Экспериментальная установка

Методические материалы

к экспериментальному практикуму

 

 

Санкт-Петербург

2012

СОДЕРЖАНИЕ

 Лабораторная работа №1 Терагерцовый фотометр TP-1 и исследование материалов и веществ для медицины, систем безопасности, таможни и экологии……………………………………………………………………….…..3

Лабораторная работа №2 Терагерцовый спектрометр и проведение спектральных исследований объектов для медицины и систем безопасности. 7

Лабораторная работа №3 Терагерцовый рефлектометр и измерение спектров отражения от объектов для медицины и систем безопасности. 12

Приложение №1……………………………………………………………14

Терагерцовый фотометр TP-1 и исследование материалов и веществ для медицины, систем безопасности, таможни и экологии

 

 

Цель работы: изучить принципы работы терагерцового фотометра TP-1 и исследовать с его помощью предложенных образцов.

 

Объект исследования: терагерцовый фотометр TP-1.

 

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями терагерцового фотометра TP-1.

2. Измерить с помощью фотометра пропускание образцов в области 0,1 ÷ 2 ТГц и показать практическое использование данного устройства.

 

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

 

Генерация фотопроводящими антеннами

 

Одним из первых был реализован метод генерации фотопроводящей антенной при облучении фемтосекундными импульсами. Эффект генерации электромагнитного излучения поверхностью полупроводника, которая и является фотопроводящей антенной, при возбуждении его сверхкороткими фемтосекундными импульсами объясняется динамикой образования фотоносителей – электронно-дырочных пар и их сверхбыстрым движением в приложенном или приповерхностном электрическом поле. Согласно уравнениям Максвелла, возникающий при этом ток J(t) вызывает генерацию электромагнитного импульса E(t) ~ ¶J/¶t, обычно в виде одного колебания со спектром, определяемым Фурье- преобразованием его временной формы. Таким образом, поверхность полупроводника работает как динамическая фотопроводящая антенна, излучающая импульсы широкополосного электромагнитного излучения длительностью в сотни фемтосекунд. Центральная частота генерации в фотополупроводниках, как правило, находится в районе 1 ÷ 2 ТГц. В качестве генераторов терагерцового излучения широко используются полупроводниковые кристаллы GaAs, InP и InAs. Для увеличения эффективности терагерцового излучения образцы кристаллов помещаются в сильные электрические или магнитные поля. Следует отметить, что, согласно модели, интенсивность терагерцового излучения пропорциональна временным производным от концентрации электронно-дырочных пар и их скорости движения в электрическом или магнитном поле, которая определяется подвижностью носителей заряда. Одним из наиболее высоких значений подвижности электронов ~ 3×10⁴ см²/В×с обладают нелегированные кристаллы арсенида индия InAs, и именно на них достигнута в настоящее время наибольшая эффективность преобразования.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

Излучение фемтосекундного эрбиевого волоконного лазера (см. рис. 1-2) фокусируется линзой на поверхность полупроводника InAs, помещенного в центр магнитной системы. Генерируемое терагерцовое излучение коллимируется параболическим зеркалом, селектируется от излучения накачки фильтром и фокусируется на вход детектора ТГц излучения, который представляет собой опто-акустический приемник (ОАП, ячейка Голея). Исследуемый образец располагается на 2-х координатном столике с шагом перемещения 100 мкм и помещается перед входом ОАП. Для увеличения отношения сигнал/шум используется синхронный усилитель с оптико-механическим модулятором. Обработка сигнала производится на компьютере с использованием специальных программ.

 

 

Рис. 1. Блок-схема терагерцового фотометра ТP-1: З1, З2 – зеркала, Л – линза, ОММ – механический модулятор, М – магнит, ПЗ1, ПЗ2 – параболические зеркала, Ф – фильтр, ОАП – оптико-акустический приемник, СУ – синхронный усилитель, PC – компьютер

 

 

Рис.2. Внешний вид терагерцового фотометра TP-1