系统的基本工作原理是：飞秒激光脉冲入射到InAs电光晶体中通过光整流效应的方

法产生出太赫兹电磁波。太赫兹波经过样品时由于对样品的响应而携带上样品的信息(包

括色散和吸收)，然后被抛物面镜反射到电光晶体ZnTe上，利用电光取样的方法进行测量。

太赫兹波电光取样的方法是基于线性电光效应(又称普克尔效应)进行的，当太赫兹脉冲电

场通过电光晶体时，其瞬态电场将通过线性电光效应使电光晶体的折射率发生各向异性的

改变，从而调制晶体的折射率椭球，当另一束探测光和太赫兹脉冲同时通过晶体时，在晶

体中产生的双折射使探测脉冲的偏振方向发生偏转，调整探测光脉冲和太赫兹脉冲间的时

8

图 1透射型时域光谱系统的光路图

间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以获得太赫兹脉冲电场的时间波形。

2.2.2 反射型系统

反射性系统的光路图与透

射型系统相似，如图2所示。

该系统的基本工作原理是：

本系统产生太赫兹脉冲的机制是通

过飞秒激光聚焦在<100>lnAs晶体上，

在被照射的半导体表面将产生高浓

度的光激发电子一空穴对，因此在

光的照射方向上会出现电子和空穴

的浓度梯度，并导致相应的扩散。

由于电子和空穴的迁移率不同，导致

图表 2反射型时域光谱系统的光路图

晶体的光照面与背光面上异性电荷的积累，从而在晶体内部沿光照方向上形成了一个内建电场，即为

丹倍电场。飞秒激光脉冲激发的瞬态载流子在扩散过程中受丹倍电场的作用向外辐射太赫兹脉冲。

对于两种不同类型的时域光谱系统，都可以采用逐点成像法，将样品安放在一个而为

平台上，通过二维平台的移动改变太赫兹脉冲击打在样品时候的位置，从而得出不同位置

是样品投射或者反射的数值，进而缺的X-Y平面上每一点出含有样品信息的太赫兹时域波

形。通过快速傅立叶变换，进而转换出每一点处的频率谱。

9

第三章 获得薄膜光学参数的方法

本章介绍了是用太赫兹时域光谱系统获得金属薄膜光学参数的一般方法，包括活的折

射率，介电常数和消光系数等。

3.1 金属薄膜内太赫兹传播的理论推导

电磁波与物质互相作用是，其反射系数和折射系数可以由菲涅尔公式给出。

9

投射系数：

t

||

=

n

2n

1

cosθ

i

2

cosθ

i

+n

1

cosθ

t

(1)

反射系数：

r

⊥

=

n

1

cosθ

i

+n

2

cosθ

t

1

i

2t

t

⊥

=

n

2n

1

cosθ

i

1

cosθ

i

+n

2

cosθ

t

(2)

r

||

=

n

2

cosθ

i

+n

1

cosθ

t

2

i

1t

ncosθ−ncosθ

(3)

ncosθ−ncosθ

(4)

其中∥和⊥分别表示

E

→平行于入射面和垂直于入射面入射的情况

. θi

和

θt

之间

的关系由下面的Snell公式给出。

n

1

sinθ

i

=n

2

sinθ

t

(4)

考虑到电磁波在介质中传播，会发生色散和损耗。此时的投射系数t和反射系数r都

是的函数，可表达为t

∥

(

ω

)

、t

⊥

(

ω

)

、r

∥

(

ω

)

、r

⊥

(

ω

)

、的形式。同时，折射率变成复折射率

的形式：

其中

k

(

ω

)

=α

(

ω

)

c/2ω (6)

ñ

(

ω

)

=n

(

ω

)

−jk

(

ω

)

(5)

复折射率描述样品的宏观光学性质，α

(

ω

)

为吸收系数，k成为消光系数。复折射率的

实部表示电磁波的色散，虚部表示物质对电磁波的吸收。K为消光系数，描述样品的吸收

特性。对实验测得的参考信号时间波形和投射样品后的时间波形分别进行傅里叶变换得到

10

他们的频域谱R(ω)和S(ω)。在真空即近似样品处于真空中其前后介质的折射率均为1和弱

吸收近似即n<

得到T(ω)和ϕ

(

ω

)

；

再根据公式：

n

(

ω

)

=ϕ

(

ω

)

ωd

+1

α

(

ω

)

=

d

ln(

T

(

ω

)(

n

(

ω

)

+1

)

2

)

24n

(

ω

)

c

R

S

(

ω

)

(

ω

)

=T

(

ω

)

e

−jϕ

(

ω

)

(7)

(8)

(9)

计算出样品在太赫兹波段的折射率和吸收系数。如果不考虑边界处的能量损失，吸收

系数可以用下列公式求得：

α=

d

ln(

I

r

(

ω

)

)

s

1I

(

ω

)

(10)

其中， I

r

(

ω

)

和I

s

(

ω

)

分别是参考信号和样品信号傅里叶变换以后的强度。样品对太赫

兹辐射的透射率可以用I

s

(

ω

)

和I

r

(

ω

)

的比值来确定。即利用下列公式可以得到样品的透射

率：

T

(

ω

)

=

I

s

(

ω

)

I

r

(

ω

)

E

s

(

ω

)

2

[

E

(

ω

)

]

r

=

(11)

其中E

s

(

ω

)

和 E

r

(

ω

)

分别是样品和参考信号的傅里叶变换的振幅谱。

3.2 超薄金属薄膜太赫兹特性

电磁波入射到块体金属材料或者厚度比较大的金属膜表面时，依据麦克斯韦方程，透

射波E

(

x,t

)

=E

0

e

−αx

e

j(βx−wt)

其中β为相位常数，α为衰减常数。当将场量衰减到原来值的

1/e时，电磁波所经过的距离定义为穿透深度δ。金属的电导率σ非常大，介电常数ε≪σ/ω，

所以δ=

α

=(2/ωμσ)

1/2

，当波长为10cm的时候，铜的穿透深度为0.62μm。由此可见，

电磁波能进入有限的深度。电磁波的大部分能金属表面所反射，其透射效果可以忽略不计。

然而对于超薄金属薄膜，其特征尺寸小于穿透深度或与之相当时，投射效应及吸收效应就

变得十分明显，成为主要的效应。

关于金属薄膜光学性质的研究是一个热点问题，对于较厚的金属薄膜，光学特性参数

一般稳定，数值与厚度无关。而对于超薄金属薄膜的特性，研究很长时间都处于空白阶段，

11

1

所得数据也一直很少。随着新技术的不断发展，利用连续式和脉冲式太赫兹辐射源，使太

赫兹波垂直照射超薄的铁、钴等磁性和非磁性金属薄膜，可以获得它们在太赫兹波段的透

射、吸收和折射效应。

金属薄膜的节电系数等光学特性的研究，是很多实验设计和研究的前提条件，在实际

中却面临薄膜复折射率难以确定的难题，即使能查阅到的金属光学系数，也是固态是的数

据，在薄膜状态或者超薄时乏善可陈。不同厚度不同金属薄膜的表面质量和光学系数都有

很大差别。

3.3 光学参数测量方法

3.3.1 测量样品制备

对于一直厚度的金属薄膜，以硅片作为基底

10

，在硅片正面分别镀上铁、钴的金属薄

膜，分别厚度为20nm和30nm。在制备金属薄膜过程中，需要测量出金属的沉淀速率，

同时需要控制镀膜时间，以产生符合要求的金属薄膜。另外，在测量过程中，由于水对太

赫兹波有强烈的吸收作用，因此应排除水分在实验过程中对数据的影响。在氮气环境下，

始终保持太赫兹波的入射方向和样品表面相垂直，将投射信号利用软禁通过计算机进行数

据采集。后续工作用数据软件进行处理。

3.3.2 测量试验样品

在测量过程中，采用光谱物理公司生产的Maitai激光器作为泵浦光源。它的中心波长

调谐到810 nm，脉宽约为100 fs，重复频率为82 MHz。实验中，为了减少空气中水分对

THZ的吸收，在光路图中黑线框起的部分加密封罩，并向罩子中冲入氮气，使罩内湿度小

于4.7 %，样品附近的温度为21℃左右，系统动态范围在5000以上。实验时样品置于PMZ

焦点处的样品架上，当THZ通过样品时便会携带样品的信息，通过数据处理就可以将相关

信息提取出来。

实验数据采集得到后，并使用Origin 7.0将所采集到的实验数据进行处理，得到样品

的时域谱，通过傅立叶变换得到频域谱。透射得到的信号包含了样品的振幅和相位信息，

并得到了样品在太赫兹波段的透射率和折射率。透射率和折射率是使Ori91n 7.o软件将数

12

据处理得到的。样品的太赫兹波吸收系数则是使用Matlab7软件处理得到的。

3.4 几种常用的具体算法

在使用太赫兹波对金属材料进行探测分析时，需注意到材料的厚度。对于不同的材料

厚度，由于金属材料对于太赫兹波的吸收穿透特性明显不同，因而要区分对待。计算方法

主要分为四类

11

：厚样品、可区分回波但不考虑多次反射波的；能准确出厚度且能分出回

波个数的；无法准确获得厚度数据，能分辨出回回波数量的；不知厚度且不能清晰分辨回

波数量。

对于较厚的样品，不考虑样品中多次反射的影响，则测得的样品的参考太赫兹脉冲信

号和经过样品后的太赫兹脉冲信号频谱可以分别表示成：

̃

(

ω

)

=A

(

ω

)

t

12

p

2

t

23

R

̃

(

ω

)

=A

(

ω

)

t

1s

p

s

t

s3

S

(12)

(13)

A

(

ω

)

是系统函数，为恒定值。则有：

̃

(ω)S

̃

(ω)R

s1223

̃

s

−n

̃

2

)

ωd/c−j

(

n

=

n

e

̃(ñ+ñ)(ñ+ñ)

212s3

̃(ñ+ñ)(ñ+ñ)

n

(14)

在真空中，ñ

1

=ñ

2

=ñ

3

=1 ,当样品对太赫兹脉冲的吸收很小时，即ks<

从而：

k

s

(

ω

)

=ln(

ρ

(

ω

)(

n

s

(

ω

)

+1

)

2

)

ωd

s

̃

(ω)S

̃

(ω)R

=ρ(ω)e

−jϕ(ω)

(15)

4n(ω)c

(16)

a

s

(

ω

)

=

2kω

c

(17)

可以得到样品的折射率、消光系数、吸收系数，进而可以得到样品的所有光学性质，

如介电常数和复折射率等。相关机算可以用数学软件直接完成。

对于很薄的样品的近似，由于薄膜样品吸收非常弱，很多情况下，可以将吸收忽略掉。

12

由于样品和对比材料的电场相差不大，求出的振幅变化往往被噪声所淹没。同时两者是

两次扫描的到的数据，因此对于系统的稳定性要求很高。而另一方面，由于未向的变化非

13

常小，如果太赫兹时域系统的参数不高的话，也不能够精确的测量出n、k值的。而使用太

赫兹的反射谱，在布儒斯特角附近，由于位相反转, 位相变化很大,可以用拟合的方法解出

这些光学参数。 当然,在用透射谱的情况下, 可以使用差分时域光谱法。

3.5 实验结果和讨论

在保持实验湿度为4%以下，排除水蒸气的影响

13

之后，对实验所得数据进行处理，可

以得到以下数据。如图3所示，（a）和（b）分别是铁和钴薄膜在氮气环境下的太赫兹波

透射率谱。由以上结果可知，金属薄膜对于太赫兹波的透射率很低，而且不同金属薄膜的

透射率各不相同。并看到相同厚度的铁金属膜，透射率要高于钴薄膜。透射率在频率为

0.3THz时出现了极小值，在频率大于0.3THz是，样品的透射率随着太赫兹波的频率增加

呈现出现增加后降低的变法趋势，在频率为1.0

THz左右出现了透射率的极大值。样品的

透射率随着金属薄膜厚度增加而出现明显减小，同种金属薄膜，20nm的透射率几乎是

30nm的二倍。

图 3 氮气环境下铁和钴的太赫兹波透射谱

14

图4是样品的THZ波吸收系数图，从图中可以看到，金属薄膜对太赫兹波有很强的吸

收，数量级在10

5

。对于相同厚度的薄膜样品，Fe的吸收系数要小Co的，在频率为0.3THz

左右时出现吸收系数的极大值，在频率大于 0.3THz以后，样品的吸收系数随THz波频率

的增加先减小后增大，在频率为 1THZ左右出现吸收系数极小值。样品的吸收系数随样品

厚度的增加而降低，这是由于较厚的金属薄膜对太赫兹波有比较强的反射造成的。

图 4 氮气环境下铁和钴的吸收系数谱

从图5中可以看到，Fe和Co两种金属薄膜对太赫兹波的折射率随其频率的增加先变

强后变弱，在频率为 0.5 THz左右出现折射率的极小值，在频率为 1.0 THz左右时折射率

最大。而且两样品的折射率随样品厚度的增加而明显减小，也就是金属薄膜样品厚度为

30nm的折射率要小于20nm的。

图 5 氮气环境下铁和钴的太赫兹折射率谱

15

3.6 总结

本文分析了使用太赫兹波检测金属薄膜不同厚度下透射率、吸收率、折射率等光学参

数的原理和方法。并给出了提取不同介质样品的方法，以及它们可能在太赫兹光谱分析中

的应用领域。有关太赫兹材料特性的研究是很复杂的系统工作，仍有很多工作需要进行努

力。

16

第四章 全文总结

金属薄膜在太赫兹频率范围内的光学参数的确定，在采用薄膜敏感材料制造的光学设

备的探测器起其他诸多领域，作为基础性的理论工作和实验支持，有着重要的作用。本文

概述了太赫兹波的特性，及太赫兹波技术在生产生活等领域的应用。介绍了太赫兹时域光

谱系统的性能，使用太赫兹时域光谱系统检测金属材料光学参数的原理和方法，并对数据

进行了分析，并得出了一系列的结论。

太赫兹波的生技术可以大体分为窄频带连续太赫兹波产生技术和宽频带脉冲太赫兹

波产生技术，而太赫兹探测技术分为脉冲太赫兹波探测技术和外插法连续太赫兹波探测技

术。常见的太赫兹波时域光谱系统根据光路图的不同，可以分为透射型系统和反射型系统

两大类，在探测金属薄膜的光学参数的过程中，对于超薄金属薄膜，由于薄膜尺寸较小，

对太赫兹波的吸收作用并不明显，所以很多情况下采用了透射型的太赫兹时域系统。

对比不同金属薄膜材料，探测它们的折射率、消光系数和介电常数，可以得到不同材

料的光学特性的区别。而这些资料，将对之后在太赫兹波段材料研究应用等方向具有重要

意义。

17

致谢

大学时光很快度过，在郑州大学的四年求学生涯中，我有幸能够接触到不仅传授我知

识，教会我分析问题解决问题，而且从更高角度指导我的人生价值追求的良师益友。他们

让我更加坚定的向前走，也为我留下了不可磨灭的大学回忆。感谢郑州大学物理工程学院

四年以来的培养教育，这里，真诚地向我尊敬的老师和母校表达诚挚的谢意！

本文是在马凤英老师的指导下完成的，衷心感谢马老师在大学期间特别是在论文写作

期间的指导。非常感谢马老师教会了我在进行一项研究工作时所应注意的事项，从选题，

到论文初稿，一直到最终的收尾，对我完成毕业论文起到了十分重要的作用。本论文的最

终完成，离不开马老师的悉心指导，在此，我表示对她由衷的感谢！

感谢大学四年来所有教过我的老师们，他们教会了我必备的知识，也培养了我学习过

程中必备的功底，感谢他们在我学习中提供的帮助。

要感谢同我在同一寝室的兄弟们，在我进行毕业论文时得到了他们在生活和论文写作

上的支持有有益的建议，感谢他们在大学四年来对我从未改变的友好和支持。

18

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