实验1
更新时间:2024-01-26 21:04:01 阅读量: 教育文库 文档下载
实验一 太赫兹时域光谱系统的原理
实验一 太赫兹时域光谱系统的原理
【实验目的】
1、掌握THz时域光谱探测(TDS)的原理。
2、掌握锁相放大器、电动平移台、平衡探测器的使用方法。 3、掌握实验数据的处理方法。 【预习重点】
1、 THz时域光谱探测(TDS)的原理。
2、 锁相放大器(SR830)、电动平移台(ESP301)、平衡探测器的工作原理及使用方法。(仪器说明书可从网上直接下载,在google中分别输入SR830和ESP301即可获取) 【实验仪器】
飞秒激光器、分光镜、斩波器、透镜、偏振片、锁相放大器、反射镜、光电导天线 【实验原理】 1、实验原理
图1 THz时域光谱探测系统装置
THz辐射可以作为材料的分析和测试光源,其中THz时域光谱是一种非常有效的测试手段。典型的THz时域光谱实验系统主要有超快脉冲激光器、THz发射元件、THz探测元件和时间延迟控制系统组成,如图1所示。
飞秒激光器产生的激光脉冲串经过分光镜后被分为两束,一束激光脉冲(激发脉冲)经过时间延迟系统后入射到THz发射元件上产生THz辐射。THz发射元件可以是利用光整流效应产生THz辐射的非线性光学晶体,也可以是利用光电导机制发射THz的赫
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太赫兹波的检测及应用实验指导书
兹偶极天线。另一束作为探测脉冲和THz脉冲一同入射到THz探测器件上。由于THz波的周期通常远大于探测光的脉宽,因此探测光脉冲通过的是一个被THz电场调制的接收元件。和THz脉冲的激发方式类似,检测技术也分为两种:(1)使用电光(EO)晶体作为THz脉冲接收元件,这里利用了晶体的Pockels效应,即THz电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制;(2)使用半导体光电导赫兹天线作为THz接收元件,利用探测光在半导体上产生的光电流与THz驱动电场成正比的特性,测量THz脉冲的瞬间电场。延迟装置通过改变探测光与激发光间的光程差,使探测光在不同的时刻对THz脉冲的电场强度进行取样测量,最后获得THz脉冲电场强度的时间波形。
对THz时间波形进行傅里叶变换,就可以得到THz脉冲的频谱。分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的)THz脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数、吸收系数和载流子浓度等物理信息。THz测量技术的高信噪比和单个THz脉冲所包含的宽频带,使得THz技术能够迅速地对材料组成的微细变化作出分析和鉴定。随着信息技术的发展,目前对光电子材料响应速率的要求已经达到了GHz甚至THz的范围。THz时域光谱技术的非接触测量性质在这一方面具有独特的优势,能够对半导体和电介质薄膜及体材料的吸收率和折射率进行快速、准确的测量,得到吸收率和折射率在GHz-THz频段精确的分布。特别应该指出的是,THz脉冲的相干测量技术在获得脉冲电场振幅的同时,也直接测量了脉冲各频率分量的位相,而不需要求助于Kramers-Kronig关系来间接得出。这一特性使THz技术尤其适用于材料折射率的检测,这往往是传统的光学方法所难以测量的。
2、实验数据分析方法
太赫兹脉冲测量过程中引入的噪声主要来自于三方面:探测器的噪声、探测光携带的激光背景噪声和太赫兹脉冲自身携带的噪声(NTHz)。其中探测器的噪声和探测光的噪声构成背景噪声,用Nb表示,Nb与太赫兹电场无关;而NTHz正比于太赫兹电场E(t)。NTHz和
Nb都是时间的随机函数,它们的均值都是零,而均差分别表示为?THz和?b,它们代表了时
域太赫兹波测量的噪声水平【102】。通常将太赫兹脉冲的峰峰值与背景噪声的?b的比值定义为动态范围:
D?Ep?p?b (1)
测量时,先用遮光板挡住泵浦光,测量噪声曲线,此时的噪声只含有激光背景噪声和探测器的噪声,计算?b;然后撤去挡光板,测量太赫兹脉冲的时域波形,计算Ep-p;代入式(1)可得动态范围。
太赫兹脉冲时域波形的信噪比(SNR)是太赫兹脉冲电场的峰峰值(Ep-p)与噪声测量值的均方根(?niose)之比,表示为:
SNR?
Ep?p?niose20
(2)
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首先扫描太赫兹脉冲的时域波形,保证在主峰之前有足够长的噪声背景,取主峰之前的噪声背景的前1/4计算?niose,按照式(2)计算信噪比。
图2是间隙为50 μm的LT-GaAs天线在160 V偏置电压和90 mW的触发光能下辐射太赫兹脉冲的时域波形(上图)和遮挡泵浦光所获得的噪声曲线(下图),下图的噪声曲线只包含探测光和探测器的噪声。根据式(1)计算得到系统的动态范围为82.6 dB。计算信噪比时,要利用在太赫兹脉冲时域波形的主峰之前的噪声,为了避免探测光在ZnTe表面上的反射光的影响,在扫描太赫兹时域波形时,要在主峰前面的探测光的反射峰之前扫描足够长的波形。插图为方框中的包括太赫兹波、探测光和探测器噪声在内的噪声曲线的放大图,此时噪声的起伏要大于无泵浦光时噪声的起伏。根据式(1)计算可得,系统的信噪比为75.4 dB,比动态范围减小了7.2 dB,这是由太赫兹脉冲的噪声导致的。
图2 LT-GaAs天线的THz时域波形和无泵浦光时的噪声曲线,插图为THz波的背景噪声 【实验内容】
1、光路调节,搭建TDS系统。(如图1所示)
2、没有放样品时,扫描得到的THz电磁辐射脉冲的时间波形。
3、计算系统的信噪比、动态范围,并对其进行傅里叶变换,得到频谱。 【注意事项】
1、 激光能量较强,避免激光射入眼睛。
2、 光学元件小心放置,不用时要把原件放在安全位置,以免不小心碰倒摔坏。 3、 不要用手直接触摸光学元件的表面。
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