Экспериментальная установка

Для получения спектров применён универсальный ТГц спектрометр на отражение и пропускание (рис. 1). Она позволяет зарегистрировать сигнал отражения от образца. Схема установки показана на рис. 4.

Рисунок 4 - Схема установки для регистрации сигнала, отражённого от объекта

Расшифруем то, что изображено на схеме:

FL-1 - фемтосекундный лазер на кристалле калий-иттриего вольфрамата, активированного иттербием (Yb:KYW), генерирующий фемтосекундные импульсы.

ф - фильтр из тефлона,

СД - светоделитель,

ТЛ - линзы c фокусным расстоянием 5 см,

ЛЗ - оптическая линия задержки,

З - зеркала,

ПП - ТГц-светоделитель,

М - оптико-механический модулятор,

обр - исследуемый образец,

В - призма Волластона,

ЭОК - электрооптический кадмий-теллуровый кристалл (CdTe),

БД - балансный детектор,

СУ - синхронный усилитель,

ПК - персональный компьютер,

АЦП - аналого-цифровой преобразователь,

ОАП - опто-акустический приёмник.

Широкополосное импульсное терагерцовое излучение генерируется при помощи фотопроводящей антенны (нелегированного кристалла InAs) при облучении её фемтосекундными импульсами иттербиевого лазера (длина волны - 1040 нм, длительность  - 120 фс, частота следования импульсов  - 75 МГц, мощность  - 1 Вт). ТГц-излучение обладает следующими выходными характеристиками: спектральный диапазон от 0,05 до 2 ТГц, средняя мощность - 30 мкВт, мощность импульса - 755 мкВт, длительность импульса - 2,7 пс. Основная мощность распределена в диапазоне частот от 0,12 до 1.1 ТГц.

ТГц-излучение генерируется кристаллом арсенида галлия в магнитной системе, затем проходит через фильтр из тефлона (который не пропускает излучение с длиной волны меньше 50 мкм), после чего часть излучения проходит сквозь образец, обладающий некоторым амплитудно-фазовым пропусканием, а часть отражается от образца, зафиксированного в фокальной плоскости, перпендикулярно лучу.

При одновременном попадании пробного пучка фемтосекундного излучения и пучка ТГц излучения (как отраженного от объекта исследования, так и прошедшего через объект) на электрооптический кристалл CdTe, для каждой из двух систем детектирования, ТГц импульс в кристалле будет наводить двулучепреломление пробного пучка из-за электрооптического эффекта. Величина двулучепреломления прямо пропорциональна напряженности электрического поля терагерцовой волны в данной временной точке E(t).

Каждая схема измерения двулучепреломления состояла из четвертьволновой пластины, призмы Волластона, балансного фотодетектора Nirvana и синхронного усилителя (LIA-MV-150 фирмы Femto), управляемого от оптико-механического модулятора (MC-1000A фирмы Thorlabs), помещенного на пути пучка накачки. С помощью линии задержки изменялось время пересечения терагерцового импульса и импульса пробного пучка в нелинейном кристалле. Таким образом, при измерении сигнала при различных временах задержки ТГц сигнала была получена зависимость амплитуды ТГц излучения от времени E(t).

Для увеличения соотношения сигнал / шум в схеме использовался синхронный усилитель. Отфильтрованный и усиленный сигнал передавался в компьютер посредством аналого-цифрового преобразователя (е-154 фирмы L-Card). Схема регистрации установки обеспечивала спектральное разрешение 5,5 ГГц.

Автоматизация спектрометра осуществлялась через виртуальный прибор, созданный в среде разработки LabView, управляющий задержкой и процессом измерения и позволяющий осуществлять запись временного профиля ТГц импульса.