RU105738U1

RU105738U1 - SMALL THERAHZ SPECTROMETER

Info

Publication number: RU105738U1
Application number: RU2011100198/28U
Authority: RU
Inventors: Олег Иосифович Потатуркин; Валерий Дмитриевич Анцыгин; Александр Анатольевич Мамрашев; Назар Александрович Николаев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2011-06-20

Abstract

1. Малогабаритный терагерцовый спектрометр, содержащий импульсный волоконный лазер, светоделительный элемент, блок генерации, блок регистрации, систему фокусировки терагерцового излучения, блок оптической линии задержки, модулятор, блок управления линией задержки, блок сканирования, блок обработки, блок хранения информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фильтр лазерного излучения, а блок генерации выполнен содержащим генерирующий элемент в виде полупроводника М1М2 и магнитной системы, выполненной хотя бы из одного постоянного магнита, формирующей магнитное поле в плоскости генерирующего элемента, а блок регистрации выполнен регистрирующим напряженность терагерцового электромагнитного поля и содержащим электрооптический кристалл, четвертьволновую пластинку, поляризационный элемент, фотоприемники, дифференциальный усилитель и синхронный детектор. ! 2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что модулятор выполнен акустооптическим. ! 3. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что модулятор выполнен механическим. ! 4. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что элемент М1 полупроводника М1М2 выполнен в виде элемента группы III таблицы Менделеева, а элемент М2 выполнен в виде элемента группы V таблицы Менделеева. ! 5. Спектрометр по п.4, отличающийся тем, что при длине волны источника импульсного излучения 775 нм элемент группы III таблицы Менделеева выполнен в виде ln, а элемент группы V таблицы Менделеева выполнен в виде As. ! 6. Спектрометр по п.4, отличающийся тем, что при длине волны источника импульсного излучения 1550 нм элемент группы III таблицы Менделеева выполнен в виде ln, а элемент группы V таблицы Менде� 1. A small terahertz spectrometer containing a pulsed fiber laser, a beam splitter, a generation unit, a registration unit, a terahertz radiation focusing system, an optical delay line unit, a modulator, a delay line control unit, a scanning unit, a processing unit, an information storage unit, characterized in that it additionally contains a laser radiation filter, and the generation unit is made containing a generating element in the form of a semiconductor M1M2 and a magnetic system made of at least one toyannogo magnet forming a magnetic field in the plane of the generating element, and the registration unit is configured by registering the intensity of the terahertz electromagnetic field, and comprising an electro-optic crystal quarter-wave plate, polarization element, photodetectors, differential amplifier and a synchronous detector. ! 2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the modulator is made acousto-optical. ! 3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the modulator is mechanical. ! 4. The spectrometer according to claim 1, characterized in that element M1 of the semiconductor M1M2 is made in the form of an element of group III of the periodic table, and element M2 is made in the form of an element of group V of the periodic table. ! 5. The spectrometer according to claim 4, characterized in that at a wavelength of a pulsed radiation source of 775 nm, an element of group III of the periodic table is made in the form of ln, and an element of group V of the periodic table is made in the form of As. ! 6. The spectrometer according to claim 4, characterized in that at a wavelength of a pulsed radiation source of 1550 nm, an element of group III of the periodic table is made in the form of ln, and an element of group V of the periodic table

Description

Полезная модель относится к устройствам терагерцовой спектроскопии, а именно к спектрометрам с разрешением во времени. Отличительной чертой подобных приборов является регистрация отклика исследуемой среды или материала на импульсное воздействие электромагнитного излучения длительностью порядка единиц пикосекунд. Спектр функции отклика вычисляется путем применения к ней преобразования Фурье.The utility model relates to terahertz spectroscopy devices, namely, time-resolved spectrometers. A distinctive feature of such devices is the recording of the response of the test medium or material to the pulsed effect of electromagnetic radiation lasting about a few picoseconds. The spectrum of the response function is calculated by applying the Fourier transform to it.

Терагерцовые спектрометры известны и выпускаются различными компаниями. Они предназначены для исследования свойств веществ и материалов в терагерцовой области электромагнитного спектра. Для исследования как прозрачных, так и сильно поглощающих материалов необходимо, чтобы спектрометр обладал достаточным динамическим диапазоном и отношением сигнал/шум. Кроме того, существуют специфические задачи, для которых требуется спектрометр с большой мощностью генерируемого терагерцового излучения. Для использования спектрометра специалистами разного профиля непосредственно на их рабочих местах необходимо уменьшение габаритов устройства.Terahertz spectrometers are known and produced by various companies. They are designed to study the properties of substances and materials in the terahertz region of the electromagnetic spectrum. To study both transparent and highly absorbing materials, it is necessary that the spectrometer has a sufficient dynamic range and signal-to-noise ratio. In addition, there are specific tasks for which a spectrometer with a high power of generated terahertz radiation is required. To use the spectrometer by specialists of various profiles directly at their workplaces, it is necessary to reduce the dimensions of the device.

Известно техническое решение, используемое в аппаратно-программных комплексах TPS spectra 3000 компании «TeraView», Великобритания (http://www.teraview.com/terahertz/id/17). Комплекс TPS spectra 3000 представляет собой многофункциональную систему терагерцовой спектроскопии. Система содержит дополнительные модули, которые позволяют проводить различные типы исследований, как например, исследование образца при температурах от 2,3 К до 550 К и терагерцовая визуализация. Рабочий спектральный диапазон TPS spectra 3000 лежит в пределах от 0,06 до 4 ТГц.Known technical solution used in the hardware and software systems TPS spectra 3000 company "TeraView", UK (http://www.teraview.com/terahertz/id/17). The TPS spectra 3000 complex is a multifunctional terahertz spectroscopy system. The system contains additional modules that allow various types of studies, such as examining a sample at temperatures from 2.3 K to 550 K and terahertz imaging. The operating spectral range of the TPS spectra 3000 lies in the range from 0.06 to 4 THz.

Недостатком известного комплекса являются большие габариты, так как в качестве источника фемтосекундного импульсного излучения используется титан-саппфировый лазер.A disadvantage of the known complex is its large dimensions, since a titanium-sapphire laser is used as a source of femtosecond pulsed radiation.

Известно техническое решение, используемое в устройствах Т-ray 2000 и Т-ray 4000 компании «Picometrix», США (http://www.picometrix.com/pico_products/terahertz.asp). Устройство Т-ray 2000 представляет собой модульную систему, состоящую из генератора терагерцового излучения, приемника терагерцового излучения, управляющего модуля и компьютера с программным обеспечением. Модули соединены между собой силовыми сигнальными кабелями. Также модули генератор и приемник имеют разъем для соединения с оптоволоконным фемтосекундным лазером, который не входит в состав. Система имеет небольшие размеры и умещается на лабораторном столе. Устройство работает в полосе от 0,02 до 3,0 ТГц. Устройство Т-ray 4000 представляет собой более компактный по сравнению с Т-ray 2000 терагерцовый спектрометр и представляет собой корпус размером 445×495×178 мм, который подсоединяется к компьютеру со специализированным программным обеспечением. К корпусу подсоединены модули генератор и приемник терагерцового излучения посредством оптоволоконного и электрического кабеля. Система работает в полосе от 0,02 до 3,0 ТГц и его динамический диапазон достигает 70 дБ.Known technical solution used in the devices T-ray 2000 and T-ray 4000 company "Picometrix", USA (http://www.picometrix.com/pico_products/terahertz.asp). The T-ray 2000 device is a modular system consisting of a terahertz radiation generator, a terahertz radiation receiver, a control module, and a computer with software. The modules are interconnected by power signal cables. The generator and receiver modules also have a connector for connecting to a fiber-optic femtosecond laser, which is not included. The system is small and fits on a laboratory bench. The device operates in the band from 0.02 to 3.0 THz. The T-ray 4000 device is a more compact terahertz spectrometer compared to the T-ray 2000 and is a 445 × 495 × 178 mm case that connects to a computer with specialized software. The generator and the terahertz radiation receiver modules are connected to the housing via fiber optic and electric cables. The system operates in the band from 0.02 to 3.0 THz and its dynamic range reaches 70 dB.

Известно техническое решение, используемое в аппаратно-программных комплексах Tera K8 и Tera K15 компании «Menlo Systems», Германия (http://www.menlosystems.com/home/products.html?cat=10). Обе системы размещаются на лабораторном столе и состоят из следующих модулей: импульсный волоконный лазер, управляющий модуль, компьютер с обслуживающим программным обеспечением и оптический модуль. Комплекс Tera K8 представляет собой терагерцовый спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера с длиной волны излучения 780 нм. Tera K8 работает в полосе от 0,1 до 3 ТГц. Комплекс Tera K15 представляет собой терагерцовый спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера с длиной волны излучения 1560 нм. Tera K15 работает в полосе от 0,1 до 2 ТГц. Динамический диапазон обеих систем достигает 60 дБ.Known technical solution used in the hardware and software systems Tera K8 and Tera K15 company "Menlo Systems", Germany (http://www.menlosystems.com/home/products.html?cat=10). Both systems are located on the laboratory bench and consist of the following modules: a pulsed fiber laser, a control module, a computer with utility software, and an optical module. The Tera K8 complex is a terahertz spectrometer based on a femtosecond fiber laser with a radiation wavelength of 780 nm. Tera K8 operates in the band from 0.1 to 3 THz. The Tera K15 complex is a terahertz spectrometer based on a femtosecond fiber laser with a wavelength of 1560 nm. Tera K15 operates in the band from 0.1 to 2 THz. The dynamic range of both systems reaches 60 dB.

Недостатками известных технических решений является небольшой динамический диапазон и недостаточное соотношение сигнал/шум из-за использования фотопроводящей антенны для регистрации терагерцового излучения.The disadvantages of the known technical solutions is the small dynamic range and the insufficient signal to noise ratio due to the use of a photoconductive antenna for detecting terahertz radiation.

Известно техническое решение, используемое в устройствах Z-2 и Mini-Z компании ZOmega, США (http://www.zomega-terahertz.com/products/index.html). Устройство Z-2 представляет собой терагерцовый спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера, длина волны которого определяется заказчиком. Его приблизительные размеры составляют 0,7×0,5×0,3 м. В комплект также входит обслуживающее программное обеспечение. Спектрометр работает в полосе от 0,1 до 3,5 ТГц, его динамический диапазон достигает 70 дБ. Устройство Mini-Z представляет собой терагерцовый спектрометр с небольшими габаритами 267×159×70 мм для использования с волоконным лазером (в комплект не входит). Спектрометр работает в полосе частот от 0,1 до 4,0 ТГц, его динамический диапазон достигает 70 дБ. Устройства Mini-Z и Z-2 отличает использование электрооптической схемы регистрации терагерцового излучения, которая позволяет уменьшить влияние лазерных шумов, и тем самым увеличить динамический диапазон и отношение сигнал/шум.Known technical solution used in the devices Z-2 and Mini-Z company ZOmega, USA (http://www.zomega-terahertz.com/products/index.html). The Z-2 device is a terahertz spectrometer based on a femtosecond fiber laser, the wavelength of which is determined by the customer. Its approximate dimensions are 0.7 × 0.5 × 0.3 m. The service software is also included. The spectrometer operates in the band from 0.1 to 3.5 THz; its dynamic range reaches 70 dB. The Mini-Z device is a terahertz spectrometer with small dimensions of 267 × 159 × 70 mm for use with a fiber laser (not included). The spectrometer operates in the frequency range from 0.1 to 4.0 THz; its dynamic range reaches 70 dB. The Mini-Z and Z-2 devices are distinguished by the use of an electro-optical terahertz registration scheme, which allows to reduce the influence of laser noise, and thereby increase the dynamic range and signal-to-noise ratio.

Недостатком всех вышеперечисленных технических решений является ограниченность максимальной мощности терагерцового излучения. Для его генерации используется возбуждение лазерными импульсами фотопроводящих антенн, которые представляет собой напыленные на поверхность полупроводника электроды, к которым приложено высокое напряжение. Мощность терагерцового излучения пропорциональна мощности лазерного излучения, неограниченное увеличение которого невозможно, так как превышение определенного предела приводит к пробою антенны и ее разрушению. Кроме того, высокая стоимость и сложность производства генераторов увеличивает стоимость конечного устройства и его обслуживания.The disadvantage of all of the above technical solutions is the limited maximum power of terahertz radiation. For its generation, laser excitation of photoconductive antennas is used, which are electrodes deposited on the surface of a semiconductor to which a high voltage is applied. The power of terahertz radiation is proportional to the power of laser radiation, an unlimited increase of which is impossible, since exceeding a certain limit leads to the breakdown of the antenna and its destruction. In addition, the high cost and complexity of the production of generators increases the cost of the final device and its maintenance.

Известно устройство, представляющее собой аппаратно-программный комплекс, включающий: источник импульсного излучения волоконный лазер, светоделительный элемент, блок генерации, блок регистрации, систему фокусировки терагерцового излучения, блок оптической линии задержки, модулятор, блок управления линией задержки, блок сканирования, блок обработки, блок хранения информации (патент США US 7551269, приоритет 2009-05-03, МПК G01J 1100, G02F 101 «Apparatus and method for obtaining information related to terahertz waves») выбранное в качестве прототипа.A device is known, which is a hardware-software complex, including: a pulsed radiation source, a fiber laser, a beam splitter, a generation unit, a registration unit, a terahertz radiation focusing system, an optical delay line unit, a modulator, a delay line control unit, a scanning unit, a processing unit, the information storage unit (US patent US 7551269, priority 2009-05-03, IPC G01J 1100, G02F 101 "Apparatus and method for obtaining information related to terahertz waves") selected as a prototype.

Недостатком данного устройства является то, что блок генерации выполнен с использованием фотопроводящей антенны или кристалла DAST. Фотопроводящая антенна - это сложное и дорогое в производстве устройство. Режим работы антенны не позволяет значительно увеличить мощность импульсного излучения волоконного лазера для увеличения мощности терагерцового, так как это приведет к электрическому пробою и выходу антенны из строя. Кристалл DAST лишен этих недостатков, но имеет неравномерный спектр генерации терагерцового излучения из-за собственного поглощения в терагерцовом диапазоне частот. Кроме того, недостатком данного устройства является то, что регистрация терагерцового излучения осуществляется с помощью фотопроводящей антенны, что ухудшает отношение сигнал/шум и динамический диапазон спектрометра.The disadvantage of this device is that the generation unit is made using a photoconductive antenna or DAST crystal. A photoconductive antenna is a complex and expensive device to manufacture. The antenna operating mode does not significantly increase the power of pulsed radiation of a fiber laser to increase the terahertz power, as this will lead to electrical breakdown and failure of the antenna. The DAST crystal is devoid of these disadvantages, but has an uneven spectrum of terahertz radiation generation due to intrinsic absorption in the terahertz frequency range. In addition, the disadvantage of this device is that the registration of terahertz radiation is carried out using a photoconductive antenna, which affects the signal-to-noise ratio and the dynamic range of the spectrometer.

Перед авторами ставилась задача разработать малогабаритный терагерцовый спектрометр, обладающий высокой мощностью терагерцового излучения, позволяющий исследовать свойства материала в терагерцовом диапазоне.The authors were tasked with developing a small-sized terahertz spectrometer with a high terahertz radiation power, which allows one to study material properties in the terahertz range.

Поставленная задача решается тем, что малогабаритный терагерцовый спектрометр, содержащий импульсный волоконный лазер, светоделительный элемент, блок генерации, блок регистрации, систему фокусировки терагерцового излучения, блок оптической линии задержки, модулятор, блок управления линией задержки, блок сканирования, блок обработки, блок хранения информации, дополнительно содержит фильтр лазерного излучения, а блок генерации выполнен содержащим генерирующий элемент в виде полупроводника М1М2 и магнитной системы, выполненной хотя бы из одного постоянного магнита, формирующей магнитное поле в плоскости генерирующего элемента, а блок регистрации выполнен регистрирующим напряженность терагерцового электромагнитного поля и содержащим электрооптический кристалл, четвертьволновую пластинку, поляризационный элемент, фотоприемники, дифференциальный усилитель и синхронный детектор, причем модулятор выполнен акустооптическим или механическим. Элемент М1 полупроводника М1М2 выполнен в виде элемента группы III таблицы Менделеева, а элемент М2 выполнен в виде элемента группы V таблицы Менделеева, причем при длине волны источника импульсного излучения 775 нм элемент группы III таблицы Менделеева выполнен в виде ln, а элемент группы V таблицы Менделеева выполнен в виде As, а при длине волны источника импульсного излучения 1550 нм элемент группы III таблицы Менделеева выполнен в виде ln, а элемент группы V таблицы Менделеева выполнен в виде Sb. Так же электрооптический кристалл выполнен в виде кристалла теллурида цинка (ZnTe) при длине волны источника импульсного излучения 775 нм, а при длине волны источника импульсного излучения 1550 нм электрооптический кристалл выполнен в виде кристалла арсенида галлия (GaAs). Кроме того, в блоке регистрации поляризационный элемент выполнен в виде призмы Волластона, а фотоприемники выполнены в виде кремниевых (Si) фотодиодов при длине волны источника импульсного излучения 775 нм и при длине волны источника импульсного излучения 1550 нм фотоприемники выполнены в виде германиевых (Ge) фотодиодов. Так же магнитная система в блоке генерации выполнена в виде двух плоских постоянных магнитов в форме параллелепипеда, лежащих гранями большей площади на пластине из материала с высокой магнитной проницаемостью, с зазором между гранями малой площади не более 100 микрон, при этом векторы намагниченности каждого из магнитов перпендикулярны плоскости генерирующего элемента и противоположно направлены.The problem is solved in that a small terahertz spectrometer containing a pulsed fiber laser, a beam splitter, a generation unit, a registration unit, a terahertz radiation focusing system, an optical delay line unit, a modulator, a delay line control unit, a scanning unit, a processing unit, an information storage unit , further comprises a laser radiation filter, and the generation unit is made containing a generating element in the form of a semiconductor M1M2 and a magnetic system made at least of a permanent magnet forming a magnetic field in the plane of the generating element, and the registration unit is configured by registering the intensity of the terahertz electromagnetic field, and comprising an electro-optic crystal quarter-wave plate, polarization element, photodetectors, differential amplifier and the synchronous detector, wherein the acousto-optic modulator is formed or mechanically. The element M1 of the semiconductor M1M2 is made in the form of an element of group III of the periodic table, and the element M2 is made in the form of an element of group V of the periodic table, and at a wavelength of the pulse source of 775 nm, the element of group III of the periodic table is made in ln, and the element of group V of the periodic table made in the form of As, and at a wavelength of the source of pulsed radiation of 1550 nm, an element of group III of the periodic table is made in the form of ln, and an element of group V of the periodic table is made in the form of Sb. Also, the electro-optical crystal is made in the form of a zinc telluride (ZnTe) crystal at a wavelength of the pulsed radiation source of 775 nm, and at a wavelength of the pulsed radiation source of 1550 nm, the electro-optical crystal is made in the form of a gallium arsenide crystal (GaAs). In addition, in the recording unit, the polarization element is made in the form of a Wollaston prism, and the photodetectors are made in the form of silicon (Si) photodiodes at a wavelength of a pulse radiation source of 775 nm and at a wavelength of a pulse radiation source of 1550 nm, the photodetectors are made in the form of germanium (Ge) photodiodes . Also, the magnetic system in the generation unit is made in the form of two flat permanent magnets in the form of a parallelepiped, lying with faces of a larger area on a plate of material with high magnetic permeability, with a gap between faces of a small area of not more than 100 microns, while the magnetization vectors of each of the magnets are perpendicular plane of the generating element and oppositely directed.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в увеличении мощности и эффективности генерируемого терагерцового излучения, а также в возможности обеспечения малых габаритов.The technical effect of the proposed technical solution is to increase the power and efficiency of the generated terahertz radiation, as well as the ability to ensure small dimensions.

На фиг.1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого малогабаритного терагерцового спектрометра, где 1 - импульсный волоконный лазер, 2 - лазерное излучение, 3 - светоделительный элемент, 4 - модулятор, 5 - блок генерации, 6 - фильтр лазерного излучения, 7 - терагерцовое излучение, 8 - система фокусировки терагерцового излучения, 9, 10, 11, 12 - внеосевые параболические зеркала, 13 - образец, 14 - блок оптической линии задержки, 15 - блок регистрации, 16 - электрооптический кристалл, 17 - четвертьволновая пластинка, 18 - поляризационный элемент, 19, 20 - фотоприемники, 21 - дифференциальный усилитель, 22 - синхронный детектор, 23 - блок сканирования, 24 - блок обработки, 25 - блок хранения информации, 26 - блок управления линией задержки.Figure 1 presents a block diagram explaining the operation of the inventive small terahertz spectrometer, where 1 is a pulsed fiber laser, 2 is laser radiation, 3 is a beam splitter, 4 is a modulator, 5 is a generation unit, 6 is a laser radiation filter, 7 is terahertz radiation, 8 - terahertz radiation focusing system, 9, 10, 11, 12 - off-axis parabolic mirrors, 13 - sample, 14 - optical delay line unit, 15 - recording unit, 16 - electro-optical crystal, 17 - quarter-wave plate, 18 - polarizing element, 19, 20 - photo riemniki, 21 - differential amplifier, 22 - synchronous detector 23 - the scanning unit, 24 - a processing unit, 25 - storage unit, 26 - a delay line control unit.

На фиг.2 представлена блок-схема, поясняющая работу блока генерации заявляемого малогабаритного терагерцового спектрометра, где 2 - лазерное излучение, 7 - терагерцовое излучение, 27 - магнитная система, 28, 29 - постоянные магниты, 30 - вектор намагниченности магнита 28, 31 - вектор намагниченности магнита 29, 32 - зазор между магнитами, 33 - генерирующий элемент, 34 - пластина из материала с высокой магнитной проницаемостью.Figure 2 presents a block diagram explaining the operation of the generation unit of the inventive small terahertz spectrometer, where 2 is laser radiation, 7 is terahertz radiation, 27 is the magnetic system, 28, 29 are permanent magnets, 30 is the magnetization vector of the magnet 28, 31 is the magnetization vector of the magnet 29, 32 is the gap between the magnets, 33 is the generating element, 34 is a plate made of a material with high magnetic permeability.

Заявляемый малогабаритный терагерцовый спектрометр работает следующим образом.The inventive small terahertz spectrometer works as follows.

Импульсный волоконный лазер 1 генерирует излучение 2 либо на длинах волн 775 нм либо на длинах волн 1550 нм. Излучение разделяется на два пучка лазерного излучения светоделительным элементом 3 для генерации и регистрации импульсного терагерцового излучения. Первый пучок лазерного излучения проходит через модулятор 4, который может быть выполнен акустооптическим или механическим, и поступает в блок генерации 5. Второй пучок лазерного излучения 2 проходит через блок оптической линии задержки 14 и поступает в блок регистрации 15.A pulsed fiber laser 1 generates radiation 2 either at wavelengths of 775 nm or at wavelengths of 1550 nm. The radiation is divided into two beams of laser radiation by a beam splitting element 3 for generating and recording pulsed terahertz radiation. The first laser beam passes through a modulator 4, which can be acousto-optical or mechanical, and enters the generation unit 5. The second laser beam 2 passes through the optical delay line unit 14 and enters the registration unit 15.

В блоке генерации 5 при частичном поглощении лазерных импульсов первого пучка лазерного излучения 2 в приповерхностном слое генерирующего элемента 33 происходит излучение терагерцовых импульсов 7. Магнитная система 27, формирующая магнитное поле в плоскости генерирующего элемента 33, выполнена таким образом, чтобы увеличить эффективность генерации терагерцового излучения 7. Магнитная система 27 может быть выполнена в виде двух плоских постоянных магнитов 28, 29, в форме параллелепипеда лежащих гранями большей площади на пластине из материала с высокой магнитной проницаемостью 34, где векторы 30, 31 намагниченности плоских постоянных магнитов 28, 29 перпендикулярны плоскости поверхности генерирующего элемента 33 и противоположно направлены, чтобы таким образом формировался вектор напряженности магнитного поля в плоскости поверхности генерирующего элемента 33 перпендикулярно линии зазора 32. Причем зазор 32 между двух плоских постоянных магнитов 28, 29 сохраняется не более 100 микрон, а сама магнитная система 27 выполнена в малых размерах.In the generation unit 5, during partial absorption of the laser pulses of the first laser beam 2 in the surface layer of the generating element 33, terahertz pulses are emitted 7. The magnetic system 27, which generates a magnetic field in the plane of the generating element 33, is made in such a way as to increase the generation efficiency of terahertz radiation 7 The magnetic system 27 can be made in the form of two flat permanent magnets 28, 29, in the form of a parallelepiped lying with faces of a larger area on a plate of material with high magnetic permeability 34, where the magnetization vectors 30, 31 of the flat permanent magnets 28, 29 are perpendicular to the surface plane of the generating element 33 and oppositely directed so that a magnetic field vector is formed in the plane of the surface of the generating element 33 perpendicular to the gap line 32. Moreover, the gap 32 between two flat permanent magnets 28, 29 no more than 100 microns are stored, and the magnetic system 27 itself is made in small sizes.

При длине волны излучения импульсного волоконного лазера равной 775 нм, генерирующий элемент 33 выполнен в виде полупроводника М1М2, где М1, являясь элементом группы III таблицы Менделеева, может быть индием (ln), a M2, являясь элементом группы V таблицы Менделеева, может быть мышьяком (As). При длине волны излучения импульсного волоконного лазера равной 1550 нм, генерирующий элемент 33, выполнен в виде полупроводника М1М2, где М1, являясь элементом группы III таблицы Менделеева, может быть индием (ln), a M2, являясь элементом группы V таблицы Менделеева, может быть сурьмой (Sb).When the radiation wavelength of the pulsed fiber laser is 775 nm, the generating element 33 is made in the form of a semiconductor M1M2, where M1, being an element of group III of the periodic table, can be indium (ln), and M2, being an element of group V of the periodic table, can be arsenic (As). When the radiation wavelength of the pulsed fiber laser is 1550 nm, the generating element 33 is made in the form of a semiconductor M1M2, where M1, being an element of group III of the periodic table, can be indium (ln), and M2, being an element of group V of the periodic table, can be antimony (Sb).

Внеосевые параболические зеркала 9, 10, 11, 12 системы фокусировки 8 терагерцового излучения оптически связаны таким образом, что отражают падающее излучение под углом 90°, при этом зеркала 9 и 11 коллимируют, а зеркала 10 и 12 фокусируют терагерцовое излучение. Фокус внеосевого параболического зеркала 9 находится на поверхности генерирующего элемента 33 в точке генерации расходящегося терагерцового излучения 7. Зеркало 9 отражает терагерцовое излучение 7 и остаточное лазерное излучение 2 из блока генерации 5 в виде коллимированного пучка под углом 90° на внеосевое параболическое зеркало 10. При этом фильтр лазерного излучения 6, находящийся между внеосевыми параболическими зеркалами 9 и 10, поглощает остаточное излучение первого пучка лазерного излучения 2 и пропускает терагерцовое излучение 7. Внеосевое параболическое зеркало 10 фокусирует терагерцовое излучение 7 на образец 13, помещенный для исследования. Внеосевое параболическое зеркало 11 собирает прошедшее через образец 13 терагерцовое излучение 7 и отражает его в виде коллимированного пучка на внеосевое параболическое зеркало 12. При этом образец 13 находится в фокусе зеркал 10 и 11. Внеосевое параболическое зеркало 12 фокусирует терагерцовое излучение 7 на электрооптический кристалл 16 блока регистрации 15.Off-axis parabolic mirrors 9, 10, 11, 12 of the terahertz radiation focusing system 8 are optically coupled in such a way that they reflect incident radiation at an angle of 90 °, while mirrors 9 and 11 collimate, and mirrors 10 and 12 focus terahertz radiation. The focus of the off-axis parabolic mirror 9 is on the surface of the generating element 33 at the point of generation of the diverging terahertz radiation 7. The mirror 9 reflects the terahertz radiation 7 and the residual laser radiation 2 from the generation unit 5 in the form of a collimated beam at an angle of 90 ° to the off-axis parabolic mirror 10. the laser radiation filter 6, located between off-axis parabolic mirrors 9 and 10, absorbs the residual radiation of the first beam of laser radiation 2 and passes terahertz radiation 7. Outside sevoe parabolic mirror 10 focuses the terahertz radiation 7 onto the sample 13 placed for the study. An off-axis parabolic mirror 11 collects the terahertz radiation 7 transmitted through the sample 13 and reflects it in the form of a collimated beam onto an off-axis parabolic mirror 12. In this case, the sample 13 is in the focus of the mirrors 10 and 11. The off-axis parabolic mirror 12 focuses the terahertz radiation 7 onto the electro-optical crystal 16 of the block Registration 15.

Второй пучок лазерного излучения 2, прошедший через блок оптической линии задержки 14, приходит в ту же точку электрооптического кристалла 16, что и терагерцовое излучение 7. При этом блок оптической линии задержки 14 формирует временную задержку между вторым пучком лазерного излучения 2 и импульсами терагерцового излучения 7 посредством изменения длины оптического пути второго пучка лазерного излучения 2.The second laser beam 2 passing through the block of the optical delay line 14 arrives at the same point in the electro-optical crystal 16 as the terahertz radiation 7. In this case, the block of the optical delay line 14 forms a time delay between the second beam of laser radiation 2 and the pulses of terahertz radiation 7 by changing the optical path length of the second laser beam 2.

Блок регистрации 15 регистрирует напряженность поля терагерцового излучения 7 с помощью второго пучка лазерного излучения 2, который в электрооптическом кристалле 16 приобретает пропорциональное напряженности поля терагерцового излучения 7 эллиптическое изменение поляризации, которое преобразуется в поворот плоскости поляризации в четвертьволновой пластинке 17 таким образом, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален этому изменению. Далее, поляризационный элемент 18, который может быть выполнен в виде призмы Волластона, разделяет второй пучок лазерного излучения 2 на два пучка с ортогональными поляризациями, каждый из которых преобразуется в электрический сигнал фотоприемниками 19 и 20, таким образом, что разность интенсивностей пучков с ортогональными поляризациями пропорциональна повороту плоскости поляризации. Фотоприемники 19 и 20 осуществляют преобразование таким образом, что уровень электрического сигнала пропорционален интенсивности падающего на них излучения. Разностный сигнал с фотоприемников 19 и 20 усиливается дифференциальным усилителем 21 и детектируется на рабочей частоте модулятора 4 синхронным детектором 22 таким образом, что сигнал на выходе синхронного детектора 22 оказывается пропорционален напряженности поля терагерцового излучения 7.The registration unit 15 registers the field strength of the terahertz radiation 7 with a second laser beam 2, which in the electro-optical crystal 16 acquires an elliptical polarization change proportional to the field strength of the terahertz radiation 7, which is converted into a rotation of the plane of polarization in the quarter-wave plate 17 so that the angle of rotation of the plane polarization is proportional to this change. Further, the polarizing element 18, which can be made in the form of a Wollaston prism, divides the second laser beam 2 into two beams with orthogonal polarizations, each of which is converted into an electrical signal by photodetectors 19 and 20, so that the difference in the intensities of the beams with orthogonal polarizations proportional to the rotation of the plane of polarization. Photodetectors 19 and 20 carry out the conversion in such a way that the level of the electric signal is proportional to the intensity of the radiation incident on them. The difference signal from the photodetectors 19 and 20 is amplified by a differential amplifier 21 and detected at the operating frequency of the modulator 4 by the synchronous detector 22 in such a way that the signal at the output of the synchronous detector 22 is proportional to the field strength of the terahertz radiation 7.

Причем, при длине волны излучения импульсного волоконного лазера равной 775 нм в блоке регистрации 15 электрооптический кристалл 16 может быть выполнен в виде кристалла теллурида цинка (ZnTe), а фотоприемники 19, 20 могут быть выполнены в виде кремниевых фотодиодов. При длине волны излучения импульсного волоконного лазера равной 1550 нм в блоке регистрации 15 электрооптический кристалл 16 может быть выполнен в виде кристалла арсенида галлия (GaAs), а фотоприемники 19, 20 могут быть выполнены в виде германиевых фотодиодов.Moreover, when the radiation wavelength of the pulsed fiber laser is equal to 775 nm in the recording unit 15, the electro-optical crystal 16 can be made in the form of a zinc telluride crystal (ZnTe), and the photodetectors 19, 20 can be made in the form of silicon photodiodes. When the radiation wavelength of the pulsed fiber laser is equal to 1550 nm in the recording unit 15, the electro-optical crystal 16 can be made in the form of a gallium arsenide crystal (GaAs), and the photodetectors 19, 20 can be made in the form of germanium photodiodes.

Блок сканирования 23 управляет блоком оптической линии задержки 14 посредством блока управления линией задержки 26 и записывает зависимость выходного сигнала синхронного детектора 22 от временной задержки второго пучка лазерного излучения 2. Полученная зависимость представляет собой временную форму импульса терагерцового излучения 7. Она передается в блок обработки 24, который вычисляет ее спектр посредством дискретного преобразования Фурье. Временная форма и спектр импульса терагерцового излучения 7 записываются в блок хранения 25. Свойства образца 13 в терагерцовой области частот электромагнитного спектра определяются путем совместной обработки двух спектров импульсов терагерцового излучения 7: с установленным образцом и без него.The scanning unit 23 controls the optical delay unit 14 through the control unit for the delay line 26 and records the dependence of the output signal of the synchronous detector 22 on the time delay of the second beam of laser radiation 2. The resulting dependence is a temporary pulse shape of terahertz radiation 7. It is transmitted to the processing unit 24, which calculates its spectrum through a discrete Fourier transform. The temporal shape and spectrum of the terahertz radiation pulse 7 are recorded in the storage unit 25. The properties of sample 13 in the terahertz frequency range of the electromagnetic spectrum are determined by the joint processing of two spectra of pulses of terahertz radiation 7: with and without an installed sample.

Преимуществом заявляемого малогабаритного терагерцового спектрометра является использование блока регистрации, который позволяет значительно уменьшить влияние лазерных шумов путем их вычитания и таким образом увеличить отношение сигнал/шум. Кроме того простота и более низкая стоимость производства блока генерации позволяет снизить стоимость конечного устройства и его обслуживания.The advantage of the claimed small terahertz spectrometer is the use of a recording unit, which can significantly reduce the effect of laser noise by subtracting them and thus increase the signal-to-noise ratio. In addition, the simplicity and lower cost of production of the generation unit allows to reduce the cost of the final device and its maintenance.

Claims

1. A small terahertz spectrometer containing a pulsed fiber laser, a beam splitter, a generation unit, a registration unit, a terahertz radiation focusing system, an optical delay line unit, a modulator, a delay line control unit, a scanning unit, a processing unit, an information storage unit, characterized in that it additionally contains a laser radiation filter, and the generation unit is made containing a generating element in the form of a semiconductor M1M2 and a magnetic system made of at least one toyannogo magnet forming a magnetic field in the plane of the generating element, and the registration unit is configured by registering the intensity of the terahertz electromagnetic field, and comprising an electro-optic crystal quarter-wave plate, polarization element, photodetectors, differential amplifier and a synchronous detector.

2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the modulator is made acousto-optical.

3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the modulator is mechanical.

4. The spectrometer according to claim 1, characterized in that element M1 of the semiconductor M1M2 is made in the form of an element of group III of the periodic table, and element M2 is made in the form of an element of group V of the periodic table.

5. The spectrometer according to claim 4, characterized in that at a wavelength of a pulsed radiation source of 775 nm, an element of group III of the periodic table is made in the form of ln, and an element of group V of the periodic table is made in the form of As.

6. The spectrometer according to claim 4, characterized in that at a wavelength of a pulsed radiation source of 1550 nm, an element of group III of the periodic table is made in the form of ln, and an element of group V of the periodic table is made in the form of Sb.

7. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the electro-optical crystal is made in the form of a crystal of zinc telluride (ZnTe) at a wavelength of the source of pulsed radiation of 775 nm.

8. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the electro-optical crystal is made in the form of a gallium arsenide (GaAs) crystal at a wavelength of the pulse radiation source of 1550 nm.

9. The spectrometer according to claim 1, characterized in that in the registration unit, the polarizing element is made in the form of a Wollaston prism.

10. The spectrometer according to claim 1, characterized in that in the registration unit, the photodetectors are made in the form of silicon (Si) photodiodes at a wavelength of the pulsed radiation source of 775 nm.

11. The spectrometer according to claim 1, characterized in that in the registration unit, the photodetectors are made in the form of germanium (Ge) photodiodes at a wavelength of the source of pulsed radiation of 1550 nm.

12. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the magnetic system in the generation unit is made in the form of two flat permanent magnets in the form of a parallelepiped lying with faces of a larger area on a plate of material with high magnetic permeability, with a gap between faces of a small area of not more than 100 μm, while the magnetization vectors of each of the magnets are perpendicular to the plane of the generating element and oppositely directed.