Диссертация (1335833), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Характерная картина сигнала, регистрируемого на ФЭУ, приведена на рисунке 2.3a. Поскольку оптические пути фемтосекундного излучения и излучения гелий-неоновоголазера полностью совпадают вплоть до момента сведения двух плеч схемы, наблюдаемаяна ФЭУ картина изменения интерференционного члена идентична фазовому шуму между48излучениями первой и второй гармоники. Амплитуда колебаний длин плеч интерферометра, которую можно оценить по виду наблюдаемых интерференционных картин, достигает5-6 .Рис. 2.2. Схема заведения гелий-неонового луча в установку для стабилизации разности оптических длин плечи2 .Оранжевым показано излучение He-Ne, красным - излучение первойгармоники, голубым - излучение второй гармоники, фиолетовым - участки совместного распространения первой и второй гармоникиДля компенсации низкочастотного шума необходимо из отслеживаемого ФЭУ сигнала, несущего информацию о шуме, сформировать сигнал отрицательной обратной связи,который необходимо подать на зеркало с пъезокерамическим приводом.Для этого на пъезопривод подаётся высокочастотная синусоидальная модуляция, примерно на два порядка превышающая по частоте шумоовую полосу.
В нашем случае частотамодуляции выбиралась равной Ω =3800 Гц вдали от собственного механического резонанса зеркала с пьезоприводом (приблизительно 10500 Гц), а глубина модуляции составлялапримерно /5, где - длина волны оптического излучения. Таким образом, сигнал, реги49Рис. 2.3. а) Характерная картина сигнала, регистрируемого при помощи ФЭУ, с выключеннойсистемой стабилизации длин плеч установки.
Хорошо виден низкочастотный шум с частотойпорядка 50 Гц. б) картина сигнала при включенной системе стабилизации. Низкочастотные компоненты шума подавлены.стрируемый на ФЭУ, можно записать следующим образом:(2.1) = (1 · cos( + cos Ω) + 2 · cos( + + ))2, где - глубина модуляции, - средняя разность фаз между двумя пучками, которуюсистема старается поддерживать, - случайный фазовый шум между двумя фазами.Интенсивность наблюдаемой интерференционной картины представляет собой сумму трех слагаемых, два из которых отражают интенсивность излучения, пришедших изкаждого плеча, третье же слагаемое отражает их интерференцию. =12 22++ 1 · 2 · cos( + + cos(Ω))22(2.2)Интерференционное слагаемое можно разложить в ряд Фурье(︃ = 1 · 2 ·(︃cos( + ) ·0 () + 2∞∑︁)︃)︃2 () · cos(2Ω)+=1(︃+ 1 · 2 ·sin( + ) · 2∞∑︁=1)︃2−1 () · sin((2 − 1)Ω) ,(2.3)50где J - это функции Бесселя 1го рода, а n - натуральные числа.Сигнал с ФЭУ подаётся на синхронный детектор, где он умножается еще раз накосинус модулирующей частоты, а затем проходит через RC-фильтр с постоянной времени = 300 мкс:1= ·Z (︂)︂12 22++ () cos(Ω)22(2.4)0В результате не зануляется лишь одно слагаемое, несущее в себе информацию о фазовом шуме в системе: = 1 2 · sin( + ) · 1 ()(2.5)Этот сигнал и есть сигнал ошибки, вызванный колебаниями разности оптическихдлин: он меняет знак в тот момент, когда разность фаз между оптическими полями проходит через ноль.
В дальнейшем этот сигнал прибавляется к сигналу высокочастотноймодуляции и подается в качестве обратной связи на пъезопривод зеркала, принудительнозаставляя разность фаз быть равной нулю. Поэтому для повышения эффективностишумоподавления и предотвращения возможности самовозбуждения шумов окончательный сигнал обратной связи формируется при помощи разработанного PID контроллера,схема которого в реализованном варианте показана на рисунке 2.4.
Сигнал с синхронногодетектора, подаваемый на разъем 1, поступает на вход интегратора (OP1, цепь R2R3C1),пропорционального усилителя (OP2) и дифференциатора (OP3, цепь R9R10C3). Операционные усилители, применяемые в схеме, имеют полосу пропускания 5 МГц, что достаточнодля рабочих частот системы. Также данные ОУ имеют небольшое значение напряжениесмещения нуля ( 1мВ) и низкий уровень собственных шумов (18 нВ·Гц1/2 ). Это обеспечивает малые ошибки интегрирования и дифференцирования, что необходимо для устойчивойработы регулятора [115, 116].
Переключатели S1, S2, S3 служат для независимого включения/отключения интегральной, пропорциональной и дифференциальной составляющихсигнала соответственно. Через резисторы R12, R13, R14 напряжение с выходов ОУ подается на первый суммирующий усилитель (OP4). На вход второго сумматора (OP5) подаетсясигнал с выхода первого и модулирующее напряжение с разъема 2.
Сформированный сигнал обратной связи через разъем 2 подается на вход усилителя зеркала с пьезоподачей.51Рис. 2.4. Электрическая принципиальная схема PID регулятора, применяемого всистеме стабилизации разности фазНа рисунке 2.3 б) показан характерный сигнал на ФЭУ при работающей системе стабилизации разности длин. Сравнение с соседним рисунком позволяет говорить о том, чтосистема позволяет компенсировать низкочастотные колебания фазы с большой амплитудой.2.4.
Регистрация терагерцового и оптического излученияДля когерентного детектирования терагерцового излучения используется процесс генерации второй гармоники пробного импульса в присутствии ТГц поля и постоянногоэлектрического поля в газовой среде (так называемое ABCD - детектирование [70]). Рольнелинейной среды, в которой происходит взаимодействие оптического излучения с терагерцовым, играет воздух при атмосферном давлении. Спектральный диапазон излучения, которое можно детектировать в газовых средах, ограничен длительностью детектирующеголазерного импульса как 1/ [70], что составляет приблизительно 7 ТГц для оптическихимпульсов длительностью 120 фс.Для этого пробный импульс оптического излучения, прошедший через линию задержки, фокусировался с помощью линзы с фокусным расстоянием 25 см сквозь отверстие,просверленное в параболическом зеркале PM2, в пространство между двумя плоскими52медными электродами длиной 1 см.
Терагерцовое излучение, отраженное от параболического зеркала PM2, фокусировалось им коллинеарно с пробным оптическим пучком в тоже пространство между электродами таким образом, что положения фокусов оптическогои терагерцового излучения совпадают по всем коорданатам и направлению. К электродамприложено постоянное высокое напряжение порядка 1.5 кВ при помощи высоковольтного модулятора ZOmega HMV5kV, расстояние между электродами составляло 1 мм (см.рисунок 2.5).PM1ТГцпучок1.5 кВЛиниязадержкиФильтрФЭУПробныйпучокf=25смPM2Рис. 2.5. Схема фрагмента экспериментальной установки, предназначенной для детектированияТГц излучения в плазме оптического пробоя по генерации второй гармоники пробного оптического импульсаВозникающее в результате четырехволнового взаимодействия в воздухе излучениевторой гармоники детектирующего излучения (процесс 2 = + + 0) несёт информациюо квадрате величины низкочастотного поля, которое является суммой поля ТГц импульсаи постоянного электрического поля:22 ∝ 4 ( + )2 ∝ (2 + 2 + )Второе слагаемое в скобках отвечает за когерентное детектирование ТГц поля, так53как является прямо пропорциональным первой степени поля.
Для исключения вкладовостальных слагаемых полярность постоянного поля меняется на противоположную припомощи модулятора высокого напряжения перед приходом каждого следующего оптического импульса. Излучение второй гармоники отделяется от фундаментального при помощи диэлектрического зеркала и пары интерференционных фильтров, пропускающихузкую полосу 395..405 нм. Далее излучение регистрируется при помощи ФЭУ HamamatsuR106UH, сигнал с которого идёт на синхронный усилитель. Синхронное детектированиена частоте смены полярности напряжения позволяет выделить член, пропорциональныйвеличине терагерцового поля при данном значении временной задержки между терагерцовым и детектирующим импульсом.Поскольку в процессе детектирования в перетяжке оптического импульса взаимодействуют два низкочастотных поля, одно из которых является заданным и известным, этопозволяет предложить метод оценки величины неизвестного терагерцового поля.
Еслиперекрыть пучок ТГц излучения, то на детектор будет приходить лишь излучение второй гармоники, обусловленное взаимодействием с постоянным полем (только слагаемое 2 ), величина которого с хорошей точностью известна. Если, кроме того, зафиксировать полярность постоянного поля для некоторого значения временной задержки∆ сонаправленно с направлением ТГц поля в этот момент времени (∆) и измеритьинтенсивность второй гармоники, то при помощи элементарных алгебраических преобразований можно вычислить величину ТГц поля.
Подробно этот способ описан в работенашей исследовательской группы [117]. Например, для энергии первой гармоники в пучке генерации в однопучковой схеме была получена амплитуда ТГц поля в максимуме,равная 2.5 кВ/см. Кроме того, в работах [117],[118] был описан фототоковый микроскопический механизм детектирования (то есть учитывающий движение свободных электроновв отличие от традиционно упоминаемого механизма, учитывающего нелинейный откликсвязанных электронов) при интенсивностях детектирующего пучка, достаточных для фотоионизации. Однако в использованном режиме детектирования в настоящей работе, былаиспользована энергия 65 мкДж в пробном импульсе первой гармоники.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
