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热释电探测器是操纵热释电效应来探测THz波的功

发布时间:2019-11-08

  中北大学学位论文12 电子激光器是发生窄波段高功率THz波的无效手艺手段。其次要工做道理为 高速电子通过一个周期构成的磁摆摇动安拆 而且正在磁摆摇动安拆两头安设腔镜使得电子辐射的电磁波正在腔内构成共振时 电子会发生受激辐射 从而发生THz波。 这些THz波源都有其特点即局限性 电子激光器和气体激光器能够发射功率较强的THz波 并能够笼盖较宽的频段 但体积较大 功耗较高。电子学的发射源也可获得较高的发射功率 且体积相对较小 但只能发射低频的电磁波。量子级联激光器能够输出10mW数量级的THz波 但需要工做正在低温的下 且只能工做正在高频段。基于超快光电子学的THz脉冲源 能够笼盖几乎整个太赫兹频段 且可正在常温下获得很高的信噪比 然而因为需要超短脉冲激光器 故成本较高 且发射功率较低。 THz波的探测THz波的探测手艺对应于其发生方式也可分为基于光学手艺、超快光电子学手艺和电子学手艺的 如图1 。因为本文的尝试部门所用的THz探测器是光电导天线因而本节中次要引见由光电导天线手艺探测THz波 其他手艺只做部门简单引见。 THz波探测手艺中北大学学位论文 13 操纵光电导天线探测THz脉冲的安拆取发射安拆十分类似 只是探测安拆的天线电极之间没有偏置电压 而是毗连了一个电流计丈量THz电场驱动的电流。THz脉冲的发生和探测是一种典型的泵浦探测体例。一束激光脉冲被分束器分成泵浦光和探测光 泵浦光用于发生THz脉冲 探测光用于探测THz脉冲。由两束激光同处于一束激光 因而探测脉冲和THz脉冲具有固定的时间关系。当两者同时映照到探测天线的电极间隙时 探测脉冲正在该区域发生瞬生载流子 使该区成为导体 而THz电场则驱动光生载流子构成电流。假设由THz脉冲周期弘远于探测脉冲激发的载流子寿命 则能够近似的认为探测脉冲激发的载流子会遭到一个恒定电场的感化 从而发生能够丈量的电流 该电流可暗示为成 EeNJ 此中N是平均的电子密度τ是探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间差 E暗示THz电场强度 由上式可知J反比于THz脉冲的电场强度E。因而改变 探测脉冲就会对THz脉冲电场进行取样并记实下THz脉冲的时域波形 。光电导天线正在做为探测器利用时其电极间隙往往只要几微米 远小于THz辐射的波长。这种天线发生的THz波正在向空间辐射时耦合效率很低。正在利用光电导天线时 往往操纵高折射率材料 制做超半球透镜来提高耦合效率。电光检测手艺是光整流的逆过程。正在电光检测中 线偏振的探测光和THz脉冲共线通过具有电光效应的晶体 THz脉冲的电场改变了晶体的折射系数 使得晶体具有双折射的性质。因而线偏振的探测光正在取THz电场发生感化后 其偏振性量变为椭圆偏振。丈量探测光的椭偏度即可获得THz脉冲的电场强度。因为THz波和探测光都是脉冲的形式 且探测光脉冲宽度源小于THz脉冲的振荡周期 改变探测脉冲和太赫兹脉冲间的时间关系就可操纵探测脉冲偏振变化获得THz脉冲的时域波形。 混频器是一种非线性的电子元件 它能够间接探测THz波 属于非相关探测 活络度较低 但更常用的使用体例是和当地振荡器相连系进行差频丈量 从而极大的提高探测活络度。它起首需要一个当地振荡 使其发生取探测信号频次附近的单一频次电磁波 为参考波。将待测信号取参考波同时通过混频器进行差频 发生一个中频波 将其通过一个特定频次的滤波器滤波后再进行放大即可获得特定频次信号。其特点为 活络中北大学学位论文 14 度很是高 但因为需要当地振荡器 故成本较高 操做复杂 且不易集成探测器阵列。 热释电探测器是操纵热释电效应来探测THz波的功率的。热释电效应是指当晶体的温度变化时 其发生电势差的现象。具有热释电性质的晶体其晶胞具有极性。热释电探测器操纵热释电晶体正在收到辐射时的温度变化从而惹起的电压变化来丈量辐射正在该晶体上的能量。热释电效应是由晶体温度变化惹起的 正在晶体温度达到均衡时 该电势差将会由体内电荷的从头分布而抵消。因而 热释电探测器不克不及探测持续的辐射 而只能探测被调制的辐射或脉冲辐射。常用的热释电晶体包罗氯化硫酸三甘氨酸 DTGS 、钛酸钡、硫酸三甘肽 TGS 辐射热计是一种量热探测器。它操纵热敏电阻正在遭到热辐射时的阻值变化来丈量辐射的强度。辐射热计能够工做正在常温工做但为了提高探测的活络度 往往使其工做正在液氦冷却的下 它是目前已被商品化的THz波段的间接探测器中活络度最高的一种。 基于光学和超快光电子学的探测器使用正在脉冲THz波的探测 其特点是不受影响具有很高的信噪比 但合用范畴较窄。量热式探测器可探测各类发射源发射的THz波 但其探测活络度较低 易受辐射的影响。混频器工做正在差频检测模式 探测活络度很是高 但其布局复杂 不单易受混频器本身的 还遭到当地振荡器的影响。 本论文次要工做本论文起首引见了THz辐射的特征及其正在爆炸物探测手艺上所存正在的劣势 并对近年来国表里操纵THz TDS手艺及FTIR手艺探测范畴的研究进展进行了细致的综述。其次 对THz的发生和探测手艺进行了归类和引见。对尝试中利用的透射型THz TDS系统的光系统及其次要工做道理和数据阐发方式进行了引见。并操纵THz TDS手艺及FTIR手艺对的THz接收光谱进行了探测 并利用小波变换对THz TDS系统所测接收光谱进行了降噪阐发。 本文操纵THz TDS系统对钝感RDX、钝感HMX、RDX、HMX、LLM105这5种单体正在0 5THz频段内的THz接收光谱进行了探测。因为尝试中样品未添加聚乙烯材料及尝试室湿度较高档问题的存正在尝试所得接收光谱正在高频部门存正在强烈的振中北大学学位论文 15 荡。因而 选用了Origin8 0软件小波变换降噪东西箱中的小波函数 对测得光谱进行降噪处置。同时 利用了FTIR光谱仪对RDX、HMX、LLM105、PETN、TNT这5种的粉末状和压片状的THz接收光谱正在10 60THz的THz接收光谱进行了探测。同时将测得的接收光谱及降噪处置光谱取其他机构所测数据进行了对比阐发。 中北大学学位论文 16 太赫兹时域光谱手艺太赫兹时域谱手艺 THz Time Domain Spectroscopy THz TDS 是20世纪80年代由AT Watson研究核心成长起来的一种相关持续探测手艺可以或许同时获得THz脉冲的振幅和相位消息 24 。因为脉冲THz手艺正在丈量光谱消息时间接丈量的是时域的电场强度 因而该项光谱手艺被称为太赫兹时域谱手艺。THz TDS手艺起首丈量参考波形即通过空间的THz脉冲的时域波形。再丈量信号波形即THz脉冲透射样品之后的时域波形。将测得的参考和透过样品的THz时域谱进行快速傅里叶变换获得响应的频域谱。通过度析和计较即可获得样品的透射率、折射率、接收系数和消光系数 用于辨别物质品种及研究其物理及化学特征。THz TDS手艺目前已被普遍使用于研究物理、化学、生物学、医学、光电子学、通信、天文学等学科及相关交叉学科 27 30 THzTDS系统 本论文尝试所用的THz TDS系统是由Coherent公司的Micra 5飞秒激光器及脉宽压缩仪、EKSPLA公司的THz TDS Kit 电脑及光中的光学元件构成的 如图2 1所示 。Micra 5飞秒激光器为锁模钛蓝宝石飞秒激光器 核心波长800nm 反复频次80MHz 脉宽100fm。起首由飞秒激光发生激光脉冲 由外腔压缩仪进行脉宽压缩后 通过衰减片将功率衰减 进入EKSPLA THz TDS Kit后由飞秒激光激发光电导天线发生THz波并对其进行探测 光电导天线所用光电导材料为砷化镓 GaAs 晶体。自相关检测仪用来检测飞秒激光的脉宽 功率计用来检测飞秒激光的功率。尝试室温度为 20 24C 湿度为 45 中北大学学位论文17 飞秒激光器 外腔压缩仪 THz TDS光及辅帮电 功率计 自相关检测仪 衰减片 THzTDS系统 EKSPLA公司的THz TDS Kit分为光部门和电部门。 EKSPLATHz TDS Kit光部门 2为EKSPLATHz TDS Kit光实物图 3为其光道理图。博牛彩票,飞秒激光通过透镜L1和L2聚束和扩束后构成曲径为4mm摆布的光束 通过半波片HWP1和偏振分光镜P1将入射光分为泵浦光和探测光。泵浦光颠末由环形回归反射器 hollow retro reflector 形成的延迟线聚焦到THz 发射器中的光电导天线和偏振分光镜用来调整进入THz 探测器的探测器泵浦功率。探测光由M5和M6反射后 颠末L4聚焦到THz 探测器中的光电导天线用来扶引光束进入THz 发射器和THz 探测器。THz波颠末L5后 被聚焦正在样品上 通过L6后平行入射到THz探测器上。 中北大学学位论文 18 延迟线 THz Emitter L5 步进电机及样品台 THz Detector L6 L4 M6 ID4 EKSPLATHz TDS Kit光实物图 EKSPLATHz TDS Kit光道理图 中北大学学位论文 19 EKSPLATHz TDS Kit电部门 THz探测器的信号颠末前置放大器再通过Lock AmplifierSR 810 Stanford Research Systems 锁相放大后输入电脑。Lock AmplifierSR 810如图2 4所示 简称为SR 810。由于THz探测器的输出信号取THz脉冲的强度成反比 通过10 20fs的间隔扫描延迟线 就得出THz波的电场时域波形。将时域波形Fourier变换之后 获得THz波的频域光谱。通过比力有样品时和没有样品时的透射谱 能够获得样品正在THz频段的透过率。 AmplifierSR 810 “SMA4stepper motor driver” 简称SMA4 用于节制延迟线和样品台的。左边的“joy stick 1”可程度挪动 用于节制延迟线的 左边的“joy stick 2”可程度挪动 使样品台向前或者向后挪动 若上下挪动joy stick 则使样品上挪动。“TMS 100 power supply” 后文简称TMS 100 用于供给THz发射器的偏置电压。“TM 15 power supply”用于供给锁相放大器前之放大器的工做电压。 SMA4 stepper motor driver TMS 100 power supply TM 15 power supply EKSPLATHz TDS Kit其他辅帮电 中北大学学位论文 20 THzTDS数据阐发方式 THz TDS手艺起首丈量参考波形即通过空间的THz脉冲的时域波形。再丈量信号波形即THz脉冲透射样品之后的时域波形。将测得的参考和透过样品的THz时域谱进行快速傅里叶变换获得参考光谱 rjreA 和信号光谱 sjseA 。正在透射光谱丈量中 样品的光谱消息能够从信号取参考光谱的比力获得 srAAdln1 此中是样品的接收系数 d为样品的厚度 n为样品的折射率 为角频次 c是实空光速 为消光系数。现实使用中 凡是拔取两个厚度分歧的同质样品别离做为参考和待测样品来避免样品概况菲涅尔损耗的影响。 光谱丈量中所利用的THz波可暗示为各个频次分量的线性叠加 此中每个频次分量又可暗示为 00 kztieAE 此中ck 是电磁波的波数 是该频次电磁波的初始相位t和z别离是时间和电磁波标的目的上的空间。正在透射光谱中 透过样品之后的THz波电场可暗示为 dnikdkdnikkztiseeEtteeAttE10211210 此中1t和2t别离暗示THz电场正在样品的两个界面处的透过率。由式2 5式可知 正在忽略菲涅耳损耗的环境下 样品对于THz波的调制 包罗振幅的衰减和相位的延迟 别离决定于复折射率的虚部和实部。样品对THz波的衰减程度能够暗示成它的接收率 。对于分歧的样品有分歧的形式 可基于样品的厚度、质量或浓度。还能够中北大学学位论文 21 进一步分为基于电场的接收率和功率的接收率。对样品的THz波接收谱丈量中样品的接收率可暗示为 mIIs ln0 此中I0是初始的THz波的功率 IS是颠末样品后的THz波的功率 m是THz波所颠末的样质量量。该接收率 是基于单元质量的接收率 2425 尝试样品制备THz时域光谱测试尝试中 我们所利用的待测样品是压片状的。制做待测样品压片时 起首用酒精和丙酮清洗所有尝试器具 再将质量约为100mg的待测样品正在研钵中研磨成平均的细小颗粒 然后用压片机进行压片 压力为35MP 将待测样品成厚度小于1mm 曲径为10mm的圆盘状 如图2 6所示 。其它课题组如首都师范大学等 正在样品制备过程中 城市添加必然量的聚乙烯 以降低其接收率 以测得其高频接收特征。为了更实正在地测得各类的THz接收谱 本课题组正在测试过程中未添加聚乙烯。

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  中北大学学位论文12 电子激光器是发生窄波段高功率THz波的无效手艺手段。其次要工做道理为 高速电子通过一个周期构成的磁摆摇动安拆 而且正在磁摆摇动安拆两头安设腔镜使得电子辐射的电磁波正在腔内构成共振时 电子会发生受激辐射 从而发生THz波。 这些THz波源都有其特点即局限性 电子激光器