Автореферат (1104451), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В зависимости от рабочего частотного диапазона выходная мощность ЛОВ изменяется в диапазоне 1–100 мВт. Излучение ЛОВ стабильно по времени: зависимость мощности от напряжения воспроизводится с точностью до 1%. Подавая различное анодное напряжение, можно изменять условия генерации и таким образом управлять частотой электромагнитных волн. В настоящей работе использованы ЛОВ, генерирующие излучение в диапазоне 5–32 см-1. Для расширения динамического диапазона регистрируемого сигнала до значений 106–107 применены тонкоплёночные аттенюаторы.Исследуемый кристалл ZnGeP2 обладает выраженной анизотропией электродинамическихсвойств и для его исследования необходимо линейно поляризованное излучение. Поэтомув работе использованы проволочные поляризаторы, обеспечивающие степень поляризации 99.99%.Далее идёт описание квазиоптического СБММ-спектрометра «Эпсилон» на основеЛОВ (рис.
1), разработанного в ИОФ РАН, на котором измерены спектры пропусканияZnGeP2 в диапазоне 5–32 см-1. Этот прибор позволяет в общем случае получать спектрыSN12 34562726328Рис. 1. Схема субмиллиметрового ЛОВ-спектрометра «Эпсилон» на пропускание: 1 — источник сигнала,2 — линзы, 3 — диафрагмы, 4 — набор аттенюаторов, 5 — амплитудный модулятор, 6 — поляризаторы,7 — криостат с образцом, 8 — приёмник сигнала.10пропускания, отражения и фазы, из которых по формулам Френеля без привлечения соотношений Крамерса-Кронига и дисперсионного моделирования рассчитываются диэлектрические параметры исследуемых образцов [23]. Но кристалл ZnGeP2 прозрачен в рабочем диапазоне спектрометра, и в плоскопараллельном образце реализовалось условиемноголучевой интерференции (эффект Фабри — Перо).
Характерный спектр пропусканияZnGeP2 с выраженной интерференцией, приведён на рис. 2. В этом случае измеренийспектров отражения и фазы не требуется, и калибровочные СБММ-данные рассчитываются по приближённым формулам из спектров пропускания [24]:nkm,2d max(8)ln Trmax,4 d max(9) ' n2 k 2 ,(10) " 2nk ,(11)где n — показатель преломления, k — коэффициент экстинкции, max — частота m–ногомаксимума интерференции в [см-1], Trmax — пропускание в максимуме, d — толщина образца в [см].
Точность определения величины ε' — не хуже 5%, ε'' — не хуже 10%.0,60f, ТГц0,7520, см-125Tr0,451,00,50,015Рис. 2. Спектр пропускания ZnGeP2 с выраженной интерференцией, измеренный на субмиллиметровомЛОВ-спектрометре «Эпсилон» при комнатной температуре.11Спектры пропускания кристалла ZnGeP2 в ИК-диапазоне 25 – 5 000 см-1 измерены спомощью широкополосного Фурье-спектрометра «Bruker IFS-113v».
На нём полученытакже спектры отражения при комнатной температуре. Для того чтобы электромагнитныеволны не поглощались атмосферой, все элементы оптического тракта размещены в вакууме. Прибор регистрировал спектры отражения и пропускания с точностью 2–3%, котораяухудшалась до 10–20% на краях рабочего диапазона.Принципы работы Фурье-спектрометров, методы обработки и преобразования интерферограмм изложены в работах [25], [26]. Отличительной особенностью Фурье-спектрометра является выигрыш во времени записи спектра при одинаковом отношении сигнал/шум (выигрыш Фелжета).
Другая особенность прибора заключается в большой светосиле при одинаковом разрешении (выигрыш Жакино). Третья состоит в использовании вФурье-спектрометрах гелий-неонового лазера для правильной идентификации спектральных линий и управления отсчётами интерферограммы в процессе перемещения подвижного зеркала (выигрыш Конн).Измерения спектров пропускания образцов при низких температурах выполненына ЛОВ- и ИК-спектрометрах с применением криостатов оптического типа.В работе использованы монокристаллы ZnGeP2, вырезанные из заготовки, выращенной из расплава методом Бриджмена в вертикальной ориентации [6]. Состав образцовблизок к стехиометрическому (отклонение не превышает 1–2%).
Облучение электронамивыполнено на установке, описанной в работе [27], с оптимальными параметрами облучения (энергия электронов — 4 МэВ; доза — 1,8·1017 см-2), выбранными на основании исследований, проведенных авторами работы [8]. Статическая проводимость образца послеоблучения уменьшилась со значения ~10-6 Ом-1·см-1 до ~ 10-7–10-8 Ом-1·см-1. В работе дляСБММ- и ИК-измерерний использованы необлучённые кристаллы с геометрическими размерами 11,5×13,5 мм, d ~ 0,405 мм и 5,5×10,5 мм, d ~ 1,545 мм.
Различие толщин образцовпозволило повысить точность определения комплексной диэлектрической проницаемостив СБММ-диапазоне. Размеры облучённого кристалла для измерений на ЛОВ-спектрометре «Эпсилон»: 5,5×10 мм, d ~ 1,685 мм и для измерений на Фурье-спектрометре «BrukerIFS-113v»: 5,5×8 мм, d ~ 0,8 мм.На рис. 3 показаны типичные экспериментальные спектры отражения R() монокристалла ZnGeP2 при комнатной температуре в области фононных резонансов, измеренные в двух поляризациях. Отмечаются две и четыре ИК-активные моды, наблюдаемые вориентациях E∥c и E⊥c, соответственно. Расчет спектров выполнен по модели Лоренца.При описании асимметричных, сильно уширенных полос, использовалась модель взаимодействующих осцилляторов.120360100200f, ТГц912153004005001,0а)R0,50,01,0б)R0,50,0, см-1Рис.
3. Спектры отражения R() ZnGeP2 (точки — эксперимент, линии — модельный расчёт) в ориентацииE∥c (а) и E⊥c (б), измеренные при комнатной температуре.Широкодиапазонные экспериментальные и расчетные спектры отражения и пропускания (вставка) ZnGeP2 приведены на рис. 4. Отмечается, что на низкочастотном участке спектра отражения наблюдается разброс точек. Можно предположить, что причиной130,31,03f, ТГц30150 010210-110-210-310-4105000-5TrRTr230,511RСБММ0,010100, см-11000Рис. 4. Экспериментальные и расчётные спектры отражения R() и пропускания Tr() монокристаллаZnGeP2 в ориентации Ec при комнатной температуре.
Точки 1 — эксперимент, красная линии 2 — модельный расчёт в пределе полубесконечного слоя, серая линия 3 — модельный расчёт для плоскопараллельногообразца толщиной 1,6 мм. Крупные точки зелёного цвета — калибровочные данные СБММ-измерений.этого может быть ухудшение отношения сигнал/шум, которое затруднит определение коэффициента поглощения в ТГц-участке спектра. Вместе с тем, установлено, что на низкочастотном крыле спектра пропускания (см. рис. 2) присутствует интерференция, котораясвидетельствует о высокой прозрачности образца и выполнении условия Фабри — Перо.Таким образом, есть основание полагать, что такая же интерференция должна реализовываться в спектрах отражения.
Поэтому был произведён расчёт спектра отражения для образца толщиной ~ 1,6 мм. Участок модельного интерференционного спектра показан серой линией 3 на рис. 4. Сделан вывод, что при данной конфигурации работы спектрометравыборка при оцифровке интерферограммы не даёт достаточного количества точек дляправильного построения спектра отражения [28]. Пропущенные в связи с частотой дискретизации данные приводят к тому, что интерференционная картина выглядит как наборхаотически разбросанных точек. В связи с этим параметры фононных резонансов определялись по спектрам отражения, а параметры нерезонансных полос рассчитывались поспектрам пропускания.141,21,0f, ТГц691,0Trа)30,80,50,6Tr0,030300 К10 К, см-1350,410 K0,2300 K0,00101,0Trб)0,5-110320Tr1030 -1, см2-2101T = 300 K-31040100, см-1200300Рис.
5. a) Экспериментальные спектры пропускания монокристалла ZnGeP2 в ТГц-области частот в ориентации Ec при температурах 300 К и 10 К. На вставке модельные спектры в СБММ-диапазоне при 10 и 300 К.б) Моделирование экспериментального спектра пропускания (точки 1) с учётом только фононного вклада(линия 2) и полного описания всех полос поглощения (линия 3) при 300 К. На вставке: точки — экспериментальный, линия — расчётный спектры пропускания в СБММ-диапазоне при 300 К.15В области частот выше 800 см-1 обнаружен резкий подъем коэффициента отражения R.
Предположено, что он обусловлен вкладом в отражение задней грани образца приувеличении его прозрачности. Подтверждением этого служит показанный на вставкеспектр коэффициента пропускания, демонстрирующий рост пропускания образца в этойобласти частот.В последней части главы обсуждаются результаты температурных измерений (рис.5). Экспериментальные спектры пропускания Tr() в ориентации Ec, полученные притемпературах 300 и 10 К, показаны на рис. 5, а.
Рост пропускания с понижением температуры указывает на снижение поглощения электромагнитного излучения. На вставке выделен участок интерференции с высоким разрешением для 300 и 10 К. Определено, что величина сдвига интерференции в области 30 см-1 при охлаждении образца составила 0,3см-1, а её период увеличился на 0,02 см-1. Эти изменения в интерференционной картинесоответствуют уменьшению диэлектрической проницаемости кристалла на ~0,4.Отмечается, что температурные изменения спектра пропускания обусловлены с одной стороны обужением линий фононных резонансов, с другой стороны — наличием зависимых от температуры полос поглощения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
