Диссертация (1104452), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Данный подход оказывает значительное влияние на качество полученных спектров электродинамических параметров кристалла. Дополнение ИК-спектров данными точных СБММ-измеренийс помощью ЛОВ-спектрометра позволяет получить правильные спектральные зависимости на низкочастотном краю исследуемого диапазона.312.2. Субмиллиметровая ЛОВ-спектроскопия.СБММ-спектрометр «Эпсилон»Для генерации и последующего детектирования электромагнитных волн субмиллиметрового диапазона после их взаимодействия с исследуемым образцом применяютсяметоды ЛОВ-спектроскопии [64]–[68]. В ЛОВ-спектрометрах излучение распространяетсяв открытом пространстве, и используются квазиоптические методы.

В качестве источникамонохроматического излучения СБММ-диапазона используются лампы обратной волны(ЛОВ). Их устройство и принцип работы изложены в литературе [69]–[71]. Лампы различного типа позволяют получить излучение в области частот от 30 до 1450 ГГц (1 – 50 см-1).На рис. 9 [32] показаны диапазоны генерации ламп обратной волны.Ответственная за генерацию волн СБММ-диапазона часть спектрометра состоит извысоковольтного источника питания, магнитной системы, системы охлаждения и сменных источников излучения, в роли которых выступают пакетированные и непакетированные ЛОВы. В корпус пакетированной лампы встроена фокусирующая магнитная система.Пакетированные ЛОВы генерируют излучение с частотой вплоть до 180 ГГц.

Непакетированные лампы работают на более высоких частотах, но при этом требуют более высокогонапряжения питания и установки в фокусирующую магнитную систему [72] с величиноймагнитного поля, достигающего значений до 1,2 Тл.ЛОВ генерирует интенсивное монохроматическое излучение, которое сохраняеткогерентность на расстоянии более 2 м. Это позволяет проводить фазовые измерения спомощью двухлучевого интерферометра Маха — Цандера (Рождественского), установленного в тракт [73]. Степень монохроматичности излучения определяется стабильностьюблока питания и составляет  ~ 10-4–10-5. Подавая различное анодное напряжение,можно изменять условия генерации и таким образом управлять частотой электромагнитных волн. Частота излучения перестраивается в пределах ±30% от центрального значениядиапазона. Питание лампы осуществляется с помощью высоковольтного блока питаниявручную или посредством компьютера [74].Излучение ЛОВ стабильно по времени: зависимость мощности от напряжения воспроизводится с точностью до 1%.

Отношение сигнал/шум составляет порядка 104–106.При этом перепад мощности выходного сигнала изменяется от 1 до 100 мВт в зависимости от рабочего частотного диапазона. Для расширения динамического диапазона регистрируемого сигнала до значений 106–107 применяются тонкоплёночные аттенюаторы.32 (мм)5Мощность ЛОВ на приёмнике (мВт) (ГГц)012006970711002860,7400240,50,46008000,30,25100012000,2140030324010394445154530,10,01Линииводяного пара01020304050-1Ч а с т о т а (см )Рис. 9. Области генерации ламп обратной волны (тип ЛОВ обозначен цифрой) [32].33Исследуемый кристалл ZnGeP2 обладает выраженной анизотропией электродинамических свойств, и для его изучения необходимо линейно поляризованное излучение.Оно формируется с помощью проволочных поляризаторов, и степень поляризации достигает 99,99% [75].В качестве приёмника электромагнитных волн СБММ-диапазона служат оптикоакустический преобразователь [58], пироприёмник [59] или болометр [60], преобразующие энергию СБММ-излучения в электрические импульсы, пропорциональные мощностисигнала.

Амплитудный модулятор управляет частотой идущих пакетов для последующегосинхронного детектирования и усиления сигнала.Измерения спектров на СБММ-спектрометре проводятся по однолучевой схеме,реализуемой в два этапа. Регистрация спектров осуществляется по точкам посредствомступенчатой перестройки напряжения питания лампы. Сначала регистрируется аппаратная функция спектрометра I0(ν). Затем в оптический тракт устанавливается образец и записывается сигнал, представляющий суперпозицию аппаратной функции и отклика образца I(ν). Результирующий спектр определяется путем деления двух соответствующихмассивов чисел: I(ν)/I0(ν).На рис.

10 и 11 представлены, соответственно, фотография и схема субмиллиметрового спектрометра «Эпсилон» на основе ламп обратной волны, разработанного в отделесубмиллимметровой спектроскопии ИОФ РАН и совершенствуемого на протяжении нескольких десятилетий. Измерительный тракт спектрометра выполнен по квазиоптическойсхеме. Излучение, выходящее из источника 1 в открытое пространство, коллимируется вплоскопараллельный пучок полиэтиленовой линзой 2 и, после прохождения измерительной схемы, фокусируется такой же линзой на входное окно детектора 8. Диафрагма 3 принеобходимости отсекает боковые лепестки диаграммы направленности генерации ЛОВ.Детектор согласован по частоте с частотой вращения амплитудного модулятора 5.

Сигналс детектора усиливается и после преобразования системой регистрации в цифровую форму передаётся на компьютер. Поляризаторами излучения 6 служат одномерные проволочные решётки, период которых много меньше длины волны. В качестве аттенюаторов 4применяются тонкие металлические плёнки, нанесённые на подложку из полиэтиленгликольтерефталата. Для определения электродинамических характеристик образцов притемпературах от 10 до 300 К в тракт установлен криостат оптического типа 7 [76].

Окнакриостата изготовлены из полиэтиленовых плёнок, которые обеспечивают минимальныйуровень стоячих волн. Все элементы тракта собраны на оптическом столе и установленына оптическую скамью. Такая конфигурация установки позволяет интегрировать в неё дополнительные устройства. Таким образом, одним из преимуществ субмиллиметрового34Рис. 10. Субмиллиметровый ЛОВ-спектрометр «Эпсилон».SN12 34562726328Рис. 11. Схема субмиллиметрового ЛОВ-спектрометра «Эпсилон» на пропускание: 1 —источник сигнала, 2 — линзы, 3 — диафрагмы, 4 — аттенюаторы, 5 — амплитудный модулятор, 6 — поляризаторы, 7 — криостат с образцом, 8 — приёмник сигнала.35ЛОВ-спектрометра является простота адаптации его оптического тракта к конкретнымособенностям эксперимента.На ЛОВ-спектрометре измеряются спектры коэффициентов пропускания Tr и отражения R образца, фазы прошедшей φ и отражённой волны ψ.

Эти величины связанымежду собой следующими соотношениями [64], [65]:Tr  e 4kd1  R 2  4 R sin 2 ,1  Re4kd 2  4Re4kd sin 2 2nd   (33)k n2  k 2  1Re 4kd sin 22nd     2nd  arctg 2 arctg,n  k 2 2  n n1  Re 4kd cos 22nd   (34)2n  1  k 2,Rn  12  k 2(35)  arctg2k,n  k 2 12(36)где  — частота в [см-1], d — толщина образца, n — показатель преломления, k — коэффициент экстинкции.Из измеренных спектров Tr(ν) и φ(ν) (или R(ν) и ψ(ν)) путём решения системыуравнений определяются спектры оптических параметров материала образца n и k.

Зная nи k, можно рассчитать следующие характеристики: комплексную диэлектрическую проницаемость  * ( )     i  :   n2  k 2 ,(37)   2nk ,(38)комплексную динамическую проводимость *(ν), комплексную магнитную восприимчивость *(ν), тангенс угла диэлектрических потерь tg , коэффициент поглощения , коэффициент двулучепреломления n. Из спектров, измеренных на ЛОВ-спектрометре, диэлектрические параметры исследуемых образцов рассчитываются без привлечения соотношений Крамерса — Кронига и дисперсионного моделирования [64], [77]. При этом точность определения величины ε' — не хуже 5%, ε'' — не хуже 10%.В области высокой прозрачности плоскопараллельного образца ZnGeP2 в результате многократного отражения волн внутри кристалла в нём реализуется условие многолучевой интерференции — эффект Фабри — Перо. В этом случае спектры пропускания Tr(ν)представляют собой типичную интерференционную картину (рис. 12).

Этих спектровпропускания достаточно для определения электродинамических параметров материала, ивыполнение дополнительных измерений фазы φ(ν) не требуется.36f, ТГц0,600,75Tr0,451,00,50,01520, см-125Рис. 12. Характерный спектр пропускания образца ZnGeP2 с выраженной интерференцией,измеренный на ЛОВ-спектрометре «Эпсилон» с использованием лампы «ОВ-40».37Показатель преломления n и коэффициент экстинкции k в этом случае определяются по приближённым формулам [77]:nkm,2d max(39)ln Trmax,4 d max(40)где max — частота m–ного максимума интерференции в [см-1], Trmax — коэффициент пропускания в максимуме, d — толщина образца.Управление излучение ЛОВ, запись спектров и последующий расчёт комплексногопоказателя преломления n* = n + ik, ε', ε'' и других электродинамических параметровосуществляются с помощью программного обеспечения, разработанного в отделе субмиллимметровой спектроскопии ИОФ РАН Ю.Г. Гончаровым и С.П.

Лебедевым. На рис. 13представлен интерфейс программы TScan в режиме расчёта спектра пропускания плоскопараллельного слоя.38Рис. 13. Интерфейс программы TScan в режиме расчёта спектра пропускания плоскопараллельного слоя.392.3. Спектроскопия с временным разрешениемВ качестве альтернативы генерации излучения с помощью ЛОВ, когда для охватавсего СБММ-диапазона требуется более десяти ламп, интерес представляет метод спектроскопии с временным разрешением — TDS-спектроскопии (TDS — time domain spectroscopy) [1], [78], [79]. В качестве источника и приёмника электромагнитных волн ТГцдиапазона в данном устройстве служат антенны, нанесённые на полупроводниковую подложку. ТГц-волны генерируются при воздействии на данные структуры фемтосекундными (~10-15 с) импульсами титан-сапфирового лазера, которые возбуждают в полупроводнике свободные носители.

Приложенное электростатическое поле формирует импульс фототока, который ускоряет их, и они генерируют ТГц-излучение. Длительность такого импульса варьируется в зависимости от материала подложки. Часть лазерного импульса, ответвляясь в линию задержки, направляется на приёмную антенну, в которой также возбуждает свободные носители. ТГц-волна вызывает электрическое поле между электродамидетектора.

Это приводит к возникновению импульса тока, который регистрируется спектрометром. Блок-схема устройства приведена на рис. 14.Особенность TDS-спектроскопии состоит в генерации широкополосного ТГцизлучения от 50 ГГц до 4 ТГц, что позволяет прописывать спектр исследуемого образцовданном диапазоне частот за один цикл измерений. Другое преимущество TDSспектроскопии заключается в прямом измерении электрического поля и, как следствие,определение диэлектрических параметров образцов без привлечения соотношений Крамерса — Кронига. При этом импульсный характер TDS-спектроскопии устанавливаетфундаментальное ограничение на его спектральное разрешение, которое заключается вухудшении частотного разрешения при увеличении динамического диапазона [80].

Такжек недостаткам относится малая мощность рабочего излучения, которая составляет ~10 нВт[78], и относительно невысокое отношение сигнал/шум ~30% [79]. Всё это существенносужает круг возможностей TDS-спектроскопии по исследованию поглощения ТГцизлучения в кристалле.40ФемтосекундныйлазерДелительсветовогопучкаПараболические зеркалаТГцприёмникТГцисточникОбразецЛиниязадержкиРис. 14. Блок-схема спектрометра с временным разрешением.412.4.

Характеристики

Список файлов диссертации