Kramers-Kronig关系

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Kramers-Kronig关系的研究与发展

Kramers-Kronig关系的研究与发展
Abstract: The Kramers-Kronig( KK for short) relationship is a special case of Hilbert transformation,which describes the mathematical connection of square integrable function with causality between its real and imaginary parts. In this paper,the history,mathematics and physics essence of KK relationship are introduced. Its concrete form,meaning and application in electricity,magnetics,acoustics,optics,artificial medium and optical communication are presented,including its reflection and transmission functions,electric susceptibility, dielectric constant,refractive index,electrical conductivity,electrical impedance,magnetic permeability,atomic scattering factor,adiabatic compression coefficient,acoustic refractive index,single band time domain signal,space stealth medium and various nonlinear media and so on. The influence of truncation error on the

基于Kramers-Kronig关系对薄膜材料光学特征的数值反演

基于Kramers-Kronig关系对薄膜材料光学特征的数值反演
p a e r fe tvt ft efl i e sta .6 a d i v rg eai e e o s0.8 . we e .a bg er r h s e ci i o m sls h n 09 。 n t a e a e r lt r ri 0 3 1 Ho v r i ro l y h i s v e it b t e e x e m e tl n te x ss ewe n t e p r h i n a a d h K — i v re d t o te x i c o o f ce t Th iv rin K n e sd aa f h e tn t n c e f in . i i e n e so
( . p r n fP y i ,X a y n e c e olg , a y n 1 0 0 C ia 1De at t h s s in a g T a h rsC l e Xin a g 7 2 0 , hn me o c e 2 S h o fS i c , i i nv r t ,X n 7 0 7 , hn ) . c o lo ce e X da U ies y ia 1 0 1C i a n n i
b s d o a e s Kr n g r l to s a e n Kr m r - o i e a i n
WA n - n, hnsn, IYn — X A igj g NG Mi j wU Z e — L i l , I NG N n -n gu e ge i
p ls rfm r u r al n esd uig te KrmesKr ng ( K)rlt n n ti p p r I e r oy t l wee n me cl iv re s h a r — o i K- e i i y n eai si hs a e . n n a o

【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用

【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用

°
°
取向效应:石墨的ELNES
取向效应:石墨的 EXELFS
取向效应:ALCHEMI(改变s)
•Substitutional/interstitutional impurity identification
•Atom row selectivity
S<0
S>0
取向效应: ALCHEMI(改变g)氮化镓的极性
求出相应的实部 Re(
1 ) ,得到材料的复介电常数 ( E , )
Re(
1 1 ) i Im( ) ( E , ) ( E , ) ( E , ) r ( E , ) i i ( E , ) 1 1 2 [Re( )] [Im( )]2 ( E , ) ( E , )
近边精细结构:八面体结构
近边精细结构:八面体结构和四面体结构
近边精细结构:过渡族金属L23
近边精细结构:氧化铜的L23
近边精细结构:确定锰元素的价态
Photodiode Counts (a.u.)
Mn-L3
4
MnCO3 MnO
Mn-L2
Intensity ratio L3/L2
3
Mn3O4 Mn2O3 MnO2
EELS的背底扣除:窗口位置的影响
EELS的背底扣除: 指数定律失效
低能损失谱的应用:损失函数
等离子散射可以看作是多体散射问题,根据电磁场理论介质的 损失函数可以推导出了二阶微分散射截面的表达形式:
d 2 ( E, ) 1 1 dEd a m v 2 n ( 2 2 ) Im[ ] in 0 0 a E
l 1
S-like Ef
3p

介电弛豫17070125102356

介电弛豫17070125102356

了反映这个情况,引入两个与频率有关的介
电常数:
1()E D01
D0 E0
cos)(
2()D E02
D0 E0
sin()
并有:
tan() 2() 1()
因1和2与频率有关,所以相角也与频率 有关。当频率趋近于零时,极化不出现滞 后,这时相角=0。
1() 0
'r'()2P 0'r(')r() 2'2d'
式中积分前的字母P表示积分时取Cauchy 积分主值,即积分路径绕开奇点= ’。
上式表明,如果在足够宽的频率范围内已 知r’,则可以计算出r”,反之亦然。 频率范围足够宽的含义就是在该范围以外,
r’ 和r” 无明显的色散现象。 前边的统一式子表明,不同系统的特性表 现在衰减函数(x)上。
Dynamic dielectric constant, real and imaginary part, dielectric loss
Frequency spectrum of dielectric constant, Kramers-Kronig relation
Debye relaxation, damped resonantor relaxation.
介电性质
极化机制(3) 有效场计算(Lorenz) 介电常数(Clausius-Mossotti)
定性(OK), 定量(?) 各向异性介质+对称性(点群)介电常
数张量(独立数目) 动态介电常数:弛豫+损耗,德拜弛豫和
阻尼谐振子弛豫
对上边两个式子作傅里叶变换,可得到衰 减函数为
(x)2
0'r(')r()

电化学交流阻抗测量原理

电化学交流阻抗测量原理
等效电路可分成多个部分,然后进行串/并联连接。 每个部分等效电路可实现所有阻抗元件的串/并联连接 等效拟合时选取数据点方式:自动选点、手动选点。 等效电路拟合后可查看每个元件的频率响应分布图。
等效电路频谱图的频率坐标可任意设置。
EIS、IMVS、IMPS对比
EIS、IMPS、IMVS原理
WE
Cdl
Ru
Ref
电化学工作站原理图
四电极连接示意图
二电极连接示意图
三电极连接示意图
四电极连接示意图
电化学交流阻抗谱图解析
根据测量得到的EIS谱图,确定等效电路。 根据已建立的等效电路,设置各个元件的参数值。 应用等效电路拟合软件,自动调整各个元件的参数值, 使得等效电路的EIS谱图与测量的EIS谱图逐渐逼 近,直到满足拟合软件所控制的误差条件 为止。 可用拟合软件查看在频率坐标范围内的拟合误差分 布图、各个元件的影响频谱图、预测阻抗等效 电路在更低频率或更高频率范围内的变化趋势。
电化学交流阻抗测量原理
阻抗基本定义:
对于一个稳定的线性系统M,如果以一个角频率为ω的正弦波电信 号 X(电压或电流)输入该系统,相应的从该系统输出一个角频 率为ω 的正弦波电信号Y(电流或电压), 此时 线性系统的频响 函数 G=Y/X就是阻抗或导纳。
X
M
Y
G=Y/X
欧姆定律:E(电压)= I(电流)× Z(阻抗)
ZHIT转换:
将相位对频率变化的曲线经过ZHIT转换后 得到阻抗模值随频率的变化曲线。 K-K转换(Kramers-Kronig): 交流阻抗谱图实部和虚部的关系。
电极/溶液界面的等效电路
未补偿的溶液电阻(Ru) Ru = L/(σA); σ--为电导率,A--电极面积 L--为工作电极与参比电极之间的距离 双电层电容(Cdl): 电极和溶液界面 之间的电容

色散模式拟合问题.

色散模式拟合问题.

k ( E ) A ( E E g ) /( E 2 BE C )
式中,n() 为无穷大能量时介质的折射率(电子跃迁的贡献), E 为带
g
隙能量,A、B、C为正常数。Forouhi-Bloomer模型适用于非晶半导体材 料的分析。
EMA有效介质模型
• 有效介质模型应用于两种或两种以上的不同组份合成的混合介质体系, 在拟合时,有效介质模型通常用于薄膜的粗糙表面和过渡层分析。 • 对两种材料组成的复合材料,其介电系数的统一公式为:
• 相对总公式,取 c ,即材料1,2性质相同并相互接触作用,每种材 料与基体介质材料也相互接触作用。复合后其介电系数的关系为:
(1 p)
L1 (1 L)
1
p
L 2 (1 L)
2
0
方程的解为:

1 (b 4 L(1 L)1 2 b 2 ) 2(1 L)
m
式中,A 为第j个振子的振幅,E 为相应振子的特征能量, 为由弛豫引 起的相应振子的线宽参数(与振子的阻力有关)。该模型适用于晶态非 导体材料,通常只需3个振子就可以描述材料的介电常关系
• Kramers-Kronig关系是由复变函数 的性质得 到的普遍规律,对于复折射率,也可以用Kramers-Kronig变换的频率积 分将吸收系数和折射率联系起来,即对实部(虚部)在整个光谱范围内 的积分得到虚部(实部)。其表达式为:
n A
B

2

C

4
k e
(12400 ( ))
1 1
是吸收带边 是振幅, 是指数, 式中,
Sellmeier模型
• 很多光学材料的折射率由Sellmeier公式来描述,其表达式为

mathematica里计算kramers-kronig_关系

mathematica里计算kramers-kronig_关系

mathematica里计算kramers-kronig 关系1. 引言1.1 概述引言部分将介绍本篇长文的主题和内容。

本文旨在研究Mathematica中计算Kramers-Kronig关系的方法,并探讨其在实际应用中的意义和作用。

Kramers-Kronig关系是一种重要的数学关系,它描述了连续函数之间的相互关系,尤其在频域与时间域之间的转换上具有广泛应用。

通过利用Mathematica 软件进行计算,我们可以更加准确和高效地获得Kramers-Kronig关系,从而为实验结果提供更深入的分析。

1.2 文章结构本文将按照以下结构展开论述:- 第一部分将对Kramers-Kronig关系进行介绍,解释其原理和数学表达式;- 第二部分将重点介绍Mathematica软件及其在计算Kramers-Kronig关系中的应用方法;- 第三部分将通过实例分析和讨论来验证Mathematica方法在计算Kramers-Kronig关系时的有效性和准确性;- 最后一部分总结全文并提出存在问题与改进方向。

1.3 目的本文旨在提供一个详细而清晰的指南,在使用Mathematica软件计算Kramers-Kronig关系方面给读者提供实用的方法和策略。

通过本文的阐述,读者将了解到Mathematica并能够掌握其在Kramers-Kronig关系计算中的应用技巧。

同时,通过实例分析与讨论,我们将深入研究该关系在实际问题中的应用,并进一步探索存在的问题与改进方向。

以上是"1. 引言"部分的详细内容,请逐条对照进行编写。

2. Kramers-Kronig关系:2.1 原理介绍:Kramers-Kronig关系是物理学中重要的数学关系,描述了一个实函数与其傅里叶变换之间的关系。

该关系最初由荷兰物理学家汉斯·克拉默斯(Hans Kramers) 和瑞典物理学家兰德尔·彭罗斯(Ralph Kronig) 在1927年独立提出。

kramers-kronig关系中折射率和色散

kramers-kronig关系中折射率和色散

Kramers-Kronig关系是物理学中一个非常重要的概念,它描述了介质的折射率与色散之间的关系。

这一关系的提出和发展对于我们深入理解光学和物质特性起到了至关重要的作用。

在本文中,我将从简单到复杂、由浅入深地探讨Kramers-Kronig关系的基本原理和具体应用,帮助您更全面、深入地理解这一概念。

1. 折射率和色散的基本概念在谈到Kramers-Kronig关系之前,我们首先需要了解折射率和色散的基本概念。

折射率是介质对光的折射能力的度量,它决定了光在介质中传播的速度和方向。

而色散则是介质对不同波长光的折射率不同,导致光在介质中传播速度和方向随波长的变化。

这两个概念是理解Kramers-Kronig关系的基础,也是光学研究中的重要内容。

2. Kramers-Kronig关系的基本原理Kramers-Kronig关系是描述介质光学特性的一个基本定律,它建立了介质的折射率和色散之间的数学关系。

该关系告诉我们,介质的折射率和色散是一对共轭变换关系,其中折射率的实部和虚部、色散的实部和虚部之间存在一定的数学关系。

这一关系在光学研究和技术应用中具有重要的意义,能够帮助我们更好地理解介质的光学性质,提高光学设备的性能。

3. Kramers-Kronig关系的具体应用Kramers-Kronig关系不仅在理论物理中具有重要作用,也在实际应用中得到了广泛的应用。

在光学材料的设计和制备过程中,我们需要考虑介质的折射率和色散特性,而Kramers-Kronig关系提供了一个理论框架来分析和计算这些特性。

另外,在光学器件的设计和优化中,我们也可以利用Kramers-Kronig关系来指导实验和分析结果,从而提高光学器件的性能和稳定性。

4. 我对Kramers-Kronig关系的个人理解在我看来,Kramers-Kronig关系是光学研究中一个非常重要的理论工具,它帮助我们理解介质的光学特性,指导实验和应用,促进光学技术的发展和应用。

基于空间关系的kramers-kronig关系

基于空间关系的kramers-kronig关系

基于空间关系的kramers-kronig关系
Kramers-Kronig关系是一种重要的物理关系,它描述了介质中
的光学吸收和折射率之间的关系。

该关系基于光学介质中的电磁波传播,涉及到介质中的频率响应、相位延迟和空间关系。

基于空间关系的Kramers-Kronig关系,是在光学介质非均匀情况下建立的一种扩
展形式,它更为精确地描述了介质中光的传播和吸收过程。

在介质中,光的传播速度因介质折射率和电导率的影响而发生变化,因此光波的相位也会随着空间位置的变化而发生变化。

基于空间关系的Kramers-Kronig关系考虑了介质中光的相位延迟和吸收特性,它将介质的光谱特性与空间分布的折射率分布联系起来,从而提高了介质中光的传播模型的精度。

基于空间关系的Kramers-Kronig关系在光学、电子学等领域中
有着广泛的应用。

例如,在光学通信中,介质中的光传播模型是通信信号传输的核心,基于空间关系的Kramers-Kronig关系可以提高通
信系统的性能和可靠性。

此外,在光学表征、光学显微镜、激光加工等领域中,基于空间关系的Kramers-Kronig关系也发挥着重要的作用。

因此,基于空间关系的Kramers-Kronig关系不仅是一种理论工具,更是一种实践应用的关键技术。

未来,我们可以期待这一关系在更多领域中的应用和发展。

- 1 -。

kramers-kronig关系在光学中的应用

kramers-kronig关系在光学中的应用

kramers-kronig关系在光学中的应用
Kramers-Kronig关系是描述光及其它波动现象的重要数学关系。

该关系可以在某一频段内将介电常数的实部和虚部相互关联。

这种关
系对于推断光学材料的物理性质,如折射率、吸收系数等具有重要作用。

在光学中,Kramers-Kronig关系可以用于寻找光学介质中的损耗。

当光经过介质时,由于吸收和散射等过程,光的振幅会发生变化。


种变化可以用介电常数的实部和虚部来描述。

为了寻找介质中的损耗,可以测量其折射率和吸收系数,然后使用Kramers-Kronig关系将它们
联系起来。

除了用于寻找光学介质中的损耗外,Kramers-Kronig关系还可以用于光学传感器、非线性光学和光学调制器等应用中。

利用这种关系,可以使光学器件的设计更加可靠和精确。

因此,Kramers-Kronig关系
在光学中有着广泛的应用前景。

kramers–kronig定理

kramers–kronig定理

kramers–kronig定理
克拉默斯-克龙定理(Kramers–Kronig Relation)是一种实
用的物理定理,它描述了实际物理系统中特定特性之间的相互关系。

它是一种强有力的解析工具,可以用来理解物理系统中的相互作用,从而更好地解释实际物理现象。

克拉默斯-克龙定理(Kramers–Kronig Relation)是由荷兰
物理学家爱德华·克拉默斯和德国物理学家卡尔·克龙于1926
年发表的一篇论文,它主要指出了一种实际物理系统中某些特性之间的关系,这些特性包括动量,能量,波动特征等等。

克拉默斯-克龙定理(Kramers–Kronig Relation)是一种不
可绕过的法则,它指出了实际物理系统中某些特性之间的关系,比如某种物质的光学常数,它可以用来求出另一种物质的光学常数,从而解释实际物理现象。

它也可以用来解释电磁学中条件反射损耗,以及物理系统中的各种谐振效应。

它的另一个重要应用是,它可以用来提供有关物质的息,比如某种物质的电阻率,从而可以更好地控制物质的性质。

克拉默斯-克龙定理(Kramers–Kronig Relation)是一种重
要的物理定理,它可以用来解释实际物理系统中特定特性之间的关系,并可以提供有关物质性质的重要息,从而使得对物理系统的控制变得更加精确。

它也可以用来解释电磁学中条件反
射损耗,以及物理系统中的各种谐振效应。

因此,克拉默斯-克龙定理(Kramers–Kronig Relation)是物理学家们探索实际物理系统的有力工具。

极化弛豫和介电损耗

极化弛豫和介电损耗
如果交变电场的频率足够低,取向极化能 跟得上外加电场的变化,这时电介质的极 化过程与静电场作用下的极化过程没有多 大的区别。如果交变电场的频率足够高, 电介质中的极化强度就会跟不上外电场的 变化而出现滞后,从而引起介质损耗。
动态介电常数也不同于静态介电常数。所 谓介质损耗,就是在某一频率下供给介质 的电能,其中有一部分因强迫固有偶极矩 的转动而使介质变热,即一部分电能以热 的形式而消耗。可见,介质损耗可反映微 观极化的弛豫过程。
D0 E0
sin()
0
0
由此可见,当频率接近于零时,1就等于静 态介电常数。
下面证明在介质中以热的形式所消耗的能 量与2()有关。 因为电容器中的电流强度为:
d dD Id td t [ D 1s i tn ) D (2c o t)s](
其中为电容器板上的自由电荷面密度。
在单位体积内介质每单位时间所消耗的能
动态介电常数
在静电场下测得的介电常数称为静态介 电常数,在交变电场下测得的介电常数 称为动态介电常数,动态介电常数与测 量频率有关。前面主要介绍了在静电场 作用下的介电性质,下面介绍一下在交 变电场作用下的介电性质。
弛豫时间 relaxation time
因为电介质的极化强度是电子位移极化、 离子位移极化和固有偶极矩取向极化三种 极化机制的贡献。当电介质开始受静电场 作用时,要经过一段时间后,极化强度才 能达到相应的数值,这个现象称为极化弛 豫,所经过的这段时间称为弛豫时间。
因为介质损耗与电场强度的频率、温度以及 极化机制等都有关系,是一个比较复杂的问 题。介质损耗大的材料,做成元件质量也差, 有时甚至不能使用。所以介质损耗的大小, 是判断材料性能的重要参数之一。
注意:在某一频率范围的介质损耗小,并不 等于在所有频率范围内的介质损耗都小。

克拉默斯克朗尼希关系

克拉默斯克朗尼希关系

克拉默斯克朗尼希关系克拉默斯克朗尼希关系(Cramér-Kronig relations)是量子力学和光学领域中一组重要的数学关系,描述了介质的光学性质与其频谱特性之间的关系。

这一关系最早由吕尔特·克拉默斯克朗尼希和罗伯特·克拉默斯克尼希在20世纪20年代提出,并被广泛应用于光学谱学、材料科学以及信号处理等领域。

1. 克拉默斯克朗尼希关系的基本原理克拉默斯克朗尼希关系是由两个基本关系组成:光学分析和光散射。

光学分析描述了介质的吸收和折射特性,而光散射则涉及介质对入射光的散射反应。

克拉默斯克朗尼希关系将这两个关系联系起来,并给出了介质响应函数之间的关系。

2. 光谱函数和光散射函数的定义在克拉默斯克朗尼希关系中,我们首先定义光谱函数和光散射函数。

光谱函数是介质吸收和折射特性的频谱表示,通常用实部和虚部描述。

光散射函数则表示介质对入射光的反射和散射现象,同样具有实部和虚部。

3. 克拉默斯克朗尼希关系的表达式基于以上定义,克拉默斯克朗尼希关系可以表示为一组积分方程。

这些积分方程将光谱函数与光散射函数联系起来,提供了一种从实部到虚部的相互转换的方式。

4. 经典克拉默斯克朗尼希关系和量子力学中的应用经典克拉默斯克朗尼希关系适用于描述经典光学情况下的介质响应。

它提供了一种重要的方法来推导介质的折射率与吸收率之间的关系,以及介质在不同频率下的反射和透射特性。

在量子力学中,克拉默斯克朗尼希关系被广泛用于描述量子态的谱学特性。

这些关系在量子光学和量子场论中具有重要意义,可以用于研究光的吸收、发射和散射现象。

5. 克拉默斯克朗尼希关系在材料科学中的应用克拉默斯克朗尼希关系在材料科学中也有广泛的应用。

通过对材料的光谱特性进行分析,可以揭示材料的结构、能带结构以及电子态密度等信息。

这些信息对于研究材料的光学、电学和磁学性质非常重要。

总结:克拉默斯克朗尼希关系是描述介质光学性质与频谱特性之间关系的一组数学方程。

Kramers-Kronig Relations

Kramers-Kronig Relations

(6.15)
Relations between n(ω ) and κ(ω ), i.e., between the real and imaginary parts of n ˜ (ω ) can be deduced from the relations Im{χ(ω )} = ε2 (ω ) = 2n(ω )κ(ω ) Re{χ(ω )} = ε1 (ω ) − 1 = n2 (ω ) − κ2 (ω ) − 1 . (6.16)
124
6 Kramers–Kronig Relations
Equation (6.1) then transforms into 1 P (r , t) = ε0
+∞ +∞
χ (r − r , t − t ) E (r , t ) dt dr .
−∞ −∞
(6.2)
The response function χ is said to be non-local, i.e., the polarization at r also depends on the electric field at other places r . In other words, a polarisation created at one place r by the electric field at this place contributes at a later time to the polarisation at another place r . The finite propagation time is known as retardation. This is just the phenomenon of spatial dispersion, as becomes clear by inspecting the models of Fig. 4.1 or of Sect. 5.2. The integral (6.1),(6.2) is a convolution both in space and in time. It simplifies to a product under Fourier transformation (see [98B1,98D1] of Chap. 2) that is one dimensional in time and three dimensional in space. Executing this Fourier transform we obtain 1 P (k, ω ) = χ (k, ω) E (k, ω) . ε0 (6.3)

Kramers-Kronig关系

Kramers-Kronig关系

D(t ) E(t ')D (t t ')dt'

t
(5.13)
6
D (t t ') D (t t ') with
The relation between p and D is the following:
D (t t ')
1 4

1 S (t t ')
P(t) E1 ( t t1 t ) ( t t1 )
(5.9)
An arbitrary time dependence of E can be approximated by splitting it up in a number of block functions E=Ei for ti - t < t ti. The effect of one of these block functions is given by (5.9). Since the effects of all block functions may again be superimposed, we have:
Pin (t) E(t)( 1) / 4
(5.17)
where is the dielectric constant of induced polarization. We can rewrite (5.12) in the following way:
3
For a linear dielectric this response will be proportional to E1-E2, so that the total polarization is given by:

基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型

基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型

基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型牟媛;吴振森;张耿;高艳卿;阳志强【摘要】提出了一种基于测量反射率谱、使用Kramers-Kronig(KK)关系建立金属太赫兹色散模型的方法.结合合金铝和合金铜4—40 THz的测量反射率谱,通过反射系数振幅和相位的KK关系,采用高频端指数外推,低频端常数外推的方法,反演金属复折射率.以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为准则,使用遗传优化算法,拟合了合金铝和合金铜的Drude色散参数(等离子频率和碰撞频率).基于优化的Drude模型计算了0.1—40 THz材料的复折射率,与椭偏仪的实测结果符合,验证了模型的准确性.该方法理论与实验相互验证,以测量的复折射率作为实验定标,将远红外频段的色散信息拓展到太赫兹频域,确定了太赫兹频段金属的微观物理参数,提供了太赫兹频段色散和散射机理的研究依据.%The extraction of terahertz dispersion parameters is confined in a limited region due to the limitation of the existing THz techniques. A method of studying the dispersion model of metals from the measurements of reflection spectrum and analysis of Kramers-Kronig (KK) relation is proposed. The reflection spectrum is measured by Vertex 80V Fourier transform spectrometer. In order to eliminate the signal noise of measured reflection spectrum, the measured spectrum is smoothed by Drude estimation. Using the smoothed reflection spectra of copper (Cu) alloy and aluminum (Al) alloy in a range of 4–40 THz, the complex refractivities are inversed based on the KK relation of amplitude and phase of reflective coefficient. The constant extrapolations at lower frequencies and the exponential extrapolation at higher frequencies are adopted in the KKintegration. The exponential extrapolation index is adjusted according to the calibrating complex refractivity measured from far-infrared ellipsometer. According to the inversed complex refractivity, the plasma frequency and damping frequency in Drude model are optimized using the genetic algorithm. The objective function is defined asthe error between the fitted complex refractivity and KK inversion. Since the optimal plasma frequency and damping frequency are different for different fitting frequencies, the obtained Drude parameters are averaged in order to reduce the influences of errors from KK inversion, measured reflection spectrum and calibrations. The complex refractivity indexes in a range from 15 THz to 40 THz, calculated by the established Drude model, are in good agreement with the measured calibrations from ellipsometer, which demonstrates the accuracy of the established Drude dispersion model. The reflection spectra below 4 THz are greatly distorted due to the signal noise, and the calibrating refractivity is located in the far infrared region, thus the complex refractivity is inversed in a region of 4–40 THz by KK algorithm. The complex refractivity indexes in a range of 0.1–20 THz, obtained by the proposed scheme, are for the vacancy, which will provide great support for the dispersion analysis in the whole terahertz gap. The procedures are helpful for extrapolating the dispersion information to terahertz band from the far infrared region. The scheme takes the advantage of the spectrometer and ellipsometer, and it requires high experimental precisions of reflection spectrum and calibrating refractivity. In addition, the scheme is adaptive to both metals and nonmetals by applying properdispersion model which depends on the property of the reflection spectrum. The established model determines the microscopic dispersion parameters of material, which provides great support for the investigation of terahertz dispersion analysis, scattering mechanisms and imaging processes.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)012【总页数】11页(P13-23)【关键词】太赫兹;远红外;Drude模型;Kramers-Kronig;关系【作者】牟媛;吴振森;张耿;高艳卿;阳志强【作者单位】西安电子科技大学物理与光电工程学院, 信息感知技术协同创新中心, 西安 710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院, 信息感知技术协同创新中心, 西安 710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院, 信息感知技术协同创新中心, 西安 710071;中国科学院上海技术物理研究所, 红外物理国家重点实验室, 上海200083;西安工业大学光电工程学院, 西安 710021【正文语种】中文提出了一种基于测量反射率谱、使用Kramers-Kronig(KK)关系建立金属太赫兹色散模型的方法.结合合金铝和合金铜4—40 THz的测量反射率谱,通过反射系数振幅和相位的KK关系,采用高频端指数外推,低频端常数外推的方法,反演金属复折射率.以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为准则,使用遗传优化算法,拟合了合金铝和合金铜的Drude色散参数(等离子频率和碰撞频率).基于优化的Drude模型计算了0.1—40 THz材料的复折射率,与椭偏仪的实测结果符合,验证了模型的准确性.该方法理论与实验相互验证,以测量的复折射率作为实验定标,将远红外频段的色散信息拓展到太赫兹频域,确定了太赫兹频段金属的微观物理参数,提供了太赫兹频段色散和散射机理的研究依据.材料的色散特性,如介电参数、磁导率、表面阻抗等是用来表征固体宏观光学性质的物理量,也是目标散射特性、通信及天线系统设计的重要基础[1,2].对于不同材料,如金属、绝缘体和半导体等,在不同频段内影响其介电性质的物理机制有所不同,但主要受三个物理过程约束:电子跃迁、晶格振动和自由载流子效应[3].常见的理论研究材料光学常数的模型为Lorentz电介质吸收模型和Drude金属吸收模型[4,5].在远红外频段,Drude模型适合于贵金属[6,7]、半导体[8,9]的介电参数研究,由于材料的微观色散参数如碰撞频率恰好位于太赫兹至远红外频段,因此太赫兹/远红外频段材料的色散特性引起了广泛的研究.Spitzer等[10,11]通过测量材料的透反射率谱,结合经典介电模型,研究了远红外频段石英晶体、铁电氧化材料BaTiO3,SrTiO3,TiO2等物质的色散关系.美国海军研究实验室在液氦环境中测量了InSb,InAs,GaSb,GaAs以及室温下InP和AlSb材料的反射率,使用Lorentz振子模型数值拟合了其反射率特性[12].Willis等[13,14]根据时域有限差分法,系统蒙特卡罗法和分子动力学法等算法,验证了Drude模型对于硅材料的适用性.Lucyszyn[15]证明了Drude经典模型可用来描述室温下常见金属的电损耗特性,为30 GHz—12 THz的计算机辅助设计测量仿真系统提供了材料色散特性的信息.但是,单一的Drude模型无法准确描述材料的带间传输特性,也无法在整个波谱内解释材料的色散特性,因而在太赫兹频段,需要采用不同的测量手段建立色散模型.Ordal等[16]根据非谐振腔实验测量了不同金属的吸收谱,结合吸收系数和折射率实部的Kramers-Kronig(KK)关系,反演了金属在亚毫米波频段的光学常数.Silfsten等[17]基于THz光谱仪测量了多孔材料的透射率谱,利用KK关系反演了0.5—2.0 THz的复折射率.目前,较为成熟的太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术[18]和太赫兹椭偏技术[19]可以获得有限频点不同材料的光学参数.但是由于太赫兹辐射技术的局限,太赫兹实验系统需要提供真空或者低温的测量环境,实验样品需要保证严格的光学蚀刻标准,对表面粗糙度、样品厚度和材料掺杂度等加工工艺要求严苛,造成了太赫兹色散常数提取实验成本高、测量频点有限和稳定性差等缺点[20].由于材料的反射光谱包含丰富的物理信息,可用来定量研究材料的微观物理参数和光学常数,同时KK关系能更好地反映材料的带间跃迁效应,因而基于KK关系建立的经典介电模型将有利于太赫兹频段材料特性的研究及样品标准的确定.文献[21]提出了基于不同合金的反射率谱,以远红外椭偏仪的测量复折射率作为实验定标,使用KK理论提取材料复折射率的方法.文献[21]以椭偏仪的测量复折射率为初值,对太赫兹频段的测量反射率谱进行了去噪平滑,获得了测量频段4—40 THz 不同金属的复折射率.然而,由于定标复折射率位于远红外频段,因而在太赫兹低频端的复折射率反演将产生较大误差.同时,若材料反射率谱存在明显的带间跃迁效应,则无法依据单一频点的定标复折射率平滑宽频段的反射率谱.本文在文献[21]的基础上,以合金铝和合金铜的测量反射率谱与修正谱误差最小为原则[22],采用经典介电模型对测量反射率谱进行平滑滤波,可准确拟合测量反射率谱的频率特性,适用于金属、介质等多种材料.但是受太赫兹光谱测量中散射损耗及信噪比的影响,单纯通过反射率谱拟合的Drude介电模型无法准确描述材料在宽频带内的色散特性.因此,结合反射率振幅和相位的KK关系,依据滤波后的修正反射率谱,数值反演了与椭偏仪测量值相符合的金属复折射率.由于KK高频端外推指数因子适应于测量反射率谱,可减少反射率谱测量误差对反演复折射率的影响,有利于准确建立材料的色散模型.文中以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为目标函数,建立遗传优化模型,分别获得了0.1—20 THz及15—40 THz频域内金属的Drude色散模型,计算结果与椭偏仪测量的复折射率高度符合.该方法为太赫兹色散实验提供了理论校对,为研究材料太赫兹色散特性和散射机理提供了计算标准.在太赫兹至远红外频段,受趋肤效应的影响,入射波只能穿透纳米级厚度的金属薄膜,而对于常见的块状金属,透射能量几乎为0,反射率谱是分析其物理性质的有效实验手段之一.金属的反射率谱包含丰富的材料色散特性,反射率谱的定量分析可精确提取材料的复折射率和微观物理参数.当入射波垂直照射金属表面,反射率R与复折射率=n+iκ的关系为其中,n为实折射率,κ为消光系数.复折射率与复介电参数=εr+iεi满足如下关系:其中,εr和εi分别为复介电参数的实部和虚部.复折射率的频率特性揭示了不同频段散射特性的微观机理,也决定了材料光谱特性的频率依赖性.在Drude近似模型中,复介电常数定义为式中,为等离子频率;其中,N为单位体积的电子数目,m为电子质量,e为电子电荷;γ0为碰撞频率;ε∞为频率无限大时的介电常数,与入射频率有关.由于在远红外至太赫兹频段,εr和εi远远大于ε∞,故而令ε∞=1,从而εr和εi分别表示为如图1所示,文献[21]采用Vertex 80V光谱仪,测量了合金铝和合金铜4—40 THz 的反射率谱.然而,受光谱仪辐射和探测技术的影响,测量的反射率谱受系统噪声影响严重,尤其在太赫兹频段,反射率谱存在明显的噪声起伏.为了减少噪声对色散参数(如以及微观物理量(如ωp和γ0)的反演误差,需要对测量的反射率谱进行去噪平滑. 文献[21]使用远红外测量复折射率作为实验初值,对测量反射率谱进行平滑去噪,然而由于不同类型的材料具有不同的光谱频率分布特性,需要根据测量光谱的频率特性来选择合适的色散模型.文献[21]以单一频点的复折射率作为初值,无法拟合不同特性的反射率谱.实验证明,金属太赫兹/远红外反射率谱满足Drude经典介电模型[15].根据(4)式,Drude模型中的等离子频率ωp和碰撞频率γ0是确定介电模型的关键参数.由于ωp和γ0无法通过实验直接获得,因而采用材料测量反射率谱来进行优化反演计算.使用遗传算法,通过确定目标函数(6)式来反演未知参数的最优解[22]:文献[16]中测量了金属Al在亚毫米波段的反射率谱,以4.0—40 THz频段为例 (如图2所示),结合遗传算法,反演最优的ωp和γ0,设定遗传参数,采用二进制的编码方法,变量的2进制位数为20,最大迭代代数为1200代,初始种群数目为80,选择概率为0.9,重组概率为0.7,目标函数(6)式于500代收敛于0,等离子频率的收敛结果为ωp=6194.49 THz,碰撞频率为γ0=41.76 THz,如图2所示.根据图2反演的最优ωp和γ0,代入(5)式中,获得Al的Drude反射率拟合谱.如图3所示,反射率拟合谱与测量谱符合.采用同样的方法,对傅里叶光谱仪测量的反射率谱进行平滑滤波.图4(a)和图4(b)为利用远红外源测量的4—20 THz铝和铜的反射率谱,图4(c)和图4(d)为利用中红外源测量的15—40 THz的反射率谱.由于中红外源信噪比较高,因而测量的反射光谱相对平滑.采用(6)式对图4中反射率测量谱进行平滑,反演的最优ωp和γ0如表1所列.将表1计算的Drude参数代入到(5)和(1)式,获得优化后的反射率谱.如图4所示,优化后的Drude反射率谱消除了测量反射率谱的噪声起伏,谱线的变化趋势与测量谱符合,为提取材料的介电参数提供了数据基础.但是基于反射率谱反演的ωp和γ0在宽频谱范围内无法精确拟合材料的复折射率.将图2中拟合的等离子频率和碰撞频率代入(5)式中,获得文献[16]中金属Al的拟合复折射率,如图5所示,实折射率n和消光系数κ的测量值(如实线所示)与拟合值(如虚线所示)具有相同的谱线趋势,但是单位频点上的拟合值与真实值之间存在一定的误差.因此根据(6)式优化获得的Drude模型虽然可以拟合金属的反射率谱特性,却无法在较宽频带内拟合材料的复折射率.因而需要引入KK关系对测量的反射率谱进行复折射率的提取.KK关系具有严格的因果性、线性和解析性,因而相比于其他测量手段,KK关系只依赖于材料的透/反射率谱,对实验设备的要求低,测量频谱宽,测量过程简单.已知材料的反射率谱R(ω),通过KK积分关系(7)式得到反射系数的相位谱信息[23]:其中,ω为圆频率,P为柯西积分主值,R表示反射率.反射率R与反射系数r满足如下关系:其中,r∗表示反射系数的共轭,r0为反射系数振幅,θ为反射系数相位.当ω′位于测量区间(ωa,ωb),即ωa< ω′< ωb时,R为测量值,当0< ω′< ωa时,采用常数外推,令R(ω′)=R(ωa);当ωb< ω′< ∞时,采用指数外推,令R(ω′)=R(ωb)(ω′/ωb)−p,p为外推指数因子.由(9)式求得材料的折射率和消光系数:指数因子p一般取决于复折射率的定标值.通常定标复折射率为单位频点或者有限区间的测量复折射率,可由THz-TDS系统、椭偏仪等实验系统测量获得.以图3中修正后的反射率谱为例,当p=0.035时,反演的复折射率与测量值高度符合(图6),验证了基于修正反射率谱反演材料复折射率的准确性.其中反演误差主要来源于反射率修正谱与测量谱的误差以及KK法自身积分所产生的误差.本文以文献[21]中的测量复折射率作为定标值,基于反射率修正谱(如图4所示),反演合金铝和合金铜的复折射率.然而由于太赫兹辐射源信噪比的局限性,测量的反射率谱存在微小的能量损耗,从而影响了基于KK法提取材料光学常数的精确性.对比图4(a)和图4(c)以及图4(b)和图4(d)中15—20 THz的反射率,对4—20 THz的修正反射率谱进行能量补偿,确保同一材料相同频段内的反射率基本符合.基于修正后的反射率谱,图7和图8使用KK法反演合金铝和合金铜的4—40 THz的复折射率.图7(a)中,p=2.5,图7(b)中,p=0.22,合金铝的反演复折射率与相同区间内椭偏仪测量值符合.图8(a)中,p=3.2,图8(b)中,p=0.4.指数参数p的差异来源于反演区间的不同以及反射率修正谱的误差.因而,调整指数因子p可减小反射率谱的测量误差对复折射率提取所造成的影响.分析(5)式可知,通过KK关系从反射率谱中提取的复折射率,可以定量分析材料的微观物理参数.根据(5)式,Drude模型的参数γ0和ωp可通过下式获得:通过已知的复折射率(复介电参数),基于遗传算法,建立目标函数ζ:其中,εr,ie代表已知的复介电参数,εr,i为拟合的复介电参数.采用遗传算法寻找最优解,当目标函数(11)惟一收敛到最小值,相应的Drude参数(ωp,γ0)即为最优拟合值. 由文献[24]可知,采用(11)式获得的拟合Drude参数(ωp,γ0)随着拟合频点的不同而不同.为了减少复介电参数测量/反演的误差对Drude参数的影响,需要对N 个拟合频点的最优(ωpi,γ0i)求平均:文献[16]和文献[6]中分别列举了金属铝和铜的远红外复折射率.其中,铝的Durde 拟合参数分别为γ0=12.72 THz,ωp=2862 THz;铜的拟合参数为γ0=2.196 THz,ωp=1788 THz.图9分别拟合了铝1.5—12 THz以及铜5.4—12 THz的复折射率,拟合Drude参数分别为γ0=13.07 THz,ωp=2885.1 THz和γ0=2.54 THz,ωp=1762.1 THz,与文献[16]和文献[6]的Drude拟合参数基本一致.由(5)式可知,由于拟合的ωp≫γ0,因而Drude拟合参数的误差对消光系数κ影响较小;同时,铜的平均碰撞频率γ0与拟合频率ω的值相当,因而铜的实折射率拟合值相较于铝的实折射率拟合存在相对明显的误差.结合椭偏仪测量的合金铝和合金铜的复折射率,分别以18.6,20.5,28.0,32.4 THz作为拟合频点,获得相应的Drude参数拟合结果,如表2所列.由于(ωp,γ0)的最优解随着拟合频点的不同而变化,因而,对优化的参数分别求平均值.其中,合金铝的平均等离子体频率ωp=4066.3 THz,平均碰撞频率γ0=7.87 THz,合金铜的平均等离子体频率ωp=3141.0 THz,平均碰撞频率γ0=7.60 THz.相应地,基于15—40 THz的反演复折射率(如图7(b)和图8(b)所示),结合(11)式,分别拟合在18.6,20.5,28.0,32.4 THz下的Drude模型参数,合金铝的平均等离子频率为3749.0 THz,与椭偏仪的拟合误差为7.8%;碰撞频率为8.93 THz,与椭偏仪的拟合误差为13.5%;合金铜的平均等离子频率为3254.0 THz,误差为3.6%,平均碰撞频率为8.14 THz,误差为7.0%,如表3所列.其中误差主要来源是椭偏仪自身复折射率的测量误差以及KK反演复折射率的误差等.分别将表2和表3中的Drude模型参数代入(5)式中,计算15—40 THz下合金铝和合金铜的复折射率,如图10所示.其中,空心圆线表示基于椭偏仪测量值拟合的Drude模型,实心圆线表示基于KK反演的复折射率拟合的Drude模型.如图10所示,两者所获得的复折射率与椭偏仪的测量值符合,且根据KK关系建立的Drude介电模型的拟合结果与椭偏仪实测值之间误差优于20%,论证了基于KK反演建立的Drude色散模型在宽频带内分析材料复折射率的准确性.表4列出了基于4—20 THz KK反演的复折射率(如图7(a)和图8(a)所示)在各个拟合频点上的Drude模型参数的平均值(简称数值结果).合金铝等离子频率的数值结果为3435.6 THz,碰撞频率的数值结果为8.0 THz.图11基于表4的Drude参数拟合了合金铝和合金铜在0.1—20 THz的复折射率,与KK反演的复折射率和椭偏仪测量的复折射率相符合.如图10和图11所示,依据KK关系反演的复折射率可以建立金属的Drude模型,拟合结果与椭偏仪实测值符合.该方法的准确性取决于反射率光谱与椭偏仪定标复折射率的测量精度,反射率谱越接近于真实值,定标复折射率精度越高,则KK反演的复折射率越精确,建立的色散模型也更加准确.因而,该方法也对太赫兹频段反射率谱的测量以及单频点复折射率测量实验的精度提出了更高的要求.本文提出一种联合傅里叶光谱仪和远红外椭偏仪建立金属太赫兹色散模型的方法.利用远红外椭偏仪测量的复折射率值为定标,结合傅里叶光谱仪测量的太赫兹/远红外反射率谱,采用反射系数幅度和相位的KK关系,调整指数外推参数,直至反演结果与椭偏仪定标复折射率符合为止.基于遗传算法,建立与椭偏仪实测复折射率和KK 反演复折射率符合良好的Drude经典色散模型.为了减少反射率测量谱的噪声对KK反演的影响,以Drude色散模型为基础,以修正反射率谱与测量谱误差最小为原则,对反射率测量谱进行平滑去噪.去噪后的反射率谱与测量谱符合,消除了噪声起伏对KK反演的影响.KK关系采用了高频端指数外推、低频端常数外推的方法,其中KK指数因子的调整可以弥补反射率谱测量产生的能量损耗,提高了KK反演的可靠性.由于在4 THz以下,反射率谱测量误差较大,且椭偏仪所获得的定标复折射率位于远红外频段,因而KK法只反演了4—40 THz的复折射率.文中结合KK反演的复折射率,拟合了0.1—20 THz频段的Drude模型,获得了太赫兹低频端的色散参数,为太赫兹色散实验和散射分析提供了理论依据.该方法以有限频段内的实验值为基础,获得了更宽频段的复折射率,实现了宽频带复折射率的测量提取.基于KK关系建立经典色散模型的关键在于精确的反射率谱和定标复折射率的测量(其中定标复折射率可以由THz-TDS系统或太赫兹椭偏技术等获得),测量精度越高,KK反演越精确,拟合的色散模型也更精确.该方法利用了现阶段THz频段复折射率测量频点有限的特点,将有限频段色散特性的研究拓展到更宽频段.由于KK关系可以更好地反映材料的带间跃迁效应,因而该方法可通过选择不同的色散模型,适应不同材料(如半导体、介质等)的色散模型拟合,为太赫兹材料散射特性和太赫兹雷达成像技术的发展提供了研究基础.[1]Li Z,Cui T J,Zhong X J,Tao Y B,Lin H 2009 IEEE Antenn.Propag.Mag.51 39[2]Piesiewicz R,Jansen C,Mittleman D,Kleine-Ostmann T,Koch M,Kürner T 2007 IEEE Trans.Antenn.Propag.55 3002[3]Chen Q 2012 M.S.Thesis(Harbin:Harbin Institute of Technology)(in Chinese)[陈琦2012硕士学位论文 (哈尔滨:哈尔滨工业大学)][4]Wang L,Zhou Q 2007 Coll.Phys.26 48(in Chinese)[王磊,周庆2007大学物理26 48][5]Su J,Sun C,Wang X Q 2013 sers 24 408(in Chinese)[苏杰,孙诚,王晓秋 2013光电子·激光 24 408][6]Ordal M A,Bell R J,Alexander Jr R W,Long L L,Querry M R 1985Appl.Opt.24 4493[7]Ordal M A,Long L L,Bell R J,Bell S E,Bell R R,Alexander Jr R W,Ward C A 1983 Appl.Opt.22 1099[8]Loewenstein E V,Smith D R,Morgan R L 1973 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is smoothed by Drude ing the smoothed re fl ection spectra of copper(Cu)alloy and aluminum(Al)alloy in a range of 4–40 THz,the complex refractivities are inversed based on the KK relation of amplitude and phase of re fl ective coefficient.The constant extrapolations at lower frequencies and the exponential extrapolation at higher frequencies are adopted in the KK integration.The exponential extrapolation index is adjusted according to the calibrating complex refractivity measured from far-infraredellipsometer.According to the inversed complex refractivity,the plasma frequency and damping frequency in Drude model are optimized using the genetic algorithm.The objective function is de fi ned as the error between the fi tted complex refractivity and KK inversion.Since the optimal plasma frequency and damping frequency are di ff erent for di ff erent fi tting frequencies,the obtained Drude parameters are averaged in order to reduce the in fl uences of errors from KK inversion,measured re fl ection spectrum and calibrations.The complex refractivity indexes in a range from 15 THz to 40 THz,calculated by the established Drude model,are in good agreement with the measured calibrations from ellipsometer,which demonstrates the accuracy of the established Drude dispersion model.The re fl ection spectra below 4 THz are greatly distorted due to the signal noise,and the calibrating refractivity is located in the far infrared region,thus the complex refractivity is inversed in a region of 4–40 THz by KK algorithm.The complex refractivity indexes in a range of 0.1–20THz,obtained by the proposed scheme,are for the vacancy,which will provide great support for the dispersion analysis in the whole terahertz gap.The procedures are helpful for extrapolating the dispersion information to terahertz band from the far infrared region.The scheme takes the advantage of the spectrometer and ellipsometer,and it requires high experimental precisions of re fl ection spectrum and calibrating refractivity.In addition,the scheme is adaptive to both metals and nonmetals by applying proper dispersion model which depends on the property of the re fl ection spectrum.The established model determinesthe microscopic dispersion parameters of material,which provides great support for the investigation of terahertz dispersion analysis,scattering mechanisms and imaging processes.。

克拉摸法则原理

克拉摸法则原理

克拉摸法则原理克拉摸法则原理(Kramers-Kronig Relations)是物理学中一个重要的基本原理,它描述了频率域和时间域之间的关系。

该原理是由荷兰物理学家亨德里克·克拉摸(Hendrik Kramers)和瑞典物理学家欧斯特·克罗尼希(Oskar Klein)在20世纪20年代提出的。

克拉摸摸法则原理是光学和谐振子模型的重要基础,可以广泛应用于光学、声学、电子学、量子力学等领域。

该原理揭示了介质的吸收和色散之间的相互关系,通过将介质的频率响应和相位响应联系起来,从而得到了一系列重要的关系式。

在克拉摸摸法则原理中,频率域和时间域之间的关系可以通过积分变换来表示。

对于一个物理系统的频率响应函数F(ω),它的虚部Im[F(ω)]和实部Re[F(ω)]之间存在着特定的积分关系。

即:Re[F(ω)] = P∫Im[F(ω')]dω'/πω' + C其中,Re[F(ω)]表示频率响应函数F(ω)的实部,Im[F(ω)]表示频率响应函数F(ω)的虚部,P表示柯西主值积分,C表示常数。

克拉摸摸法则原理的应用非常广泛。

例如,在光学领域中,通过克拉摸摸法则原理可以得到介质的折射率和吸收系数之间的关系。

在谱学分析中,克拉摸摸法则原理可以用来分析和研究物质的光谱特性。

此外,在电子学领域中,克拉摸摸法则原理可以用于分析电子器件的频率响应特性。

克拉摸摸法则原理的应用还可以拓展到其他领域。

在声学领域,它可以用来研究声波的传播和衰减规律。

在量子力学中,它可以用来描述粒子的散射过程和能级结构。

然而,克拉摸摸法则原理也存在一些限制和假设条件。

首先,它要求介质是线性、时不变、稳定的。

其次,它假设介质没有非线性效应和色散效应。

在实际应用中,这些假设条件并不总是成立,因此需要根据具体的情况进行修正和调整。

在总结上述内容时,克拉摸摸法则原理是物理学中一个重要的基本原理,它描述了频率域和时间域之间的关系。

kz低通滤波算法

kz低通滤波算法

kz低通滤波算法
1. 什么是kz低通滤波算法?
kz低通滤波算法是数字信号处理中常用的一种滤波方法,它可以在去除高频噪声的同时保留信号的主要成分。

kz中文全称为“Kramers-Kronig约束”滤波算法,是由荷兰物理学家汉斯·克莱格尔和挪威物理学家奥托·克伦尼格于20世纪20年代提出的。

2. kz低通滤波算法的原理
kz低通滤波算法的基本思想是利用克莱格-克伦尼格(K-K)反演公式,由信号的实部推导出其虚部,进而计算出信号的频域信息。

通过对信号的频域信息进行低通滤波处理,可去除高频噪声,从而得到平滑的信号。

该算法的核心步骤包括:1、计算信号的一阶和二阶导数;2、基于K-K约束公式,将实部函数映射为虚部函数;3、将实部函数和虚部函数的频域信息合并;4、对信号的频域信息进行滤波处理;5、将处理后的信号转换回时域。

3. kz低通滤波算法的应用
kz低通滤波算法被广泛应用于各种领域,包括音频处理、图像处理、生物医学信号处理等。

例如,在音频处理中,kz滤波算法可以去除录音中的杂音和脉冲噪声,从而得到更清晰、更具有可听性的音频信号;在图像处理中,kz滤波算法可以平滑图像,去除噪声和小尺度
细节,从而得到更加清晰的图像;在生物医学信号处理中,kz滤波算法可以去除信号中的伪影和噪声,提高信号的可分辨性和准确性。

4. 结语
总之,kz低通滤波算法是一种非常有效的滤波方法,可以去除信号中的高频噪声,从而得到更加平滑和准确的信号。

在数字信号处理中,kz滤波算法是非常有用的工具,应用广泛,为信号处理领域的研究和应用带来了很大的便利和效益。

分子扩散模型

分子扩散模型

分子扩散模型分子扩散模型概述分子扩散是指物质在空气或液体中由高浓度区域向低浓度区域自发移动的现象。

在工业生产、环境保护和生命科学等领域中,研究分子扩散模型是非常重要的。

本文将详细介绍分子扩散模型的相关知识。

分子扩散的基本原理分子扩散是由于物质颗粒之间的热运动而引起的。

在高浓度区域,物质颗粒互相碰撞,使得一部分颗粒向低浓度区域移动。

这种移动趋势会持续到达到平衡状态,即高浓度和低浓度之间没有更多的颗粒交换。

Fick定律Fick定律是描述分子扩散过程中物质传输速率与浓度梯度之间关系的数学公式。

Fick第一定律:物质传输速率与浓度梯度成正比,方向与浓度梯度相反。

Fick第二定律:物质传输速率随时间变化率等于物质传输速率与二次导数之积。

这两个定律可以用来解决许多分子扩散问题,如物质在半透膜中的扩散、气体在大气中的扩散等。

分子扩散模型分子扩散模型是一种数学模型,用于描述物质在不同条件下的扩散过程。

常见的分子扩散模型包括:1. Fick模型:Fick第一定律和第二定律可以用来建立物质浓度与时间、位置之间的关系。

这种模型适用于研究物质在均匀介质中的扩散过程。

2. Stefan-Boltzmann模型:该模型考虑了相变过程对分子扩散的影响,适用于研究固体和液体之间相互转化时物质传输过程。

3. Kramers-Kronig模型:该模型考虑了介质中存在多个相互作用因素对分子运动的影响。

适用于研究复杂介质中物质传输过程。

4. Monte Carlo方法:该方法通过随机抽样来计算分子运动轨迹,适用于研究非均匀介质中复杂物质传输过程。

应用1. 工业生产:分子扩散模型可以用于优化化学反应过程中物质的传输和反应速率,提高生产效率。

2. 环境保护:分子扩散模型可以用于研究大气、水体中污染物的传输和扩散规律,为环境保护提供科学依据。

3. 生命科学:分子扩散模型可以用于研究细胞膜、蛋白质等生物大分子的传输和反应过程,为药物设计和治疗提供理论支持。

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t t
(5.4)
Here (t) is called the step-response function or decay function of the polarization. For simplicity let us rewrite this expression in much convenient form:
E2
E (t) E1 ( E2 E1 )S(t t')
(5.1)
2
where S is the unit-step function:
S(t) 0 S(t)= 1 t 0 t>0
(5.2)
The time-dependent field given by (5.1) can be considered as the superposition of a static field, E2, and time-dependent field given by:
P (t ) E i (t ti t ) (t ti )
i
(5.10)
In the limit increasing the number of block functions (5.10) can be written in the integral form:
7
However, in the case of orientation polarization we can neglect the time necessary for the intermolecular motions by which the induced polarization adapts itself to the field strength. In this approximation, the induced polarization is given at any time t:
P(t) E1 ( t t1 t ) ( t t1 )
(5.9)
An arbitrary time dependence of E can be approximated by splitting it up in a number of block functions E=Ei for ti - t < t ti. The effect of one of these block functions is given by (5.9). Since the effects of all block functions may again be superimposed, we have:
4. The Kramers-Kronig relations
1
PHENOMENOLOGICAL THEORY OF LINEAR DIELECTRIC IN TIME-DEPENDENT FIELDS
2 The dielectric response functions. Superposition principle.
(5.15)
The unit step function in (5.14) implies that there is an instantaneous decrease of the function D (t-t‟), from the value D (0)=1 to a limit value given by: ( 1) (5.16) ( t t ' ) lim D
D(t ) E(t ')D (t t ')dt'

t
(5.13)
6
D (t t ') D (t t ') with
The relation between p and D is the following:
D (t t ')
1 4

1E1 S t t1 t E1 S t t1




(5.8)
The resulting polarization for t t1 can be considered as the superposition of the effects of both unit-step functions:
3
For a linear dielectric this response will be proportional to E1-E2, so that the total polarization is given by:
P(t) E2 E1 E2 t t ,
P(t) P(0) ( t ) E( 0 )( t )
At t=0 (t=t‟ in 5.4)
(5.5)
( 0 ) 1
(5.6)
In principle, both a monotonously decreasing and oscillating behavior of (t-t‟) are possible. For high values of t, P will approximate the equilibrium value of the polarization connected with the static field E2. From this it follows that
Lecture 5
1. The dielectric response functions. Superposition principle. 2. The complex dielectric permittivity. Loss factor.
3. The complex dielectric permittivity and the complex conductivity
5
(t t' ) P (t ) E (t ' ) dt' = t
t
(5.11)
= E (t ' ) (t t ' )dt'

t
p (t t ' ) p (t t ' ) where, called pulse-response function of polarization. The equation (5.11) gives the general expression for the polarization in the case of a time-dependent Maxwell field. Let us consider now the time dependence of the dielectric displacement D for a time dependent electric field E.
P 2
E(t) (E1 - E 2 ) 1 S (t t )
(5.3)
P
P 1
0
E2 E E1
0 t' t
Therefore, we find from the superposition principle that the polarization at times t t‟ due to the field given by eqn.(5.1) is the equilibrium polarization E2 for the static field E2 and the response of the field change E1-E2 (see fig. 5.1). Figure 5.1

p (t t ')
(5.14)
Taking the negative derivative of (5.14) we can get the relation between p and D :
D (t t ')
(t t ') 4 p (t t ')
( ) 0
(5.7)
4
Let us consider the case of block function. For t1-t<tt1 the field strength is equal to E1 , and for t t1-t and t> t1 it equal to zero. This block function can be considered as the superposition of two fields with unit-step time dependence:
t t '
In contrast the step-response function of the polarization cannot show,
in principle, such an instantaneous decrease, since any change of the polarization is connected with the motion of any kind of microscopic particles, that cannot be infinitely fast.
D(t) E(t) 4P(t )
(5.12)
For the linear dielectrics the dielectric displacement is a linear function of the electric field strength and the polarization, and for those dielectrics where the superposition principle holds for P, it will also hold for D. Thus, we can write for D analogously to (5.11):
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