基于电光采样的THz-TDS中快速探测技术研究

论文摘要

THz-TDS技术是一种宽带THz脉冲的相干测量技术,能同时探测THz脉冲的振幅和相位信息,通过傅立叶变换即可得到其频谱信息。THz-TDS技术是一种最新的光谱检测手段,在很多基础研究领域有重要的应用。但是目前国内还没有基于THz-TDS技术的商业化产品,因此,研制高功率、小型化、实用性的基于THz-TDS的产品具有重要的意义。本文从THz-TDS系统的实用性出发,对系统探测部分的平衡探测单元和时间扫描单元进行优化。本文的研究内容包括:1.本文对基于ZnTe电光采样的THz-TDS系统探测部分进行了研究,介绍了THz辐射脉冲相干探测的基本原理,为自动平衡探测单元和实时采样单元的设计提供了理论依据。2.设计了基于单片机PIC18F2423的自动平衡探测（auto-balance）单元,用于取代传统的人工探测模式。自动平衡探测单元的硬件部分包括数据预处理电路和运动控制电路,运动控制电路用到的核心器件是L297/L298步进电机驱动芯片组合。3.对auto-balance单元的软件部分进行了模块化设计,包括:电机驱动子程序、A/D转换子程序和数据处理子程序。为了方便使用,设计了机械结构将本单元封装起来。4.通过实验证实:自动平衡探测单元能够正常工作,最重要的是本单元可以降低THz-TDS系统操作人员的技术门槛,有利于系统的推广。5.本文通过理论分析和实验观察相结合的方式,优化了原有时间延迟单元的机械结构,包括:对称螺旋反射镜、伺服电机的控制及两者的弹性联接,有效的改善了光点晃动的现状。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 THz-TDS发展现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 THz-TDS系统相干探测的基本原理
• 2.1 THz-TDS系统探测部分基本原理
• 2.2 电光效应及电光晶体ZnTe
• 2.2.1 电光效应
• 2.2.2 电光晶体ZnTe
• 2.3 等效时间采样原理及时间延迟单元
• 2.3.1 等效时间采样原理
• 2.3.2 时间延迟单元
• 2.4 平衡探测单元的基本原理及构成
• 2.4.1 平衡探测单元的基本原理
• 2.4.2 平衡探测单元的构成
• 2.5 本章小结
• 第三章 自动平衡探测单元的整体设计
• 3.1 控制器硬件电路设计
• 3.1.1 数据预处理电路
• 3.1.2 运动控制电路
• 3.2 软件程序设计
• 3.2.1 电机驱动子程序
• 3.2.2 A/D转换子程序
• 3.2.3 数据处理子程序
• 3.3 系统机械结构设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 时间延迟单元机械结构的优化
• 4.1 基于步进电机的时间延迟单元机械结构及采样周期计算
• 4.1.1 基于步进电机的时间延迟单元机械结构
• 4.1.2 采样周期计算
• 4.2 实时采样THz-TDS系统的时间延迟单元机械结构及采样周期计算
• 4.2.1 实时采样THz-TDS系统的时间延迟单元的机械结构
• 4.2.2 采样周期计算
• 4.3 实时采样THz-TDS系统的时间延迟单元机械结构的改进
• 4.3.1 对称螺旋反射镜
• 4.3.2 伺服电机
• 4.3.3 弹性联接
• 4.3.4 螺旋反射镜重量问题的解决
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验研究及分析
• 5.1 实验装置
• 5.2 Auto-balance单元实验
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 脉冲与电旋台转角关系实验
• 5.2.3 采样点个数确定实验
• 5.2.4 auto-balance单元的精度实验
• 5.2.5 auto-balance单元的准确性实验
• 5.2.6 误差来源分析
• 5.3 实时采样THz-TDS系统的时间延迟单元机械结构实验
• 5.3.1 实验步骤及结果
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢