太赫兹波段水的介电常数的测量-论文.pdf

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1、太赫兹波段水的介电常数的测量俞硕刘小明(1．中国原子能科学研究院核技术应用研究所计量与测控研究室，北京102413；2．北京邮电大学电子工程学院，北京100876)摘要介电常数是研究电磁问题的一个核心参数。由于水经常作为参考样品来测量其他样品介电常数的校准测量而显得尤为重要。在太赫兹波段，水的介电常数的测量是一个有难度的问题。随着太赫兹时域光谱仪的出现，水的介电常数的测量成为可能。利用太赫兹时域光谱仪测量水的介电常数的步骤为：测量空气时透射率；测量水的透射率，通过透射系数计算水的介电常数。测量结果与理论模型吻合较好，表明时域光谱技术可用于水及相似液体的介电常数测量。关键词介电常数；水；太

2、赫兹；时域光谱仪doi：10．3969／j．issn．1000—0771．2014．06．05(TerahertzTimeDomainSpectroscopy)的出现，水的0引言介电常数的测量成为可能。太赫兹时域光谱仪介电常数表征的是材料能使电场通过的能力，采用的是光导天线技术，利用激光在光导天线中激它是各种应用的核心参数之一。为了准确地描述发出光导电流，从而产生有效、可控的太赫兹波。介电质的介电特性，就要对其介电常数进行严格准本文重点介绍了利用太赫兹时域光谱仪测量确地测量。目前主要有平行板电容器法、末端开口水的介电常数的方法。这种测量方法可以作为其同轴线法、传输线法、自由空间测量法。在

3、对参数他材料在太赫兹波段的介电常数测量的一般性进行测量的实际工作中，通常可分为直接测量法和方法。间接测量法¨J。而介电常数的测量方法无一例外1水的介电常数模型的是间接测量法。也就是通过测量电参量而反推出材料的介电常数。比如，平行板电容器可以通过介电常数主要有离子作用，去极化作用，晶格测量电容和损耗角来计算出介电常数；末端开口同作用，电子极化作用产生，如图1所示。实际上，每轴线法通过测量反射系数来测量介电常数；传输线一种机制都有各自的作用范围。对于水，其主要的测量技术测量的是传输系数和反射系数；而谐振测极化机制有本身的电偶极子在交变场中的去极化量技术测量的谐振频率点的Q值。现象(有的文献中

4、也称为弛豫现象)，以及电子极化由于水经常作为参考样品来测量其他样品介现象。由于水的电偶极子不能完全跟随交变场的电常数的校准测量而显得尤为重要_4j。水的测量变化，会产生电磁能的损耗，这部分损耗反映在介在低频到毫米波波段都有相应的测量手段。比如电常数的虚部上。因此，介电常数可以用下式在微波段可以采用末端开口同轴线法，毫米波波段表示：可以采用准光测量技术。但在太赫兹波段(Tera．()=占。[：()一归：()](1)heazwave)，水的介电常数的测量是一个有难度的式中，是角频率，以表示介电常数是与频率有关问题。其中一个原因是传输线法要求的同轴线尺的；是真空的介电常数；：表示相对介电常数的

5、寸过小，尚无标准化的同轴传输线出现。而准光技实部；表示相对介电常数的虚部。术的喇叭馈源又难以加工。在太赫兹波段，以前由关于水的相对介电常数，特别是在太赫兹波于太赫兹源比较难以实现，所以水的介电常数的测段，Liebe采用了以下模型，引入了另外两个谐振项，量也就相应地滞后。但随着太赫兹时域光谱仪以及一个修正项来描述j。让量蕉Q：鱼·17·示。蓝宝石激光经分束器后分为物光和参考光。物光照射在光导天线上，在光导天线上产生受激电8子空穴对。电子空穴对在偏置电压的基础上产生电流，从而辐射出太赫兹波。太赫兹波经过离轴抛物镜后照射到被测样品，再经过离轴抛物镜聚焦到太赫兹探测模块。另外一路光，参考光经过时

6、延模块后照射到太赫兹探测模块。1O。101O1010(Hz)微波波段太赫兹可见光及紫外图1不同频率下的主要极化机制占，：=—————+十—————一+十，∞+十(2z)1+3L13L图2太赫兹时域光谱仪的示意图l2式中各量值的意义如下：相对静介电常数s为：r=77．66—103．3·0一偏置式中，为摄氏温度；为与温度有关的中间参量。高频介电常数占为：◆光参=，3．52+7．52·0(4)(a)(b)中间变量为：图3太赫兹时域光谱仪的光导天线部分(a)1=0．0671·(5)和太赫兹波接收部分(b)两个谐振频点和为：』=20·20+46·4。+36·02GH(6)太赫兹时域光谱仪的光导天线

7、部分和太赫兹【2=39．81GHz波接收部分如图3所示。实际上，光导天线部分和修正项R为：接收部分的工作原理相似。不同的是，在探测的过A1A1程中，太赫兹波的作用相当于偏置电压，而测量电一+．流信号与太赫兹波的强度成正比。A2A2(7)2．2测量步骤一一一3Y{、一．在实际测量过程中，样品放置在太赫兹时域光式中参数为：谱仪的样品腔中。样品腔有一个充氮气口以去掉fl=25·03，：5·THz，3=4·46T(8)样品腔中的水分。样品腔