Диссертация (1150798), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Этот образец можно назвать классическим для шумовыхизмерений, поскольку он был подвергнут всестороннему исследованию методомССШ в работе [53], и его фрагменты впоследствии часто использовались для калибровочных экспериментов. Образец представляет собой слой GaAs:Si с концентрацией электронов в зоне проводимости = 3.7 × 1016 см−3 (при температуре10 К).
Толщина образца составляет 170 µм, образец отполирован с двух сторон иимеет просветляющее покрытие.Схема установки изображена на рисунке 3.4. В качестве источника излучения был использован титан-сапфировый (Ti:sapphire) лазер непрерывной генерации (continuous wave, cw). Рабочее тело лазера представляет собой монокристаллсапфира с примесью ионов титана. Такой кристалл поглощает свет в видимойобласти (максимально эффективно в районе 500 нм) и обнаруживает широко-48полосную люминесценцию в ближнем ИК-диапазоне (пик люминесценции около∼800 нм). Рабочее тело лазера размещается в резонаторе из распределённых брэгговских зеркал, пропускающих свет с видимой длиной волны и селектирующихнужный диапазон.
В данном эксперименте был использован лазер с кольцевым резонатором MBR фирмы Coherent, накачка которого осуществлялась твердотельным лазером с диодной накачкой (diode-pumped solid-state laser, DPSS) Verdi сдлиной волны 532 нм. Излучение лазера 1 заводилось в одномодовое оптоволокно 2, после чего пропускалось через поляризующий аттенюатор, состоящий из полуволновой фазовой пластинки 3 и поляризатора Глана—Тейлора 4. Затем пучокрасширялся телескопом 5 для максимального заполнения апертуры объектива 6и фокусировался на образце 7, размещённом на холодном пальце проточного гелиевого криостата, что позволяло поддерживать на образце температуру 5 К.
Дляприложения поперечного магнитного поля криостат был оснащён электромагнитом 8. В контрольном эксперименте пропущенный через образец свет направлялсяв стандартную балансную схему, состоящую из полуволновой пластинки 9, поляризационного светоделителя 10 и балансного детектора с полосой 650 МГц (NewFocus 1607) 11, в который свет заводился через систему зеркал и короткофокусных линз. Разностный сигнал с выхода фотодетектора усиливался малошумящимусилителем 12 фирмы Mini-Circuits (модель ZFL-1000LN+), пропускался черезфильтр низких частот (580 МГц) во избежание эффектов супердискретизации ипоступал в оцифровывающее устройство 13 Agilent U1080A, содержащее быстрый АЦП (2×109 отсчётов в секунду) и запрограммированную вентильную матрицу (field-programmable gate array, FPGA), осуществляющую быстрое преобразование Фурье, позволяя накапливать сигнал в диапазоне 0–1 ГГц.
Окончательнаяобработка осуществлялась на ПК 14.Рисунок 3.4 — Схема экспериментальной установки спектроскопии шумовфарадеевского вращения. Расшифровка обозначений приведена в тексте.49Процедура получения сигнала.Получение сигнала в экспериментах по спектроскопии спиновых шумов осуществляется, как правило, следующим образом. Изначально излучение источника блокируется и накапливается некоторое усреднённое по заданному количеству спектральных отсчётов значение шумов электроники E.
Следующим шагомосуществляется накопление нормировочного сигнала, который в идеальном случае содержит только дробовые шумы света на фоне шумов электроники. Естьнесколько способов накопления этого сигнала, каждый из которых обладает некоторыми преимуществами и недостатками:∙ Установка в канал регистрации до балансной схемы поляризатора, преобразующего поляризационные шумы в интенсивностные. Тем самым регистрируемый сигнал будет содержать только дробовой шум. Недостаткомэтого метода является необходимость механической установки поляризатора в оптическую схему, а также учёт фактора неизбежного ослаблениясветового потока поляризатором.
Преимущество такого подхода заключается в его универсальности.∙ Использование опорного пучка, пущенного в обход зондирующей образецсхемы. Минусом такого подхода в сравнении с другими является его некоторая техническая сложность, а плюсом, аналогично предыдущей схеме,универсальность.∙ В условиях большой отстройки от резонанса и сопутствующих ей пренебрежимо малых флуктуаций эллиптичности света вместо поляризаторавозможно использование четвертьволновой фазовой пластинки, установленной так, чтобы преобразовывать осцилляции азимута плоскости поляризации в осцилляции эллиптичности. На практике, однако, амплитудойшумов эллиптичности зачастую невозможно пренебречь (см. 3.3), крометого, неидеальность фазовой пластинки или неточность её установки могут привести к примешиванию шумов фарадеевского вращения (ФВ).∙ Наконец, технически наиболее простой способ заключается в изменениивнешнего магнитного поля таким образом, чтобы в области регистрации несодержалось поляризационного шумового сигнала.
Этот вариант используется почти безальтернативно для нормировки в экспериментах по ССШ,50хотя и имеет ряд недостатков: в нормировочном спектре возможно присутствие паразитных сигналов в результате интерференции с частотамишумов межмодовых биений лазера или супердискретизации в электронной схеме, а также в условиях неполного подавления поляризационныхшумов магнитным полем (например, в присутствии пика, центрированного на нулевой частоте, см. 3.3, 4.2, 5.1).Одним из вышеперечисленных способов накапливается нормировочный сигнал N.
Наконец, устанавливается некоторое значение внешнего магнитного поля и накапливается спектр S, содержащий полезный сигнал. Полученные сигналыS−N , что позволяет получить спектр шумового сигнала вподвергаются операции N−Eединицах мощности дробового шума при текущей интенсивности зондирующегопучка.
Пример накопленных спектров и результирующего сигнала представлен нарисунке 3.5. Как вариант, возможно накопление только спектров S и N и вычитание: S − N. В таком варианте не требуется отдельной записи шумов электронногосигнала, но непосредственное сравнение спектров от разных образцов становитсянесколько менее удобным. Представленные дальше спектры будут, как правило,собой представлять результат процедуры деления, а ордината будет подписываться как «отношение сигнал-шум» или просто «сигнал» и выражаться в долях единицы или процентах от мощности дробового шума.Рисунок 3.5 — Экспериментальный пример сигналов, получаемых вэксперименте ССШ: (а) исходные спектры S, N и E; (б) обработанный спектр вединицах уровня дробовых шумов.513.2.2Зависимость спектра шумов фарадеевского вращения от длины волнызондирующего излученияВ настоящем разделе приведены результаты исследований спектров спиновых шумов в зависимости от длины волны зондирующего света с использованиемстандартной балансной схемы.
Эти результаты потребуются не только для начальной характеризации образца, но и для последующей демонстрации эффективностиприменения геометрии ВПЭ и возможности её использования для существенногорасширения оптического спектрального диапазона измерений в длинноволновуюобласть. В поле 34 мТл электронный резонанс находится близко к 200 МГц (фактор | | = 0.415). Нормировка сигнала осуществлялась методом переключения магнитного поля (при 130 мТл пик сдвигается за пределы области чувствительности детектора). В данном эксперименте не требовалось учитывать шумыэлектроники, поскольку они были пренебрежимо малы по сравнению с дробовыми. Мощность света, падающего на фотодиоды, поддерживалась постояннойв каждом измерении и равнялась 1.5 мВт, а время накопления сигналов варьировалось от 1 до 3 минут. На рисунке 3.6а представлены спектры спиновых шумовв зависимости от длины волны зондирующего пучка, на графике 3.6б спектральные зависимости площади под пиком и его ширины (в качестве значения ширины используется полуширина на уровне половинной амплитуды, ПШПВ).
Амплитуда сигнала падает с 11% до 0.6% при увеличении длины волны с 835.2 нм до865.2 нм. Дальнейшее увеличение длины волны потребовало бы неоправданно долгих времён накопления сигнала (см. 2.2.2). Наблюдаемый эффект уширения линиикачественно совпадает с результатами работы [53]. Бо́льшие значения ширин резонансов, полученные в настоящем исследовании, связаны, по всей видимости, сменьшим диаметром пучка зондирующего света и большей плотностью мощностив каустике, составлявшей около 6 кВт/см2 (против 1 кВт/см2 в [53]).
Более того,в соответствии с оценками работы [98] величина свободного пробега электроновпри данной концентрации должна составлять порядка 10 мкм, что сопоставимос диаметром сфокусированного пучка. Это может приводить к дополнительномутак называемому времяпролётному (или просто пролётному) уширению, связанному с тем, что часть электронов пересекает световой пучок за время, меньшеевремени поперечной релаксации 2 .52Рисунок 3.6 — Зависимость спектра шумов фарадеевского вращения (ФВ) отдлины волны зондирующего света в стандартной геометрии: (а) форма спектров;(б) спектральные зависимости площади под графиком и ширины линии.Температура образца 5 К.3.2.3Применение геометрии ВПЭХарактер шумового сигнала в зависимости от плотности мощности и длиныволны зондирующего света.В первом эксперименте, наглядно демонстрирующем эффективность геометрии ВПЭ, измерение производилось при помощи симметричной схемы (см.рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
