（测试计量技术及仪器专业论文）基于电光采样的thztds中快速探测技术研究.pdf

中文摘要 t h z t d s 技术是一种宽带t h z 脉冲的相干测量技术，能同时探测t h z 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。t h z t d s 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t h z t d s 技术的商业化产品，因此，研制高功率、小型化、实用性的基 于t h z t d s 的产品具有重要的意义。本文从t h z t d s 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z n t e 电光采样的t h z t d s 系统探测部分进行了研究，介绍 了t h z 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p i cl8 f 2 4 2 3 的自动平衡探测( a u t o b a l a n c e ) 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l 2 9 7 l 2 9 8 步进电机驱动芯片组合。 3 对a u t o b a l a n c e 单元的软件部分进行了模块化设计，包括：电机驱动子程 序、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t h z t d s 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。 关键词：t h z t d s 系统相干探测p i c l8 f 2 4 2 3l 2 9 7 l 2 9 8 时间延迟 a b s t l 认c t t h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y ( t h z t d s ) i sap h a s e - c o h e r e n td e t e c t i o no f b r o a d b a n dt h zp u l s e ，w h i c hc a nd e t e c tt h ea m p l i t u d ea n dt h ep h a s eo fat h z r a d i a t i o np u l s e i t ss p e c t r u mi n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n t h z t d si st h el a t e s ts p e c t r u md e t e c t i o nm e t h o dw h i c hh a st h e i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n i nm a n ya r e a so fb a s i cr e s e a r c h b u tn o w , t h ei n s t r u m e n t a l p r o d u c t s b a s e do nt h z t d sa r en o n ei nc h i n a c o n s i d e r i n g a b o u tt h i s ，t h e d e v e l o p m e n to fh i g h p o w e r e d ，s m a l ls i z e d ，p r a c t i c a lp r o d u c t w h i c hb a s e do n t h z t d sh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sa r t i c l e ，w ei m p r o v eb o t ht h ea u t ob a l a n c e d u n i ta n dt h et i m es a m p l i n gp a r to ft h es y s t e md e t e c t i o nb a s e do nt h eu s e f u l n e s so f t h e t h z t d s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et h z t d si st h es y s t e mw h i c hw ei m p r o v eb a s e do nt h ez n t ee l e c t r o - o p t i c s a m p l i n gt e c h n i q u e t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o h e r e n td e t e c t i o nw h i c hp r o v i d et h e t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ei m p r o v e m e n t 2 i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g na na u t o b a l a n c ed e t e c t i o nu n i tw h i c hb a s e do nt h e p i c18 f 2 4 2 3t ot a k ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a lm a n u a ld e t e c t i o nm o d e t h e h a r d w a r ep a r t so ft h ea u t o b a l a n c ed e t e c t i o nu n i ta r et h e s et w op a r t s ：t h ed a t a p r e p r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h em o t i o nc o n t r o lc i r c u i t ，w h o s ec o r e d e v i c e si st h e c o m b i n a t i o no fs t e p p e rm o t o rd r i v e rc h i pl 2 9 7 l 2 9 8 3 t h es o f t w a r ep a r t ，w h i c hh a sb e e nm o d u l a rd e s i g n e d ，i n c l u d e sm o t o rd r i v e s u b r o u t i n e ，a ds u b r o u t i n ea n dd a t a p r o c e s s i n gs u b r o u t i n e i no r d e rt o u s e c o n v e n i e n t l y , am e c h a n i c a l s t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e dt op a c k a g eu pt h e a u t o b a l a n c eu n i t 4 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu n i tf u n c t i o n sw e l l t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h a t t h ea u t o - 1 c i a l a n c eu n i tc a nr e d u c et h et e c h n i c a lt h r e s h o l do ft h z t d so p e r a t o r s a n di sb e n e f i c i a lt os p r e a dt h es y s t e m 5 t h eo r i g i n a lm e c h a n i cs t r u c t u r eo ft h et i m ed e l a yu n i th a sb e e no p t i m i z e du n d e r t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t s t h eo p t i m i z a t i o ni n c l u d e sm a c h i n i n go f t h eh e l i c o i dr e f l e c t i v em i r r o r , c o n t r o lo ft h es e r v om o t o ra n dt h ef l e x i b l e c o n n e c t i o n b e t w e e nt h o s et w ow h i c hi m p r o v e s t h es t a t u so fs p o ts h a k i n g e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：t h zt i m e d o m a i n s p e c t r u ms y s t e m ，c o h e r e n td e t e c t i o n ， p i ci8 f 2 4 2 3 ，l 2 9 7 l 2 9 8 ，t i m ed e l a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工f 卜的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夫p 眵签字同期：功1 7 r 年莎月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文日刁复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 关产睁 签字日期：加听年月钎日 翮躲侈艉畏 签字日期：矽夕年莎月尹 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 太赫兹波( s l 称t h z 波、t 射线) 通常是指频率在o 1 10 t h z ( it h z = 10 1 2 h z ) 范 围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间，如图i 1 所示。t h z 波 段位于电子学与光子学的交界处，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特 殊性，从而使t h z 技术在生物医学、安全检查、工业无损检测、空间物理和天文 学、环境检测、化学分析、军事和通讯、网络通信等领域应用前景巨大【。 r a d i om i c r o w a v e t - r a y s i n f r a r e dv i s i b l eu v x - - r a y s 卜- 卜卜- - - - - - - - - 图1 1 电磁波谱 长期以来，由于缺乏切实可行的t h z 波产生方法和检测手段，人们对t h z 波 段的特性知之甚少，以至于该波段被称为电磁波谱中的“t h z 空隙”。上世纪8 0 年 代，随着飞秒激光技术的快速发展，t h z 波科学技术也得到了迅速的发展，尤其 是太赫兹时域光谱( t h z t d s ) 系统。t h z t d s 是2 0 世纪8 0 年代由a t & t 、b e l l 实验室和i b m 的t j w a t s o n 研究中心发展起来的。t h z t d s 系统是基于相干探测 技术的t h z 产生与探测系统，能够同时获得t h z 脉冲的振幅信息和相位信息1 2 】，通 过对时间波形进行傅立叶变换，能直接得到样品的吸收系数和折射率、透射率等 光学参数p j 。t h z t d s 系统有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敏度 很高，可以广泛应用于多种样品的探测，例如：利用基于t h z t d s 的t h z 时域频 谱研究t d n a 大分子的振动榭4 | ，爆炸物的吸收谱线【5 j ，气体化学识别【6 】，液体 检测1 7 】等工作；利用基于t l 赴t d s 的t h z 脉冲成像来进行半导体器件检测【8 】，生 物组织器官成像【9 】，药物检测【1 0 ，相干层析成像【l l 】等。 t h z t d s 系统的探测是基于相干探测技术，现在大多采用的是基于光电导天 线或者电光采样的方式探澳l j t l - l z f l 2 q 5 。光电导天线是最早应用于探测t 脉冲的 相干探测工具i i 圳，现在在t i - i z 光谱学中仍然广泛使用。利用这种方法可以得到高 达6 0 t h z 的宽波段t h z 澳i j 量结果，但是这种探测技术存在一种内在的h e r t z i m l 偶极 子共振特性，所探测的t l - i z 电磁辐射信号波形与所用的光导天线的共振响应函数 第一章绪论 有关以至于得不到准确和真实的t h z 电磁辐射波形。而基于线性电光效应的电 光采样是一种很好的t h z 探测技术，通过电光采样可得到包含振幅和相位的整个 t h z 电磁辐射波形信息。这种电光采样探测技术克服了光生载流子寿命的限制， 时间响应只与所用的电光晶体的非线性性质有关，所以具有更短的时间响应、较 高的探测带宽、优越的探测灵敏度和信噪比，因此得到了广泛的应用。 1 2t h z t d s 发展现状 随着t h z - t d s 的发展，t h z 这项新型科学技术被越来越多的应用于实际生 产、生活中，基于t h z - t d s 系统的商业化产品不断问世。 1 国外t h z - t d s 的研究现状 目前，产品比较成熟的国外厂家有英国的t 啪v i e w 公司，如图l 一2 所示。 圈i - 2 t e m v i e w l i d 公司的t p ss p e c t r a3 0 0 0 t p ss p e c t r a3 0 0 0 是世界上第一个商用的太赫兹光谱仪，能够进行传输和衰减 全反射( 红外) 测量。t p ss p e c t r a3 0 0 0 是基于t e r a v i e w 公司拥有的半导体产生 t h z 脉冲的专利技术研制而成具有不受外界条件限制的优越性能。此系统的光 谱范围为o 0 6 3 t h z ，可以实现快速的无损样品检测。 如图1 3 是立陶宛e k s p l a 公司的t h z t i ) s 系统。 第一章绪论 酗1 - 4 z o m e g a 公司的t h z 时域光谱仅z - 2 此系统是基于光电导天线法产生t h z 波和基于z n t e 电光采样技术探铡t h z 波 的。该系统在室温下即可操作，带宽光谱覆盖面广( ol 一3o t h z ) ，动态测量范围 宽。不论是传输和反射，其光谱分辨率都可达到5 g h z 。 2 国内t h z t d s 的研究现状 自从2 0 0 3 年国家自然科学基金委员会设立启动了经费为8 0 0 万元的重大基金 项目以来，国内掀起了t 卜i z 的研究热潮成立了一些专注于t h z 渡科学技术研究 的机构，例如首都师范大学t h z 波光电子学重点实验室、四) i i t h z 应用研究联合 课题组、天津大学t h z 研究中心等。但是，迄今为止，国内研究机构所用的t h z 波实验系统均为国外迸1 2 产品，这已成为我国发展t h z 科学技术的瓶颈。因此， 第一章绪论 发展具有我国自主知识产权的t t 4 z 波技术，实现装置的国产化和仪器化，进而在 多个领域推广应用，是我国t h z 技术发展的个重要目标。 天津大学超快辙光研究室在国内首次研制成功高功率小型化的飞秒激光器， 达到国际先进水平，且于2 0 0 5 年研制出了国内首台t h z t d s 系统样机，获得实用 新型发明专利，如图1 5 是天津大学超快激光研究宣的t h z t d s 系统样机的实物 图。 图1 - 5 实验室t h z - f d s 实物图 为了研制新一代高功率、小型化、实用性的t h z 时域光谱仪，阻下关键问题 有待解决：】能够长时间稳定运转的高功率光子晶体光纤飞秒激光器的设计， 作为实用性t h z 时域光谱仪的泵浦源。2 采用夹层波导设计理念，设计影响t h z 波发射功率的关键部件g a p 波导，增加波导的相干长度，提高t h z 辐射效率。3 利用自主研制的螺旋面实时延迟线，以及d s p 技术和小波变换技术实现t h z 信号 的实时采样、处理和显示。4 采用组件化、模块化的整体优化设计，使t f i z 时域 光谱仪整体结构紧凑小型化，且实用。 1 3 本文的主要工作 结合天津大学t h z 中心的工作现状和本专业的特点，提出了本文的主要工 作：基于电光采样的t h z - t d s 中快速探测技术研究。需要解决的关键技术包括 系统自动平衡探铡( a u t o - b a l a n c e ) 单元的实现和时间延迟单元机械结构的优化两 个方面，具体工作内容如下： 1 首先介绍了t h z t d s 系统中相干探测的基本原理，包括电光效应、等效 第一章绪论 时间采样原理、平衡探测原理，为a u t o b a l a n c e 单元和时间延迟单元的设计提供 了理论依据。然后介绍了系统探测部分的主要构成，包括：各向异性z n t e 电光 晶体、时间扫描单元和平衡探测单元。 2 a u t o b a l a n c e 单元的设计是利用p i c l8 f 2 4 2 3 单片机控制步进电机取代人工 调节模式，实现t h z t d s 系统的自动平衡探测，主要内容包括信号预处理电路 的设计、单片机控制电路的设计、基于单片机的步进电机驱动电路的设计及相应 的软件程序的编写，最后，设计简单实用的机械结构将a u t o b a l a n c e 单元封装， 实现系统的模块化。、 3 时间延迟单元的优化，首先通过理论计算分析了实时采样的t h z t d s 系 统的时间延迟单元相对于现有时间延迟单元的优越性。然后分析了实时采样的 t h z t d s 系统时间延迟单元机械结构上的问题，并从螺旋反射镜、伺服电机、 弹性联轴器等方面进行解决。 4 完成了脉冲个数与步进电机转角关系实验、采样点个数确定实验、 a u t o b a l a n c e 单元的精度实验和准确性实验，证明该自动化单元精度高，性能稳 定。通过实验证实时间延迟单元改进的机械结构有效的改善了光点晃动的问题。 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 t h z t d s 系统的基本原理是：产生t h z 脉冲并让其通过待测的样品，超快t h z 脉冲具有很宽的频谱，通过比较t h z 脉冲经过样品的透射谱( 或反射谱) 和未经 样品的参考信号频谱即可得到待测样品的频谱响应特性，从频谱响应函数中即可 解析样品的吸收系数、折射率和化学成分等信息1 2 1 1 。天津大学t h z 研究中心采用 的是基于z n t e 晶体电光采样探测方法的t h z t d s 系统，本文的工作是对此系统 探测部分的平衡探测单元和时间延时单元进行了改进，本章主要对t h z t d s 系统 探测部分的原理及基本构成进行分析和介绍。 2 1t h z t d s 系统探测部分基本原理 图2 1t h z t d s 系统探测部分原理图 器 如图2 1 是t h z t d s 系统探测部分的原理图，采样脉冲通过时间延迟单元， 与包含有样品信息的t h z 辐射波在分束器上耦合共线，然后入射到探测用的z n t e 晶体上。由于电光效应的作用，t h z 波的电场调制探测晶体的双折射，进而调制 了探测光的椭圆偏振度。被调制的探测光经过四分之一波片和渥拉斯顿棱镜后将 被分成两束，这两束光被光电平衡探测器接收，再输入到锁相放大器中，以放大 信号并且可以在一定程度上滤除噪声。通过测量锁相放大器的输出信号，就可以 得到被调制的探测光的椭圆偏振度的变化，进而可以得到包括施加电场的幅值和 相位在内的各种信息弘2 。“j 。 6 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 2 2 电光效应及电光晶体z n t e 2 2 1 电光效应 电光采样技术是1 9 8 2 年由美国r o c h e s t e r 大学的j a v a l d m a n i s 等人首先提出 的【2 4 1 。电光采样是利用超短光脉冲作为采样信号，利用电光晶体的p o c k e l s 效应， 对具有重复频率的高速电脉冲进行无扰动测量。 电光采样技术的物理原理是电光效应。具有各向异性的双折射晶体在外加电 场的作用下，会产生附加的双折射现象。这是因为晶体的各向异性是由构成晶体 的原子、分子的排列和它们之间的相互作用的特点所决定的。如果外加的电场作 用大到足以影响这种排列和相互作用，那么处于外界作用下的介质所产生的这种 内在变化必然会在它的某些光学性质上反映出来。由于原子内场很强，外界作用 必须大到足够把原子内场扰乱到一定程度，所产生的效应才能观察得出来，这种 在强电场下的感应各向异性就叫做电光效应。电光效应的迟豫时间非常短，这就 意味着，当施加外电场时，介质的折射率变化在瞬间发生，而外加电场撤销时， 介质的折射率又在瞬间恢复正常，因此电光效应提供了调制光的强度和相位的手 段。超高速电光采样系统主要基于线性电光效应，也就是晶体的介电特性的变化 使晶体的两个主折射率之差与外电场强度e 成正比的关系【2 纠。 表2 1 电光晶体及参数列表 折射率 电光晶体点阵电光系数介电常数 透明波- e 慨n ( a = 6 3 2 8 n m ) 1 3 = 7 5 ，r 3 3 = 3 3气- 4 1 刀。一2 1 7 6 l i t a 0 3 3 mo 争4 5 r 5 1 = 2 0 , r 2 2 = 1 o= 4 3 n e = 2 1 8 0 r 1 3 = 8 6 , r 3 3 = 3 0 8 占。= 4 31 0 一2 2 8 6 l i n b 0 3 3 m0 4 - - 4 5 r 5 1 = 2 8 ，r 2 2 = 3 4 t r r e = 2 8h e = 2 2 0 0 g a a s l4 3 m r 4 1 = 1 2 s = 1 3n = 3 6 o 9 5 g a p l 4 3 m 1 4 1 - - - 1 4 3 占= 1 0 ，l = 3 6 l o 5 5 z n t e4 3 m r 4 1 = 4 3 f = 1 0 1，z = 2 9 8 4o 6 2 5 占，d 2 4 11 02 1 5 0 3 k d p4 2 m r 4 1 ；8 8 ，r 6 3 - - - - 2 4 3 0 2 1 1 6 5 = 4 3 n e = 1 4 6 5 r 1 3 = 8 8 , r 2 3 = 13 8 e r x 5 11 6i x - - - - 1 7 6 3 k t p2 m m r 3 3 - - 3 5 ，r 4 2 = 8 8 e r y 5 1 1 0i t y2 1 7 7 2 0 3 5 4 5 r 5 1 = 6 。9 o p r z2 1 5 4以z 。1 8 6 4 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 2 2 2 电光晶体z n t e 电光采样系统中所采用的电光晶体材料，主要有以l i n b 0 3 和l i t a 0 3 为代表 的氧化物铁电单晶和以g a a s 为代表的m v 族半导体材料。典型的电光晶体材料 及其参数如表1 所示【2 酬。由于z n t e 是种具有良好相位匹配特性和较好电光性质 的晶体，目前已成为最常用的产生和探澳j t h z 辐射的电光材料 2 7 - 2 8 1 。晶轴相对于 泵浦光偏振方向的取向也是影响t h z 辐射的一个因素，这个取向又受到晶体非线 性极化率的影响。实验室中采用的是晶面为 ，仍可以认为采样脉冲为周期信号，其周期 1 0 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 为t o ，设待采样脉冲信号的延续时间为l 。，则采集其所有信息所需时间： k 等z = 等兀= 面t d u r a t i o , c 瓦= 簪 亿8 ， 在长度允许的前提下，应该选择尽可能慢的运动速度v ，以增加采样点数， 提升待测信号复现的准确度。实验室中采用基于光学延迟法的时间延迟单元，不 断改变t h z 脉冲和探测脉冲的相位差，利用等效时间采样原理，完成对t h z 波的 探测。 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 如图2 1 所示，实验室采用的平衡探测单元是由探测晶体、四分之一波片、 渥拉斯顿棱镜和光电平衡探测器组成。由于电光效应的作用，线偏振的探测光在 经过被t h z 电场调制后的电光晶体时，其相位发生变化。含有t h z 电场信息的探 测光先利用四分之一波片将其转化威椭圆偏振光，再利用渥拉斯顿棱镜将该椭圆 偏振光分成两个互相垂直的偏振分量。在没有t h z 电场时，这两个偏振分量是相 等的，则通过光电平衡探测器测得的信号为0 。当有t h z 电场存在时，光电平衡 探测器的输出信号就是单纯的由t h z 电场引起的相位延迟，这就是平衡探测的基 本原理【3 2 】。 2 4 2 平衡探测单元的构成 2 4 2 1 四分之一波片 波片是从单轴双折射晶体上平行于光轴方向截下的薄片。若平面偏振光垂 直入射波片，且其振动面( 振动方向与传播方向所确定的平面) 与波片的光轴成 i f , 角，则在波片内入射光被分解成振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为o 光和e 光，如图2 5 所示。它们的传播方向一致，但在晶体内因传播速度不同而 产生一定的相位差，当它们经过厚度为d 的波片时，光程差为o 。- n e ) a ，即相应的 相位差为： 砷= 孥o 。1 弦：竿6 ( 2 - 9 ) 人人 式中九为入射光波长，力。和，l ，分别为波片对0 光和e 光的折射率。 第二章t h z - t d s 系统相干探测的基本原理 图2 - 5 波片光路图 显然，通过波片后的的偏振光，将是沿同一方向传播的两个平面偏振光叠加 的结果。由于。光和e 光的振幅不等，有一定的相位差，且振动方向互相垂直， 一般合成椭圆偏振光。椭圆的形状随。光和e 光的相位差值的不同而改变。对于 同种波片，决定椭圆形状的因素是入射光的振动方向与波片光轴的夹角a 以及波 片的厚度。 若o = ( 2 k + 1 ) r d 2 ，k = l 、2 、3 ，则波片称为四分之一波片，其最小厚度 为： 九 d 2 4 ( n o - n 。) 2 1 0 ) 2 4 2 2 渥拉斯顿棱镜 渥拉斯顿棱镜由两个棱镜组成，可以将入射光分解为两束相互分开的、振动 相互垂直的平面偏振光。如图2 - 6 所示。 a p 9 i 算 一 弋 ， 图2 - 6 渥拉斯顿棱镜光路图 它由两个方解石直角棱镜组成。两棱镜的光轴相互垂直。自然光垂直入射到 a b 面上，o 光和e 光以不同的速度沿同一方向传播。当它们进入第二棱镜以后， 第二章t h z t d s 系统相干探测的基本原理 由于两棱镜的光轴相互垂直，所以o l _ e 2 , e l - - 4 , 0 2 。又由于n 。 n 。，所以e 2 远 离法线，o z 靠近法线，两束光在第二棱镜中分开。 2 4 2 3 光电平衡探测器 1 光电平衡探测器原理 u = ( f l f 2 图2 7 光电平衡探测器原理 光电平衡探测器原理图如图2 7 。用参数完全相同的低噪声光电二极管将光 信号转换成电信号，并做差，其输出信号为：u = ( - i o r 。其输出信号先经过 放大器进行初步放大，然后用锁相放大器在调制频率上对有用信号进行选频放 大。光电平衡探测器的优点是可以有效的抑制输入激光的扰动给测量带来的不利 影响，提高信噪比。 2 平衡探测理论分析 s h e t 3 3 1 等给出的线性电光效应的耦合波方程如下： i 掣：一i d l e ：p 曲一耐：驰) j 刃 l 掣：一i d ，驰) p 一耐。列，- ) q 。1 d l a r 由文献【3 4 】光电平衡探测器探测到的光强差是 = 等m 2 一阱 ( 2 1 2 ) = 降舱c o s 2 a 一彳c o s 2 t z + 2 眉岛s i n 2 , z c o s ( 欢一萌) 】c o 渤+ 2 p i p 2 s i 舷一鹕) s i n 冽 l 厶 ( 2 1 2 ) 式是在一般情况下得到的探测结果，但是这个结果表达式过于复杂，t h z 辐射信号与探测结果关系难以分析。假设0 = n 4 ( 口是渥拉斯顿棱镜的光轴和四 分之一波片光轴的夹角) ，( 2 - 1 2 ) 式的第一项为零，对探测结果没有影响，第 二项可以取到最大值。在这种情况下，探测到的信号最稳定，信噪比最高【3 5 】。因 此在实际使用中，我们常令0 = 每。 第二章t h 2 t d s 系统相干探测的基本原理 由文献【3 6 】可知道，光电平衡探测器的输出电流为： + 啊睡吼p l ( 2 1 3 ) 可见，探测的光强差跟t h z 辐射电场的振幅耳是成正比的，这就可以很容易的得 至i j t h z 辐射电场的振幅信息。 2 5 本章小结 本章首先介绍了基于z n t e 电光采样的t h z t d s 系统探测部分的基本原理， 包括电光效应、等效时间采样原理和平衡探测单元的基本原理，为自动平衡探测 单元和时间延迟单元的设计提供了理论依据。然后介绍了系统探测部分的主要构 成，包括：各向异性z n t e 电光晶体、时间扫描单元和平衡探测单元。在本文后 几章将对时间延迟单元和平衡探测单元进行优化。 1 4 第三章自动平衡探测单元的整体设计 第三章自动平衡探测单元的整体设计 通过第二章的理论分析，我们可以得知当四分之一波片的光轴和渥拉斯顿棱 镜的光轴夹靠呈4 5 0 时，不仅探测到的信号最稳定，信噪比最高，而且它也是使 得探测的光强差与t h z 辐射电场的振幅辱成正比的一个必要条件。由公式( 2 1 3 ) 可以看出，当没有外加t h z 辐射电场时，探测到的光强差理论上应该为0 。因此， 在进行t h z 探测之前，操作人员手动旋转四分之一波片，通过示波器观察光电 平衡探测器的输出信号。当示波器上所显示的信号值最小时，可以近似的认为四 分之一波片的光轴和渥拉斯顿棱镜的光轴夹角呈4 5 0 。然而，这种手动调节四分 之一波片的方式比较繁琐，重复性比较低，对实验人员的专业要求比较高，不利 于系统的仪器化。为了解决这个问题，本文设计了一个自动平衡探测 ( a u t o b a l a n c e ) 单元。 a u t o b a l a n c e 单元原理如图3 1 ，利用控制器将光电平衡探测器和四分之一 波片组成一个闭环系统。控制器控制四分之一波片转动，使得光电平衡探测器输 出一系列的电信号，控制器采样这些电信号，通过软件编程找到其中最小的电信 号，在此位置处，可以近似的认为四分之一波片的光轴和渥拉斯顿棱镜的光轴成 4 5 。确定光电平衡探测器输出最小的电信号对应的四分之一波片的角度位置， 最后控制四分之波片转到该角度位置，完成自动平衡探测。 分束器z n t e 四分之一波片渥拉斯顿棱镜光电平衡探测器 图3 1a u t o - b a l a n c e 单元原理图 a u t o b a l a n c e 单元的整体设计包括控制器硬件电路的设计、软件程序的设计和 整体机械结构的设计，下面将对这三部分内容进行详细介绍。 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 控制器的硬件电路，按照其功能可分为2 大部分：数据预处理电路和运动控 制电路。数据预处理部分的功能是将光电平衡探测器的输出信号进行预处理，以 便进行后续的信号处理。运动控制部分包括电机的控制电路和电机的驱动电路， 用于控制和驱动电机。 3 1 1 数据预处理电路 t h z t d s 系统中的光信号由光电平衡探测器转换成电信号，但是此电信号的 幅值很小( m y 级别) ，而且信号有正值信号，还有负值信号，这样的信号是不能 直接通入单片机中进行处理的，因此必须对其进行预处理。数据预处理电路主要 包括放大电路和加法电路，其目的将光电平衡探测器的输出信号转换到可以被单 片机直接处理的范围内。数据预处理电路里还包括了使得运放正常工作的电源滤 波电路、稳压电路、电源转换电路和基准电压电路。 3 1 1 1 放大电路和加法电路 o 1 u f 一陆 r i i1 坠亡) 一一2 0 k z k l 。j + 5 t ，l u 2 a 文， i | 峨 _ 卜i l m 3 2 4 n 弋，l r a 0 z h 1 l ? r 1 j f ii乒,-w01uf 1 5 ，。il 广1 2 k 5 图3 - 2 放大电路和加法电路原理图 放大电路和加法电路原理如图3 - 2 ，光电平衡探测器的输出信号范围是 0 1 v + 0 1 v ，首先通过搭建一个放大电路，将这个输出信号放大2 0 倍，则其范 围变为2 v - - - - + 2 v ，再通过个加法电路，将输出信号的范围整体提高2 5 v ，则输 出信号的范围变为+ o 5 v + 4 5 v 。此时，就可以将输出信号直接通入单片机进行 处理。 电路中的运放采用的是l m 3 2 4 ，l m 3 2 4 是四运放集成电路，它的内部包含四 1 6 第三章自动平衡探测单元的整体设计 组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运 算放大器均可用图3 3 所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“+ ”、“”为两个 信号输入端，“v + ”、“v ”为正、负电源端，“v o ”为输出端。v i 为反相输入端， 表示运放输出端v o 的信号与该输入端的相位相反；v i + 为同相输入端，表示运放 输出端v o 的信号与该输入端的相位相同。l m 3 2 4 四运放电路具有电源电压范围 宽( 3 v - , 3 2 v ) ，静态功耗小，可单、双电源使用，价格低廉等优点，完全可以 满足a u t o b a l a n c e 单元的使用要求i j7 l 。 ( 反向输入 v i v i + ( i n 相输入 图3 3 运算放大器l m 3 2 4 原理图 3 1 1 2 电源滤波和稳压电路 实验使用的电源是开关电源，它工作在开关状态，无论是变压器、m o s 管、 整流管等等，变压器的初级次级线圈中都是几十k h z 的高频振荡波形，幅度较 大，这个波动是产生纹波的根本。通常开关电源的纹波都有几十到上百毫伏，在 测量微小信号的电路和模拟电路中，纹波对信号的影响很大。因此，本文设计了 一个滤波电路，用于减少开关电源的纹波。 实验室的交流电压不稳定，导致开关电源的输出电压不稳定，电压突然升 高可能烧坏芯片，因此，本文设计了个稳压电路，用于稳定开关电源的输出电 压，电路原理图如图3 4 ，d 1 是稳压二极管，用于将电源稳定在5 v 。 享 图3 _ 4 电源滤波和稳压电路原理图 3 1 1 3 电源转换电路 运放l m 3 2 4 采用的是双电源供电( 5 v ) ，开关电源可以提供+ 5 v 电压。为了 产生5 v 电压，本文使用m a x i m 公司推出的d c d c 转换芯片m a x 8 6 0 ，应用电路 1 7 第三章自动平衡探测单元的整体设计 见图3 5 。m a x 8 6 0 是一款电荷泵型电源转换芯片，可实现电压反转和电压增倍 功能，翻转电压输入范围为+ 1 5 v + 5 5 v ，增倍电压输入范围+ 2 5 v 斟5 5 v 。它 的开关频率较高，故只需要外接小容量低成本电容即可实现电压翻转的功能，最 大输出电流5 0 r n a ，电压反转转换效率高达8 7 ( 输出电流5 0 m a 时) 。芯片具有 关断功能，当关断管脚s h d n 置低时，芯片停止电源转换，此时只消耗1 “a 的电 流。由于需要5 v 一直处于供电状态，这里直接将关断管脚与+ 5 v 输入电源相连， 当输入管脚接通+ 5 v 电源后，转换电路将始终处于工作状态1 3 8 1 。 图3 5 电源转换电路 3 1 1 4 基准电压电路 加法电路需要一个稳定的+ 2 5 v 的基准电压，这里采用的是o ns e m i c o n d u c t o r 公司推出的2 5 v 精密基准芯片m c l 4 0 3 d 。它可以将+ 4 5 v - + 4 0 v 的电压转换到 + 2 5 v ，且精度为1 。应用电路如图3 - 6 1 3 9 1 。 + 5 图3 - 6 基准电压电路 第三章自动平街探测单元的整体设计 3 1 2 运动控制电路 在a u t o b a l a n c e 单元中，四分之一波片装在电旋台上，电旋台的运动装置是 步进电机，控制嚣通过控制步进电机的转动来达到本单元所需要实现的目的。 单元中的电旋台选用的是北京卓立汉光公司的r s a 5 0 c 电控旋转台，如图 3 7 所示。中心m 5 2 x 1 螺纹孔可用螺纹压圈直接固定2 英寸或5 0 r a m 直径的光 学件，或与a c o a 系列接圈连接使用，装卡不同直径的透镜，也可与底板系列 产