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从THz时间波形中提取材料参数的方法和分析

徐新龙  
【摘要】: THz(10~(12)Hz)时域光谱技术是20世纪90年代发展起来的一种新型的光谱测量技术,它使用频率介于远红外和微波之间的相干电磁辐射脉冲作为探测源,利用电光取样或光电导取样的方法直接记录THz辐射电场的振幅时间波形,通过傅立叶变换得到测量信号振幅和相位的光谱分布,进而获得材料在THz波段的复介电常数,即色散及吸收等信息。与通常利用Kramers-Kronig关系来提取材料光学常数的方法相比,这一技术更为简单、可靠,并且具有测量精度高的优点。THz时域光谱技术的研究虽然已经走过了十几年的路程,但是商业化的光谱仪只能在光谱表征方面做一些有限的工作,而不能进行定量测定工作。 本论文在T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的模型的基础上研究了从THz时间波形中提取材料的光学常数(实折射率和消光系数)的原理、方法,并对于如何得到材料的其他物理参数进行了探讨。利用模拟的方法进行了误差分析。这些分析结果,可以用于指导物理参数测量实验和分析实验数据。实验方面,利用物理所搭建的透射型THz时域光谱系统研究了一些红外材料在THz波段的特性,分析了它们的介电性质。实验结果有助于这些材料作为红外透镜、激光窗口、集成光学器件,蓝光半导体激光器件、光探测器件、非线性光学器件、波导调制器件、THz发射器件等的研究。主要有以下方面: 一、总结分析了透射型、反射型、差分型、椭偏型THz时域光谱系统提取材料光学常数的原理、方法,利用Newton迭代的方法编程解决了实验数据处理方面的一些问题。同时对其他物理参数的提取进行了比较详尽的探讨。 二、首次利用模拟THz辐射脉冲入射到共振吸收的样品上的方法分析了厚度、角度、平移台错位、背景噪声及激光器噪声等对于光学常数测量产生的影响。具体估算出我们所用的透射型THz时域光谱系统的测量精度范围:折射率可以精确到1%而消光系数κ可以精确到5%。模拟发现,相位测量的量级基本上决定了光谱系统的抗噪声能力,因此在实验设计和样 中 文 摘 要 品制备的过程中应该充分考虑这个问题。同时发现相位测量除了在低频区 会发生2。跳变外,在共振区也可能发生2。跳变,因此在实验数据处理时 应该特别加以注意。 三、利用透射型 THz时域光谱技术,对 Znse(110)单晶在 THz波段 的色散和吸收性质进行了测量和分析。根据Drude理论获得了Znse的静 电介电常数及高频介电常数,并观察到Znse体单晶在THz波段的多声子 吸收效应。 四、利用THZ波段时域光谱测量和分析方法,第一次得到了混晶 HgCdTe、ZnCdTe在0.5习.OTHz范围内的折射率和吸收系数曲线,分析了 它们在THz波段范围内的介电性质。观察到HgCdTe在ZTA()的双声子 共振吸收,以及 ZnCdTe在 1.6THz~2.ZTHz附近由 LO(X)-LA(X)等多 声子差频效应导致的较宽的吸收带。


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