基于法布里珀罗干涉仪的太赫兹波长测试仪精Word格式.docx
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metalgrids;
terahertzwave;
wavelengthmeasurement
1
引
言
衬底
太赫兹波是指光波频率在0.1—10T的范围内(真空中的相应波长为3000—30p。
m),它是位于红
外线和微波之间的一个波段,通常也叫THz波。
目前
用于远红外波段的光谱仪或单色仪不能满足太赫兹波段波长测量的需要,而用于THz波波段的光谱仪不
仅价格极其昂贵,而且覆盖波长范围较窄,也不能满足科研和实际需要。
本文介绍了一种结构简单,操作
方便,实用性强的测量THz波波长的方法。
金属网栅薄膜
聚焦透镜
探测器
图1金属网栅F~P干涉仪
2金属网栅F—P干涉仪的结构原理
在抛光的、对THz波段透明的基底上真空镀上一层金属薄膜,然后经过一系列光刻工序,即可制成金属网栅,将两片金属网栅平行放置,就构成了一个F—P干涉仪如图1所示。
用F—P干涉仪测量激光波长具有结构简单,调整方便,精确度高等优点。
如图1所示,太赫兹光波
垂直于F—P腔人射,当金属网栅对光波的反射率较大时,光束在两金属网栅之间发生多光束干涉,干涉
光束经过透镜后会聚。
对于透射光波,透射光强与R和8的关系是¨
J:
收稿日期:
2007—09一13
基金项目:
国家自然科学基金(NFG一10471071);
高等学校博士学科点专项科研基金(20040056010)。
作者简介:
曹铁岭(1979一),男。
在读硕士研究生,主要从事太赫兹波探测方面的研究。
36
ModemScientificInstrument20082
万方数据
,.=(1一南)2■丽1丽0
(1)
随艿的变化曲线如图2所示。
可以看出,每当6增加
27r(相应于两网栅之间的间距增加A/2n),就会出现一次干涉极大值和极小值。
故可通过位移平台改变两网栅之间的距离来改变干涉光之间的相位差,从而改变
透射光光强度的大小。
每出现一个干涉峰,网栅的移
H弋F面r
其中是,l透射光强,,o入射光强,R是网栅光强反
射率,A是网栅吸收率,6为光束在两网栅之间往返一
次产生的相位差。
设两金属网栅之间的距离是d,待测的光波长是A,两网栅之间介质的折射率n,当满足:
6=2klr时,k=1,2,3,…透射光束在会聚点有最大光强:
严,o/(1一R)2;
当满足:
6=(2k+1)仃时,k=1,2,
动距离是A/2n,通过测量出现干涉峰值的个数和网栅
移动的距离,即可得到所测量光波波长。
这就是F—P干涉仪测量激光波长的基本原理。
从图2中可以看出
网栅的反射率越大,干涉条纹越细锐,透射光强在峰值
附近变化也越快,考虑网栅的吸收时,干涉峰的峰值会下降。
在应用时应根据具体情况选择合适的反射率。
3,…透射光束在会聚点有最小光强:
严,0/(1+尺)2,其中T=1一R—A;
对于反射率不同的网栅,,l和厶的比值
O8
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O2
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相位差6
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2女Ⅱ
(2k1)丌(2k+2)Ⅱ相位差6
2足Ⅱ82(2k+1)丌(2k+2)”
图2光强透射率随相位差变化关系曲线
3金属网栅性质
金属网栅的性质最初是由Marcuvitz根据微波传
输线理论提出条状网栅的等效电路模型L2j,后来Ul—
≥//,,,根据微波传输线理论,为了便透射光波只具有零级衍射,网栅周期常数要小于光波波长,这时,光波的
透射率可近似用等效电路模型来描述,根据微波传输
线理论可得到金属网栅对光波的光强透射率‘33为:
.
rich等人把它经验地推广到二维金属网格结构…,
Whitboum和Compton则给出了有电介质衬底时的电感性和电容性金属网栅的透射率、反射率和吸收率公式引。
从成熟的网膜制作工艺考虑,一般选择电感性
r(n1,,/1,2,=焉糍黑杀
电感性网栅:
㈣
其中互是光波在自由空间的阻抗,X是金属网栅
的等效电抗,A是光波在自由空间的波长。
对于二维
金属网栅,其结构如图3所示:
其中g是光栅周期常
数;
2a是金属线宽,t是金属膜的厚度。
其中,∞。
’=‰./—南,O.1是归一化频率等
^J
n1十n,
窆一“hlcsc警(等一詈)~.
(3)
图3二维电感性金属网栅
设网栅两侧的电介质折射率分别为n。
和n:
,且凡:
现代科学仪器2008
2
r=丽1等糍等笔‰㈩/一'112而1雨丽等/Z铬丽X/Z(6)
的吸收时‘31,
于g/A,m。
是谐振频率,约等于1。
当考虑金属网栅
卜[+(n2+n1)Ro/互]2+(n2+nt)2(∥互)2
。
”7
%2
2可ii再而万玎‘瓦j万丽歹矿
+(,12+,11)‰
[1+(n2一,毫1)Ro/Z,]2+(凡2一n1)2(x/z,)2
(5)
一[
]2+(n2+n1)2(
,)2¨
其中,石Ro=詈√警
(7)
r是光强透射率;
R。
是从介质1到介质2的光强反射率;
A。
是从介质1到介质2的吸收率;
是考虑金属网栅吸收时的等效电阻;
x是金属网栅的等效电抗;
对于电感性网栅'7=g/2a,c是真空中的光速;
岛
是真空中的介电常数;
盯是金属的直流电导率;
A是
光波在真空中的波长。
当n,=n:
=1时,以上公式便描述了薄金属网栅薄膜(t≤10。
49)在真空中的透射
性质,当t不可忽略时,Whiteboum[31等总结给出了真
空中金属网栅的等效线宽:
当t《Z2a,口《g,g《A时,对于电感性网栅:
口移=口+圭[In掣+1]
(8)
金属网栅的衬底材料可用单晶硅。
高阻的浮区(FZ)本征硅是目前太赫兹波段最透明的绝缘材料HJ。
而且以硅为衬底镀金属薄膜的工艺已经比较成熟,所以本征硅片是一种比较理想的衬底材料。
4金属网栅参数设计
金属网栅的反射率大小直接影响着干涉曲线的
形状和精细度,而反射率又由光栅的周期g,金属线
宽20,金属膜的厚度t,衬底和两网栅间介质的折射率等因素决定,所以这些参数设计的是否合理直接影响着实验效果。
4.1自由光谱范围和精细度
根据多光束干涉的理论和方程(3)透射强度的相
位半峰值全宽8=6:
一艿。
(如图2所示)为
占=4arcsin(生尝)
(9)
2oR
设频率为p。
的光波第k级干涉峰与频率为矽:
的光波第k+1级干涉峰重合,可得:
△p=旷∥-=老一暑=南
(10)
△p叫做干涉仪的自由光谱范围,如图3所示。
而与占所对应的频率宽度劬称为最小可分辨频率间隔:
8v=}△矽二仃
(11)
由式(9)一(11)可得干涉仪的精细度为:
肚警=孥2志西1-R、(12)
干涉仪的精细度,随反射率的变化如图4所示,金属网栅的能量反射率一般选为75%一90%。
38
万
方数据70
60
50
k
40
趟
蓬30
20
{
lO
0.1
0.20.30.40.50.60.70.80.9l
反射率(Rlectivty)R
图4精细度随反射率的变化关系
|
、
、、、~
—~一~
01000
20003000
40005000
网栅之间的距离d/1.I
m
图5
自由光谱范围随网栅间距离的变化关系
4.2半峰值位移全宽和光波线宽
从图2和方程(1)可知,对于某单色光,当6每改
变27r,即网栅每移动△d=A/2n时,出现一次干涉峰。
若网栅移动距离剐,使相位差艿从6。
变到6:
,如图2,则
.8d=兰・iA=而A
(13)
我们称干涉峰半峰值高度所对应的网栅移动距
离剐为半峰值位移全宽。
可以看出剐是波长A和反射率R的函数。
对于准单色光,由于干涉峰展宽,
实际的半峰值全宽会增加。
设光波中心波长为A,准单色光的波长范围为A一龇/2~A+瓢/2,由于献很
小,在此范围内,的变化很小,可近似认为不变。
当
A增大时,且同一级干涉峰值对应的d增大,如图6,
d,和如分别是波长为A一献/2和A+献/2的同一级
干涉峰值对应的网栅之间的距离。
‘设剐为实际的半
峰值位移全宽,则由方程(13)可得:
涨尝+耐=掣A+刍
Zn
Zn,
(14)
根据方程(14),由准单色光的中心波长A,两网栅之间的间距d和干涉仪的精细度,通过测量剐,'就可以计算出太赫兹波的频谱宽度劬为:
劬=(翥一赤)c
(15)
..
ModemScientificInstruments20082
同橱移动的距离d图6光波非理想单色性对干涉曲线的影响
倒
暖g稿米盔簸
嘲栅移动晌距爵d
图7高分辨率导致干涉峰分裂
根据(13),(14)式,由于献≠O,所以干涉峰的宽
度比理想情况加宽了。
考虑加宽后的干涉仪精细度为:
土
.2n
∥2订2
52—ndF3A—+A2FjI
2‘
22—nd
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