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太赫兹时域光谱

相关产品:UHF-BOXUHFLI, HF2LI, MFLI

应用描述

Schematic of THz Time Domain Spectroscopy Application

太赫兹时域光谱通过测量亚太赫兹至几十太赫兹频率范围内的复数响应表征材料性质。在此频段内,通常可以观察到各种各样的谐振现象,例如固体材料中的电子以及声子激发。

为了得到材料的复数频率响应,通常会利用超短脉冲泵浦激光的非线性过程产生一个特定频率范围的太赫兹脉冲。太赫兹脉冲会在样品中透射以及被反射。随后,太赫兹波通过基于非线性技术的电光采样或者光电导天线利用超短探测脉冲进行采集,这样就能将太赫兹波的瞬时电场记录下来。探测光与太赫兹脉冲之间的时延使得采集到的数据可以用来重构完整的太赫兹波形中电磁场的幅度以及相位。与其他超快光学技术例如泵浦-探测光谱类似的是,其时间分辨率取决于探测光脉冲的宽度而并非光电探测器或者测量电路的带宽。 这就意味着太赫兹时域光谱可以观测到一个太赫兹脉冲周期内的波形变化。

测量策略

太赫兹光场引起的探测光变化是极其微弱的。因此为了还原这个变化,需要高信噪比(SNR)、灵敏的测量电路以及大量的平均。这一过程基于探测光的调制频率,范围通常是几千赫兹至几百兆赫兹。两种典型的策略分别是:

  • 利用快速光电探测器结合boxcar平均的方法测量第占空比探测光脉冲。这种策略将测量过程限制在信号出现的部分并将噪声部分排除在外。它可以得到最高的信噪比,但是对于测量电路的要求较高。
  • 另一种策略即选择合适的光电探测器测量带宽,从而使光电探测器的响应时间接近脉冲重复的周期,并接近正弦。随后就可以用锁相放大器进行测量,这种策略可以保证高信噪比并且有效滤除所有的非调制噪声。

选择苏黎世仪器的优势

  • 使用 Zurich Instruments 的产品,上述两种策略都可以实施。事实上,在UHFLI上这两种策略可以同时使用并且直接比较。对于低重复频率并且预算有限的情况,HF2LI 或者 MFLI 是能够很好替代 UHFLI 的仪器。
  • UHF-BOX 选件的平均器只针对信号中带调制的部分 。它可以消除所有来自激光器的非调制噪声。
  • UHF-BOX 选件采集数据时没有死区时间,这样可以最大限度缩短测量时长。
  • 使用周期波形分析仪,您可以利用图形化界面中呈现的平均后的信号来确定 boxcar 的采集窗口。
  • 如果您的实验装置可以避免接收两个时域上连续的泵浦脉冲,boxcar 平均器支持背景抑制。可以用其中一个 boxcar 专门测量有效信号部分,与另一个专门测量背景噪声以及直流偏置的 boxcar 的数据进行相减。

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Publications

Song, H., Hwang, S. & Song, J.-I.

Optical frequency switching scheme for a high-speed broadband THz measurement system based on the photomixing technique

Opt. Express 25, 11767-11777 (2017)

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