太赫兹时域光谱系统的运动控制和数据采集

太赫兹时域光谱系统的运动控制和数据采集

分类号学号M201072868学校代码10487密级硕士学位论文太赫兹时域光谱系统的运动控制和数据采集学位申请人：袁静学科专业：光学工程指导教师：刘劲松教授答辩日期：2012.5.29\nADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheMotionControlandDataAcquisitionofTerahertzTimeDomainSpectroscopyCandidate:YuanJingMajor:OpticalEngineeringSupervisor:Prof.LiuJingsongHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2012\n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日\n华中科技大学硕士学位论文摘要太赫兹波是指频率范围为0.1~10THz的电磁波。最近20多年来，得益于超快激光技术的迅速发展，太赫兹时域光谱技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。为了得到太赫兹脉冲的时域波形和频域光谱，而编写的太赫兹时域光谱系统运动控制和数据采集软件，运动控制方便，数据采集处理完整、迅速，有很大的实用价值。以下是本论文的主要研究工作。参与搭建了透射式太赫兹时域光谱系统光路，深入分析了编写运动控制和数据采集软件的功能需求。并基于LabVIEW软件主要编写了步进平移台运动控制和锁相放大器数据采集处理等程序，成功实现了光程差的改变和时域幅值数据采集的一一对应，并完成了对时域波形进行实时快速傅里叶变换，以得到频域光谱。为证明程序的正确性，设计了相关的验证实验。首先加入0.3mm厚的聚四氟乙烯样品进行探测，样品时域信号波形相对于参考信号波形有1.12ps的时间延迟，证明了被测信号为太赫兹信号，即证明了时域波形数据采集程序的可行性。然后将所测时域数据导入Oringin软件中进行快速傅里叶变换得到的频谱图，与直接由LabVIEW快速傅里叶变换程序得到的频谱图对比，二者波形一致，证明了所设计的LabVIEW快速傅里叶变换程序是可行的。最后利用LabVIEW软件得到的频谱图来分析太赫兹脉冲的带宽，并设计了双泵浦光产生太赫兹脉冲的实验，太赫兹脉冲的带宽由2.75THz增加到了5.2THz。为了更方便的搭建和调试光路，也为了使光路系统更加的简单紧凑，根据实际需要，设计了相应的机械零部件，如标定光路高度的光标板零件，装夹探测晶体的晶体盒装置，装夹反射镜的45°底座装置等等。关键词：太赫兹时域光谱系统运动控制数据采集机械设计I\n华中科技大学硕士学位论文AbstractTHzwaveisakindofelectromagneticwavewhosefrequencyrangesfrom0.1THzto10THz.Inthelast20years,thankstotherapiddevelopmentofultrafastlasertechnology,THz-TDSasanewandrapiddevelopingspectralanalysismethodisconcernedinmanyareas.Togetthetime-domainwaveformandthefrequency-domainspectrum,IhaveprogrammedasetofproceduresaboutmotioncontrolanddataacquisitioninTHz-TDS.Asit’seasytocontrolmoveandfasttocollectandprocessdatacompletely,thissoftwarehasgoodpracticalvalue.Thefollowingsarethisthesis’smainresearchwork.AsIhaveparticipatedinbuildingthelightpathoftransmissiveterahertztimedomainspectroscopysystem,soIcoulddeeplyanalyzethefunctionalrequirementsofmotioncontrolanddataacquisitionforprogramming.AndIhaveprogrammedasetofproceduresmainlyaboutmotioncontrolofsteppertranslationstageanddataacquisitionandprocessingoflock-inamplifierbyLabVIEW,whichhavesuccessfullyrealizedthesynchronizationofthechangeofopticalpath’sdifferenceandthetimedomaindata’sacquisition,andmoreovercompletedthereal-timefastfouriertransformofthetime-domainwaveformtoobtainspectrum.Inordertoprovetheprocedures’correctness,Idesignthecorrespondingexperiment.FirstIputthePTFEsampleintoTHz-TDStobedetected,findingthatthereisa1.12pstimedelaybetweensample’ssignaltime-domainwaveformandreference’s,whichprovesthatthemeasuredsignalisterahertzsignalandtheproceduresoftime-domaindataacquisitioniscorrect.ThenIimportthemeasuredtime-domaindataintotheOringinsoftwaretobefastfouriertransformed,findingthatthefrequency-domainspectrumFFTbyOringinisassameasFFTbyLabVIEW,whichprovesthattheLabVIEWFFTprocedureisfeasible.Finally,Ianalyzethebandwidthfromthefrequency-domainspectrum,anddesignthedual-pumpexperimenttoobtainTHzwavewhosebandwidthisincreasedfrom2.75THzto5.2THz.Tomaketheopticalpath’sbuildinganddebuggingmoreconveniently,andtomakeopticalsystemmoresimpleandcompact,Idesigntheappropriatemechanicalpartsaccordingtoactualneeds,suchasthecursor-platepartwhichisusedtocalibratetheopticalpath’sheight,thecrystal-boxdevicewhichisusedtoclampthedetectedcrystal,andthe45-basefolderdevicewhichisusedtoclampthemirrorandsoon.Keywords:THz-TDSMotioncontrolDataacquisitionMechanicaldesignII\n华中科技大学硕士学位论文目录摘要..................................................................................................................IAbstract................................................................................................................II1绪论1.1太赫兹辐射简介......................................................................................(1)1.2太赫兹技术研究现状及其应用进展......................................................(3)1.3太赫兹时域光谱技术简介......................................................................(4)1.4本论文的主要工作..................................................................................(6)2太赫兹时域光谱系统基本原理及系统组成2.1光电导天线辐射太赫兹波的基本原理..................................................(7)2.2自由空间电光取样测量太赫兹波时域波形的基本原理......................(8)2.3透射式太赫兹时域光谱数据处理基本原理........................................(11)2.4透射式太赫兹时域光谱系统组成........................................................(12)2.5本章小结................................................................................................(17)3太赫兹时域光谱系统运动控制与数据采集处理程序设计3.1LabVIEW简介......................................................................................(18)3.2子程序设计............................................................................................(19)3.3运动控制和数据采集处理总程序框图和前面板设计........................(29)3.4程序正确性验证实验............................................................................(33)3.5本章小结................................................................................................(38)III\n华中科技大学硕士学位论文4太赫兹时域光谱系统相关机械零件设计4.145°反射镜镜架底座设计......................................................................(39)4.2标高挡板零件设计................................................................................(45)4.3晶体盒装置设计....................................................................................(46)4.4本章小结................................................................................................(48)5总结和展望...............................................................................................(49)致谢.............................................................................................................(50)参考文献.........................................................................................................(51)IV\n华中科技大学硕士学位论文1绪论本章主要内容包括太赫兹辐射的基本情况简要介绍、太赫兹辐射的产生与探测、太赫兹技术的应用以及本论文的主要研究内容及章节安排。1.1太赫兹辐射简介1212太赫兹（Terahertz，简称THz）辐射是指振荡频率在10Hz(1THz=10Hz)左右的-12电磁辐射。振荡频率为1THz的辐射波，它的振荡周期是1ps(1ps=10s)，波长是300μm，相应的光子的能量是4.1MeV，波数是33个，以及特征温度是48K。一般所指的太赫兹波段，通常是指频率范围从0.1到10THz的电磁波段，其波长是从0.03到3mm，在电磁波谱中它是位于微波和红外线之间。因而早期太赫兹辐射在不同领域有不同的名称，在电子学领域，它被称为超微波和亚毫米波；而在光谱学领[1~4]域，它又被称为远红外射线。图1-1给出了太赫兹波段在电磁波谱中的位置。图1-1太赫兹波段在电磁波谱中的位置[5]虽然早在一百多年前，Rubens和Nichols就对该波段进行了探索，但一直没有得到具体的应用和深入的研究。早期，人们对太赫兹辐射的兴趣主要是来源于大气对太赫兹辐射的强吸收，因而太赫兹光谱技术主要被天文学家和化学家用来研究简单分子[6]的振动和转动的光谱性质以及热发射线。直到最近几十年，由于低尺度半导体技术和超快激光技术的迅猛发展，太赫兹技术才开始蓬勃发展起来了。太赫兹波段在电磁波谱中，位于电子学领域和光子学领域之间。由于这一特殊位置，太赫兹辐射表现出与1\n华中科技大学硕士学位论文[7]其它波段的电磁辐射不同的独特性质：(1)高透视性太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体都具有高穿透性，如干燥的纸板、布料、木材、塑料制品、泡沫、陶瓷和脂肪等。因而，它可以用来对可见光不透明物品进行透视成像，即可以作为X射线和超声波等成像技术的良好补充，也可以用于对爆炸物、隐蔽物等的安全检查，或用于对包装内的物品进行无陨质检。(2)安全性振荡频率为1THz的太赫兹光子的能量是4.1MeV，由于此能量低于任何化学键的键能，因而它不会有像X射线直接辐射人体引起的有害的电离反应。再加上水分子对THz辐射有强烈的吸收，因而它不会穿透人体的皮肤。即使是强烈的太赫兹波直接照[8]射人体，它对人体的影响也不会像微波那样穿透人体的内部，也只是停留在皮肤表层而已。科学家们预测，太赫兹波成像技术在不远的将来将会是车站、机场及海关的安全检查新手段。(3)光谱分辨本领虽然太赫兹辐射的光子能量约为可见光的1/40，但物质在该波段的发射、反射和透射光谱中包含了丰富的物理和化学信息。许多极性分子如生物大分子、毒品和炸药分子的振动和转动能级，正好位于太赫兹波段，并在这一波段表现出强烈的吸收和色[9~13][14]散特性，使得太赫兹光谱技术在大分子的分析和研究方面有着广阔的应用前景。根据这一光谱分辨本领，太赫兹技术特别是太赫兹光谱成像技术，不仅可以用来辨别物体的形貌，而且可以用来鉴别物体的组成成分，为缉毒、排爆、反恐等提供了探测手段。以上主要是太赫兹波与短波长电磁波相比的几个特性，与长波长的电磁辐射相比，太赫兹辐射也有其独特的优点。在频率方面，太赫兹波的频率比微波更高，因而其作为通讯载体时，单位时间内承载的信息更多。在波长方面，比微波的波长更短，因而其发射方向性更好。在中短距离高容量无线通信中，太赫兹波很有应用潜力价值。在成像应用中，太赫兹波具有更高的空间分辨率，或在保持同等分辨率时具有更长的景深。2\n华中科技大学硕士学位论文1.2太赫兹技术研究现状及其应用进展太赫兹辐射独特的性质决定了太赫兹技术存在的重大的科学价值和广阔的应用前[15]景，太赫兹技术已成为“改变人类未来的十大科学技术”之一。美国早在20世纪90年代中期就开始大规模研究太赫兹技术。2000年以后，欧洲也在积极投入到太赫兹方面的研究工作当中。日本和中国也在2005年开始重视太赫兹辐射的研究。目前，世界上已有130多个研究机构在太赫兹激光器、太赫兹光谱学以及生物医学成像等方面展[16~18]开了研究。在过去的30年中，伴随着各种新材料、新技术的不断涌现，为太赫兹辐射提供了[6]新的更高功率的发射源，太赫兹技术已经发生了革命性的变化。太赫兹技术已经被证明在生物医学成像、安全检查、宽带通信与雷达等众多领域有着广阔的科研价值和应用前景。(1)太赫兹技术在生物医学上的应用由于太赫兹波的独特的性质，太赫兹技术在生物医学领域有着广泛的应用，从生物样本成像到无标识生物大分子的检测，如癌症检查、无标识DNA、氨基酸的检测、[19,20]中草药的鉴别研究、药片外部药膜厚度测量、T射线生物探头等。(2)太赫兹技术在安全检查上的应用与X光检测相比，太赫兹波可以实现非接触、非破坏性的检测。利用太赫兹波光谱和成像技术，在海关、机场、车站等地方检查通关的旅客、物品、包裹等，可以有效的探测和识别出隐藏的炸药、毒品、生化武器、枪支、刀具等危险物品。(3)太赫兹技术宽带通信与雷达上的应用在宽带通信上，太赫兹波比微波的能做到的带宽更宽、讯道数更多，通讯传输的容量更大，特别适合作局域网、星地间及卫星间的宽带无线通讯。在雷达探测方面，由于太赫兹波极高的方向性，太赫兹雷达与传统的雷达相比，定位更精确，能探测的目标更小，云雾穿透能力更强。在军事和国防上，太赫兹雷达可以完成武器探测如探测到“隐身”飞机、前方战场烟雾与灰尘中的坦克以及远程监控等；在航天上，利用太赫兹波能够穿透等离子体的特性，利用太赫兹技术可以弥补由于空气电离而造成的航天飞机或飞船与发射基地之间的通讯中断。3\n华中科技大学硕士学位论文1.3太赫兹时域光谱技术简介1.3.1太赫兹时域光谱技术的研究意义太赫兹光谱技术在材料的分析和测试上，有着广阔的应用领域和重要的科学价值，可以被用来研究材料的频率和远红外之间关系。目前主要有三种方法可以得到材料的太赫兹光谱：傅立叶变换光谱技术（FTS）、窄波段的光谱技术及太赫兹时域光[21,22]谱技术（THz-TDS）。FTS技术的优越性是它的光谱波段很宽，从太赫兹到红外波段。缺点是它的光谱分辨率有限。更高的光谱分辨率的测量可以使用窄波段的光谱技术。尽管THz-TDS技术的光谱分辨率和窄波段技术相比很粗糙，并且其测得的频谱范围和FTS技术相比也很小，但THz-TDS技术相对于其它两种光谱技术，有着它[1]独特的优点：(1)THz-TDS测量的频谱域是太赫兹频段，这是其它两种光谱测量技术很难获得的。(2)THz-TDS技术中，给出的信号是太赫兹脉冲的电场强度，包含了振幅和相位信息。相对于FTS技术，THz-TDS可以不用克拉默斯—克勒尼希（K—K）变换，就可以直接得到被测样品的折射率和吸收率，提高了测量的效率和准确性。(3)THz-TDS技术中，由于THz电场是被相干测量的，因而该技术提供的相位信息灵敏度和时间分辨率都高于FTS技术。(4)THz-TDS系统是对太赫兹脉冲的探测是基于取样探测，时间窗口为1ps，因而5可以摒除绝大部分比太赫兹信号强的背景噪声，信噪比高达10，这远远高于FTS技术。[17]THz-TDS技术在太赫兹光谱测量上的独特的优越性，促成了近来很多新的应用，在国防军事、安全检测、产品质量监控、生物医学等领域都具有潜在的应用价值和前景，因而研究THz-TDS技术具有非常重要的意义。1.3.2太赫兹时域光谱技术的研究内容THz-TDS技术是太赫兹光谱技术的典型代表，一束飞秒激光脉冲被分光镜分为两束，一束泵浦太赫兹发射器产生太赫兹脉冲，经过自由空间传播后，被离轴抛物面镜反射聚焦到太赫兹探测器。另外一束作为探测光，和太赫兹脉冲同步共线地通过太赫4\n华中科技大学硕士学位论文兹探测元件。通过延迟线调制同步到达的探测光，扫描这个时间延迟就可以获得太赫[23][24]兹脉冲的时域波形，再经过傅立叶变换就可以得到频谱波形。对比放置样品前后[25]的波形的改变，就可以得到样品在太赫兹波段的吸收系数、折射率、介电常数等信息。太赫兹时域光谱分为透射式和反射式两种，透射式就是使太赫兹辐射透过被测样品，反射式就是太赫兹辐射从样品表面反射。对于太赫兹辐射吸收或反射较小的样品，相对于反射式来说，透射式的光路系统获得的信噪比也较高，调节起来比较容易，因而应用比较广泛。图1-2给出了透射式THz-TDS装置示意图。图1-2透射式THz-TDS装置示意图目前对太赫兹时域光谱技术的研究主要有：（1）太赫兹脉冲的发射，包括提高耦合效率（将泵浦光功率从光频耦合到太赫兹频段），辐射带宽和辐射功率。目前宽频带的太赫兹脉冲的发射主要有两种产生方法：基于光电导天线的光电导机制和基于非线性晶体的光整流法。光电导的发射装置可以[26][27]产生大约40μW的太赫兹辐射功率和大约4THz的辐射带宽。与之相比，光整流装置输出的太赫兹辐射的功率就较小，耦合效率较低。但是可以输出的辐射带宽更宽，[28]可以高达50THz。从获得高能量和高耦合效率的太赫兹辐射的角度出发，大多数选择光电导天线辐射太赫兹。（2）太赫兹脉冲的探测，包括探测的时间分辨率、频谱分辨率和频谱宽度。和太赫兹脉冲的产生方法类似，目前最常用的探测方法主要有两种：电光取样法和光电导[29,30]取样法。虽然这两种探测方法都实现了0~100THz的宽带测量，但由于电光取样探5\n华中科技大学硕士学位论文测是光学测量，因而具有较高的分辨率，另外电光晶体比光电导天线在价格上占用优势，因而其在太赫兹辐射的探测中多被采用。1.4本论文的主要工作由于目前的THz-TDS装置价格昂贵，且有待进一步微型化、实用化。因而，根据实际需要搭建一套能够探测样品的THz-TDS，并编写相应的运动控制和数据采集处理软件具有非常重要的实际意义。本论文的章节安排如下：第2章为THz-TDS的基本原理和组成介绍，分别介绍了光电导天线辐射太赫兹波原理、自由空间电光取样探测太赫兹波原理以及数据处理基本原理，并详细介绍了实验搭建的GaAs光电导天线产生和ZnTe晶体电光取样探测太赫兹波光路系统的基本组成。第3章为THz-TDS运动控制与数据采集处理程序设计，主要设计了基于LabVIEW编写的THz-TDS运动控制和光谱数据采集处理的相关子程序和总程序。为了验证程序的正确性，设计了相关的验证实验。第4章为THz-TDS相关机械零件设计，设计了标高挡板零件，晶体盒装置以及45°反射镜镜架底座装置等等。第5章为总结和展望。6\n华中科技大学硕士学位论文2太赫兹时域光谱系统基本原理及系统组成太赫兹时域光谱技术是一种相干探测技术，能同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位等信息，通过傅立叶变换获得幅值和相位的变换量，对比放置样品前后的信息，进而可获得样品的光谱信息。本章首先对太赫兹时域光谱系统的基本原理进行了介绍，其中辐射太赫兹波以光电导天线辐射为例，探测太赫兹波以ZnTe自由空间探测为例，然后介绍了实验搭建的透射式太赫兹时域光谱系统。2.1光电导天线辐射太赫兹波的基本原理20世纪80年代末，D.H.Auston和D.Grischkowsky等人最早提出了光电导天线产[31,32]生太赫兹脉冲的方法。光电导天线是由基片和蒸镀在上面的两根金属电极组成的。太赫兹辐射发射器的性能主要决定于：基片的材料、天线的结构和泵浦激光的脉冲宽度等三个因素。其中基片的材料是关键部件，应具有尽可能短的载流子寿命、高的载流子迁移率以及介质耐击穿强度，一般多采用具有极短电子寿命的半导体材料，如低温生长的砷化镓（LT-GaAs）、砷化铟（InAs）或掺杂硅（Si）。其中，LT-GaAs[33]含有较多的砷反应缺陷，具有独特的光学性质：其载流子寿命在亚皮秒量级，并具有较高的载流子迁移率和很强的耐击穿强度，因而LT-GaAs光电导天线被广泛采用。天线结构通常有：赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线以及大孔径[34]光导天线等。由于基本偶极子天线的结构相对比较简单，大多数实验中都采用了它。光电导天线结构及太赫兹脉冲发射示意图如图2-1所示。太赫兹V飞秒激光脉冲基底电极偏置电压图2-1光电导天线结构及太赫兹脉冲发射示意图如图2-1所示，由于基片为半导体材料，在两金属电极之间加上偏置电压后，就7\n华中科技大学硕士学位论文会在电极之间形成电容器结构，并存储静电势能。当有激光脉冲入射到两电极之间的基片材料上时，并且当入射光光子的能量大于基片材料的能隙宽度时，就会在两电极材料之间的被照射的基片上产生光生载流子。这些光生载流子在偏置电场的作用下，就会出现定向加速移动形成瞬时变化的电流。根据麦克斯韦方程可知，变化的电场可以激发涡旋磁场，进而储存的静电势能将以电磁波的形式释放出来。两电极之间的电流密度可以表示为：J(t)=N(t)eµE(2-1)b式（2-1）表示的电流是一个能够辐射电磁波的瞬变电流。当激发光为飞秒激光时，所辐射的电磁波即为太赫兹辐射。太赫兹辐射的电场强度与激发光的光强和偏置电场的场强成正比：1A∂J(t)Ae∂N(t)E==µE(2-2)THz22b4πε0cz∂t4πε0cz∂t式（2-2）成立的前提条件是：低激发光强和弱偏置电场。当激发光的光强增加到一定程度时，基片的半导体性质就会被破坏，具有一定的导电性质，这时太赫兹电场就会反过来屏蔽偏置电场，随之太赫兹电场就会达到饱和状态。此外，当偏置电场达到一定的高度时，就会击穿基片材料，就不会继续辐射太赫兹脉冲了。2.2自由空间电光取样测量太赫兹波时域波形的基本原理2.2.1电光探测技术电光探测技术是基于线性电光效应即普克尔效应（PockelsEffect），常用的电光晶体有ZnTe、ZnSe、CdTe、LiTaO3和有机DAST等。其中ZnTe由于在灵敏度探测、带宽测试和稳定性等方面都优于其它晶体，因而最常用于太赫兹辐射的探测中。当太赫兹脉冲和线性偏振的探测脉冲同时共线的通过电光晶体时，由于太赫兹脉冲会改变电光晶体的折射系数，使之发生PockelsEffect，通过电光晶体的探测脉冲就会发生双折射，由线性偏振变为椭圆偏振。由于探测光的椭圆偏振度与太赫兹电场成正比，因而[35]检测该椭圆偏振度，就可以获得到太赫兹的电场强度。检测椭圆偏振度有两种方法，一种是消光检测，另外一种是平衡检测。由于平衡8\n华中科技大学硕士学位论文检测由一个1/4波片、一个偏振棱镜和一个光电平衡二极管组成。图2-2给出了自由空间电光取样平衡检测模式原理图，对比说明了没有太赫兹电场和有太赫兹电场时的情况。图2-2自由空间电光取样平衡检测模式原理图当没有太赫兹电场时，线性偏振的探测光经过一个1/4波片后变成圆偏振光，进而被偏振棱镜分为两束光强相等互相垂直的线偏振光分量，经过一对对接的光电平衡二极管之后，输出的信号值S=0。当有太赫兹电场时，就会引起探测光的相位延迟τ，该相位延迟与所施加的太赫兹电场的强度成正比。dEπTHzΓ=(2-3)Eπ式（2-3）中d为晶体的厚度。被太赫兹电场调制后的椭圆偏振的探测光经过一个1/4波片后仍为椭圆偏振光，再经过偏振棱镜分束后，分成两束光强不等的线性偏振光，最后由光电平衡二极光输出的信号S≠0。S=Isin2φsinΓ≈IΓsin2ϕ(2-4)00式（2-3）中I0是探测光的强度，ψ为探测光的偏振方向和太赫兹电场导致折射率椭球长轴之间的夹角。将式（2-3）代入到式（2-4）得：9\n华中科技大学硕士学位论文ETHzS≈I0dπsin2ϕ(2-5)Eπ该信号S与太赫兹电场的强度成正比。通过差分探测器得到的信号S是以电流形式存在的微弱信号，其周围掺杂着各种干扰噪声。为了进行稳定和精确的检测，需要从噪声中提取、恢复和增强被测信号，因而通常将信号S输入到锁相放大器中，以提高信噪比。2.2.2等效时间取样重构太赫兹时域波形的基本原理由式（2-5）可知，欲记录太赫兹脉冲的电场随时间的变化波形（太赫兹脉冲时域波形），即记录信号S随时间的变化波形。但由于探测光脉冲的脉冲宽度远小于太赫兹脉冲的振荡周期，再加上THz的频率远远超出了仪器的频率响应范围，为解决这个困难，需通过光学延迟结构来调整太赫兹脉冲和飞秒激光脉冲的时间延迟。光学延迟结构由电控平移台及固定在上面的互相垂直的两片反射镜组成，电控平移台一般由步进电机拖动，以便位移得到精确的控制。当平移台移动步长为△X时，相应的光程差为2△X，相应的时间延迟为△t。图2-3给出了光学延迟结构原理图。2∆X∆t=(2-6)cΔX延迟线Δt图2-3光学延迟结构原理图重构太赫兹脉冲时域波形，需采用等效时间采样原理。以飞秒激光脉冲作为探测光，通过在待测太赫兹脉冲周期信号Sa(t)的不同周期上，利用飞秒激光脉冲冲激序列F(t)抽取采样点，探测不同时延下太赫兹波电场对探测光椭圆偏振度的改变，即利用10\n华中科技大学硕士学位论文从光电平衡二极管输出的信号Sa(t)的变化，重新构建太赫兹脉冲的时间波形，新构成的太赫兹脉冲信号SF(t)形状与原始太赫兹脉冲信号Sa(t)相似，但在时间上比原来的信号展宽了若干倍，从而解决了THz波探测时的响应困难。图2-4给出了等效时间采样原理示意图。(t)aStF(t)(t)FSt（相对时间延迟）图2-4等效时间采样原理示意图2.3透射式太赫兹时域光谱数据处理基本原理利用等效时间取样原理重构的太赫兹时域波形记录了太赫兹电场幅值随时间的变[36]化A(t)，对太赫兹时域波形进行傅立叶变换：1∞−iwtA(ω)=∫A(t)edt(2-7)2π−∞然后就可以得到太赫兹脉冲在频率域的分布（太赫兹频域波形）：~E(ω)≡A(ω)exp[−iφ(ω)]=∫E(t)exp(−iωt)dt(2-8)式（2-7）和式（2-8）中ω为角频率，由该式可知，太赫兹频域波形记载了太赫兹辐射的幅值，A(ω)和相位φ(ω)信息。当利用太赫兹辐射获得样品的光谱信息时，首先要分别对参考波形和样品波形进行傅立叶变换，获得参考光谱和信号光谱，依次是：11\n华中科技大学硕士学位论文~E(ω)≡A(ω)exp[−iφ(ω)](2-9)rrr~E(ω)≡A(ω)exp[−iφ(ω)](2-10)sss如果知道了样品的厚度d，通过比较参考光谱和样品光谱，就可以计算出样品的折射率：[φ(ω)−φ(ω)]csrn=1+(2-11)ωd式(2-11)中，c为光速。得到样品的折射率后，继而可以计算出样品的吸收系数：1Arα=ln(2-12)dAs2.4透射式太赫兹时域光谱系统组成2.4.1系统光路飞秒激光M1BS探测光M3M2A1泵浦光M5M4M10M6格兰.汤普森棱镜平移台L1M8M7A2GaAs天线抛物面镜样品M11M9L2L3ITO电光探测器锁相放大器ZnTe图2-5透射式太赫兹时域光谱系统光路图如图2-5所示为实验室自主搭建的透射式THz-TDS光路图，系统基本组成主要包括太赫兹源、太赫兹发射器、太赫兹探测器以及相关的光路和控制与数据采集处理统。图中BS为分光片；M1～M9为平面反射镜；A1～A2为光阑；L1～L3为透镜；PM为离轴抛物面镜。12\n华中科技大学硕士学位论文2.4.2系统工作原理如图2-5所示，用适当的光路将太赫兹产生器与太赫兹探测器连接，就构成了太赫兹时域光谱系统光路图。锁膜飞秒激光器产生的脉冲飞秒激光经过脉宽压缩仪后，消光比大于100：1。进入到光路系统中，经分光镜分成两束光强之比为1：1的探测光和泵浦光。泵浦光经平移台延迟后反射聚焦进入到GaAs光电导天线上，产生太赫兹脉冲。欲绘制出太赫兹脉冲的时域波形，首先通过步进电控平移台调节太赫兹脉冲和飞秒探测光之间的光程差ΔX（ΔX=X2-X1）即时间延迟Δt，再将由电光探测器得到的信号S输入到锁相放大器中进行相关检测滤波，提高信号的信噪比。最后应用自由空间取样的方法就可以得到时域波形图SF(t)。对太赫兹脉冲的时域波形图进行傅立叶变换就可以得到太赫兹脉冲的频域波形图。2.4.3系统主要元器件作用分析(1)分光片的使用，分光片的作用是将飞秒脉冲激光分成两束，一束为泵浦光，一束为探测光，二者的分光比为1：1。(2)平移台的使用，用来改变泵浦光的光路长度，即改变泵浦光和探测光的光程差（时间延迟量），同时以步进扫描的方式对太赫兹脉冲进行逐点探测，得到太赫兹时域波形。(3)格兰.汤普森棱镜的使用，用来提高探测光的消光比到4000：1。(4)光阑的使用，A1用来改变光的总功率大小，A2用来改变探测光的功率大小。(5)离轴抛物面镜的使用，其焦距为f=50.8mm。离轴抛物面镜的作用是对太赫兹波进行反射式聚焦，再将样品放置在这个焦点处，可以提高太赫兹波的能量利用率。(6)ITO玻璃的使用，用来反射太赫兹波。(7)透镜的使用，透镜的作用是聚焦，L1、L2的焦距为f=100mm，L3的焦距为f=50mm。L1的作用是对泵浦光进行聚焦，以提高其功率密度，同时控制其进入光电导天线的光斑尺寸，以提高太赫兹脉冲的产生效率。L2的作用是对探测光进行聚焦，以控制其光斑尺寸，提高其功率密度，以提高太赫兹波的探测效率。L3的作用是减小进13\n华中科技大学硕士学位论文入光电平衡二极管的光斑尺寸，提高电光探测器的收集效率。2.4.4系统主要元器件性能介绍(1)飞秒脉冲源本系统使用的是Coherent公司的Micra-5飞秒激光及脉宽压缩仪，器件性能如表2-1所示。表2-1飞秒振荡器主要性能参数带宽30-100nm中心波长800nm脉冲宽度40fs重复频率80MHz平均输出功率>300mW(2)ABL-100Auto-BalancedDetector本系统使用的探测装置是Zomega公司的ABL-100Auto-BalancedDetector，内部结构为一个λ/4波片，一个渥式棱镜和一对光电平衡二极管组成的差分电路。主要性能参数如表2-2所示。表2-2探测装置性能参数探测带宽10Hz~200KHz电源±5VDC，0.15A探测波长范围740~860nm输出接口SMA(3)光电导天线本系统使用的光电导天线采用EKSPLA公司的太赫兹发射器，光电导天线蒸镀在低温生长的GaAs（LT-GaAs）基片上，产生的太赫兹波再经过高电阻率的超半球的Si透镜准直扩束。泵浦光功率最大值为80mW，偏置电压最大值为180V，产生的太赫兹波的频谱范围为0.1~3THz。(4)电动平移台与步进电机控制器本系统的延迟线控制仪器采用的是北京北光世纪仪器有限公司的MTS203电控平移台和SC103步进电机控制器。表2-3为MTS203电控平移台的主要技术指标。14\n华中科技大学硕士学位论文表2-3电控平移台参数行程（mm）50台面尺寸（mm）115×180导轨V形导轨＋交叉滚柱丝杆导程(mm）1重复定位精度<3μm分辨率（mm）0.000078最大速度(mm/s)10重复定位精度(mm）＜0.003轴向间隙(mm）＜0.005步进电机（1.8°）42步进电机最大静转矩(Ncm)40中心负载（kg）12[37]本电机为42步进电机，两相HB型步进电机，8主极、50齿、步距角1.8，低速时振动较大，高速时力矩下降快，从静止加速到工作转速需要200~400ms，不适用于快速启停的场合，适用高速且相对精度和平稳性要求不高的场合。该电机需要配备驱动器，通过驱动电路将直流电变成分时供电方能使用。驱动电路如图2-6所示。开关S1为ON时，第1相的绕组导通，如切换第2组绕组电流的脉冲指令，S1将打开变为OFF状态，S2变成ON状态。如此，电机转子就旋转一个固定角度。电路每切换一次，电机就以固定的角度转动一步。改变开关切换速度，就可改变旋转速度。开关的切换频率是由驱动电路的指令脉冲频率来决定的。工作原理图如图2-7所示，驱动器发出一个脉冲指令，驱动电路就切换一次开关状态，步进电机转子就转过一个步距角，相应的平移台就运动一个步距；发出n个脉冲指令，转子就旋转步距角的n倍，平移台就运动一段相应的距离即n个步距。导程(mm)步距(mm)=(2-13)200×细分SC103型号步进电机控制器用于分时控制三维电控位移台，主要特征为：配步进电机驱动器，驱动器细分可控，常规为2到64细分。配备与电控平移台连接和与计算机连接的标准通讯接口RS232,支持计算机经RS232串口进行界面或命令在线控制。15\n华中科技大学硕士学位论文脉冲输入情况为1个脉冲，直线台输入位移时为0.001毫米。支持运行过程中速度大小的调节，可选择脉冲速度为10~50000Hz。支持S曲线加速度，支持零位安装位置设置，支持软硬限位功能。运行功能包括相对运动和绝对运动，实验中根据需要选择相应的运动方式。图2-6步进电机驱动电路原理图图2-7步进电机工作原理图细分越大，平移台运动越平稳；加速度和速度越小平移台运行越平稳。但根据实验实际情况，综合考虑之后相应功能参数选择如表2-4所示。表2-4SC103控制器相应功能参数选择细分32加速度档2，1，5开关偏置10空回补偿10负软限位-1677.719正软限位1677.719(5)锁相放大器图2-8SR830相位灵敏检测技术工作原理图16\n华中科技大学硕士学位论文锁相放大器是一种对交流信号进行相敏检波的放大器，选择StanfordResearchSystems公司的SR830型号，工作原理图如图2-8所示，利用所谓的“相位灵敏检测”技术，取得与参考信号同频率的直流被测信号。实验中特定参考频率输入为光电导天线的偏置电压电源的调制频率，ABL-100Auto-BalancedDetector的SMA接口输出为锁相放大器的信号输入，经过相关检测后的直流信号会存储在仪器的内置存储缓冲器中，此数据即为与太赫兹电场成正比的直流电压信号。SR830锁相放大器的参考频率响应范围为1mHz~102KHz。锁相放大器采用标准的RS232串口和GPIB并口，由于RS232串口通讯的速率完全能够满足本实验的需求，且串口通信简单易于编程，固本实验采用串口通讯。2.5本章小结本章首先分别介绍了光电导天线辐射太赫兹波和自由空间电光取样测量太赫兹波时域波形的基本原理（包括等效时间采样原理和光学延迟结构原理）；然后对透射式太赫兹时域光谱数据处理的基本原理作了简要介绍，最后重点以实验搭建的透射式太赫兹时域光谱系统为例，介绍了系统的工作原理，并对系统的各部分组成装置的作用和性能进行了介绍。17\n华中科技大学硕士学位论文3太赫兹时域光谱系统运动控制与数据采集处理程序设计控制与数据采集处理程序是太赫兹时域光谱系统的重要组成部分，包括控制电控平移台的移动，从锁相放大器中采集数据并处理数据以及显示和存储波形等功能。本章首先介绍了利用LabVIEW软件编写的电控平移台的串口通讯控制程序和锁相放大器的串口通讯采集程序，然后介绍了将二者有机结合的运动控制与数据采集处理程序，以实现控制和数据采集的同步性，最后介绍了利用编写的控制与数据采集处理程序来分析太赫兹时域光谱系统的带宽以及为增加带宽的双泵浦实验。3.1LabVIEW简介事实证明，若用传统的编程语言例如VisualBasic、C、C++或Java等来编写太赫兹时域光谱数据，由于其使用文本方式编程，不仅编程难度高，而且工作量大，增加了实验周期，降低了效率。已有的Matlab程序处理太赫兹时域光谱数据只可得[38]到一部分物理参数，而Origin软件处理THz光谱数据则需要很多重复性的工作。因而迫切需要一种更加简便快捷的数据采集、处理与分析手段以适应太赫兹技术的发展。[39,40]LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentationEngineeringWorkbench）是实验室虚拟仪器工程平台的简称，由美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTSTM，简称NI）所开发的一种面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，同时也是一种图形化程序（G语言）编译平台。目前LabVIEW软件广泛应用于实验室研究和工业自动化领域，例如数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试。LabVIEW通讯接口方面支持：串行口（RS232（、USB、TCP、GPIB等界面。由LabVIEW编写的程序称为虚拟仪器VI(VirtualInstrument)，由前面板和程序框图两部分构成的应用程序。前面板是应用程序的人机交互的界面，模拟真实仪器的前面板，由控制量（如旋钮、按钮、开关等）和显示量（如示波器等）组成。程序框图是VI的程序代码，由图标、连线和框图组成的。18\n华中科技大学硕士学位论文LabVIEW的G语言编程的一大特色即是图标，图标是将常量、变量、函数以及VIs和ExpressVIs图形化，通过图标的数据端口向其它图标传递数据。连线是图标的数据端口之间的数据通道，数据是顺着连线单向流动的，从数据源头端口向数据目的端口流动。框图是用来控制VI程序的执行方式。一个VI可以作为独立的主程序执行，也可以作为其它程序的一个模块子VI(SubVI)执行。由于G语言能够很好的实现模块化的编程，因而编写一个复杂的程序时，可以首先将这个复杂的编程任务分解成一系列的子任务模块，然后每一个子任务模块交由一个子VI完成，最后将这些子VI有机组合在一起就形成了最终的应用程序。由于LabVIEW是基于数据流的编程思想，其功能强大的G语言编译平台能够提高编程的效率，再加上简单易懂的开发接口，大大缩短了开发原型的速度并且易于日常维护。因而本实验选用LabVIEW编写太赫兹时域光谱数据的采集与处理程序,可以大大降低编程难度，同时缩短软件的开发和调试周期。3.2子程序设计3.2.1串口通信相关子程序设计根据自由空间等效时间采样的原理和时间延迟结构原理，欲绘制出太赫兹时域波形图S(t)，就需要获得步进平移台的位置信息X和经过锁相放大器滤波后的信号S。因而需要实现计算机与SC103电控平移台控制器、计算机与SR830锁相放大器的相关指令的发送和相关数据的返回。例如：计算机给电控平移台发送运行指令，电控平移台反馈位置信息数据；计算机给锁相放大器发送数据采集指令，锁相放大器反馈信号数据。欲实现指令的发送和信号数据的反馈，首先需要先实现对电控平移台和锁相放大器的进行串口通信，因而串口通信是本论文程序设计需要解决的首要核心问题。[41]串口通信(SerialCommunications)简单实用，可用于ASCII码字符的传输。LabVIEW针对计算机标准的RS232串口通信，提供了一套方便调用的VISA库函数，主要有如下5个通信子VI：(1)串口初始化子VI(SerialPortInit)；对指定端口进行初始化时要对一些重要参数19\n华中科技大学硕士学位论文进行设置，包括端口号选择、缓冲区大小、波特率、停止位、数据位和奇偶校验等。当对两个串口进行通信时，这些参数必须匹配。(2)写串口子VI(SerialPortWrite)；把存储在写入字符串变量(StringtoWrite)中的数据写到指定端口，输入参数有2个：通信端口号(PortNumber)和写入字符串变量(StringtoWrite)。输出参数有1个：错误码(ErrorCode)。(3)串口字节数子VI(BytesatSerialPort)；此VI可以获得指定端口输入到缓冲区中数据的字节数。输入参数有1个：通信端口号(PortNumber)，输出参数有2个：缓冲区字节数(ByteCount)和错误码(ErrorCode)。(4)读串口子VI(SerialPortRead)；将指定字节的数据读入并储存到1个字符串变量中，需要设置的属性包括：读取字节数(BytestoRead)，通信端口号(PortNumber)，超时时间(TimeoutLimit)，读入的数据存储在此变量中(SerialRead)。(5)串口暂停控制子VI(SerialPortBreak)；此VI用于向指定的端口发送一个暂停信号，输入参数有2个：通信端口号(PortNumber)和暂停时间间隔(Delay)。用连线将相应的子VI图标按照数据流的思想有机的连接起来，就组成了基本的串口通信程序，程序框图如图3-1所示。图3-1串口通信程序框图3.2.1.1电控平移台运动串口通信控制子程序设计将通讯电缆连接到计算机的COM1与SC103步进电机控制器的RS-232口，再将控制器后面的X轴通过标配的驱动电缆与电机接口相连，打开控制器的电源开关，通过如图3-2所示的电控平移台串口通信程序即可实现联机控制，进行参数的设置与查20\n华中科技大学硕士学位论文询。由于控制器接收指令后需要一个时间间隔才能作出响应，响应后才能返回一个字符串，为了让控制器能够作出完整的响应，设置延迟时间间隔为30ms，并将此程序命名为“SC103-WR.vi”，以备作为子程序调用。图3-2电控平移台串口通信程序框图SC103电控平移台控制器使用说明书给出了查询、设置和控制等三大系列的通信指令，在本设计中用到的指令及参数设置如下：(1)查询指令：常用的有联络指令“?R/”、坐标查询指令“?X/”、运行状态查询指令“?ST/”等。(2)设置指令：常用的有运行速度设置指令“VX=number/”（number=10~50000Hz）、回零速度设置指令“HVX=15000/”、开关偏置指令“HFX=10/”加、速度设置指令“AX=2，1，5/”、软限位设置指令“LX=-1677.719，1677.719/”、细分设置指令“FX=32/”、空回设置指令“KX=10/”、导程设置指令“DX=1/”、位移台类型设置指令“TX=D/”、参数存储指令“SAVE/”等。(3)控制指令：归零操作指令“HX/-HX/”、相对运动指令“X：number/”（number=-100~100mm）、绝对运动指令“X=number/”（number=0~100mm）、停止命令“S0X/”等。为了初始化操作的方便，在控制平移台运动之前，需对平移台进行初始化设置，根据经验将相关初始化指令都设为常量，并将该程序命名为“SC103-WR-Initial.Vi”，以备作为子程序调用，程序框图如图3-3所示。21\n华中科技大学硕士学位论文图3-3电控平移台初始化参数设置子程序框图为了得到逼真的太赫兹时域波形，尽可能多的增加采样点，在采样过程中需要平移台在慢速状态下运行。而一次采样完成后，在进行下一次采样之前，需将平移台快速的返回至采样起始位置，以尽量减小一个扫描周期的测量时间，此时平移台需要在快速状态下运行。本论文根据实际需要编写了平移台对应的快速和慢速运动控制子程22\n华中科技大学硕士学位论文序，程序框图如图3-4，3-5所示。分别命名为“QuickV.vi”和“SlowV.vi”，以备作为子程序调用。图3-4平移台快速运动控制程序框图图3-5平移台慢速运动控制程序框图为了能够在采集过程中实现对平移台的急停和归零控制，设计了相应的子程序，程序框图如图3-6和3-7所示。分别命名为“SC103-X=0.vi”和“SC103-DeadStop.vi”，以备子程序调用。23\n华中科技大学硕士学位论文图3-6平移台归零程序框图图3-7平移台急停程序框图3.2.1.2锁相放大器串口通信数据采集子程序设计将通讯电缆USB转RS232连接到计算机的COM2口与RS830锁相放大器的RS-232口，通过如图3-8所示的锁相放大器串口通信程序即可实现联机控制，进行参数的设置与查询。将此程序命名为“SR830-WR.vi”，以备作为子程序调用。图3-8锁相放大器串口通信程序框图24\n华中科技大学硕士学位论文[42]锁相放大器用户手册给出了一系列的串口通信的参数设置与查询的指令，在本设计中用到的相关的命令有：(1)传输协议指令(SETUP)：“OUTX0”为串口通信RS232设置指令。(2)接口指令(INTERFACE)：“LOCL1”为联机控制指令，“*IDN?”为读取设备身份信息字符串指令。(3)显示与输出指令(DISPLAYandOUTPUT)：“DDEF1,0,0;DDEF2,1,0”为输出通道设置指令，即CH1通道输出幅值S，无增益(none)，CH2通道输出为相位θ，无增益(none)。“FPOP1,0;FPOP2,0”为通道的显示面板设置指令，即DISPLAY1显示幅值X，DISPLAY2显示相位θ。(4)数据传输指令(DATATRANSFER)：“OUTP?1”为查询幅值S值的指令。在从锁相放大器采集数据之前，需对锁相放大器进行初始化，程序框图如图3-9所示，命名为“SR830-Inicial.vi”，以备作为子程序调用。图3-9锁相放大器初始化设置程序框图在完成对锁相放大器的初始化设置之后，即可从其内置存储器中读取数据，程序框图如图3-10所示，命名为“SR830-S(X).vi”，以备作为子程序调用。图3-10锁相放大器幅值读取程序框图3.2.2位置时间转换子程序设计在描绘时域波形时，需将位置信息参照公式（2-7）转换为时间信息。程序框图如25\n华中科技大学硕士学位论文图3-11所示。命名为“X(mm)toT(PS).vi”，以备作为子程序调用。图3-11位置时间转换子程序框图3.2.3快速傅里叶变换子程序设计常规的傅里叶变换算法由于其运算量太大，因而并不适合用于嵌入式控制系统进行编程。在数字计算机上运用快速傅里叶变换(FastFourierTransform，简称FFT)极大的降低了常规傅立叶变换的运算量。利用LabVIEW软件自带的幅度谱和相位谱VI（AmplitudeandPhaseSpectrum.vi）进行快速傅里叶变换，得到FFT幅值。程序框图如图3-12所示。命名为“FFT.vi”，以备作为子程序调用。图3-12FFT程序框图3.2.4多条曲线同时显示子程序设计在实验中为了更加直观的比较参考信号和样品信号的波形图，通常需要将二者的波形图合并，为此设计了多条曲线同时显示子程序。程序框图如图3-13所示。其中的文件数据程序框图如图3-14所示，命名为“ReadFile.vi”子程序。26\n华中科技大学硕士学位论文图3-13多条多条曲线同时显示子程序设计图3-14读取文件数据子程序框图3.2.5平移台返回至信号最大值位置子程序设计在进行光谱实验时，有时候需要将平移台快速移动至太赫兹信号最大值对应的位置，进行相关的研究，本论文根据实际需要编写了相应的平移台运动控制程序，其程序框图如图3-15所示，将该程序命名为“MovetoX（Smax）.vi”，以备作为子程序调用。27\n华中科技大学硕士学位论文图3-15平移台返回至信号最大值位置子程序框图28\n华中科技大学硕士学位论文3.3运动控制和数据采集处理总程序框图和前面板设计3.3.1运动控制和数据采集处理总程序框图设计开始N设备初始化及联机状态OK查询?Y采集开始（设置S1、S2、s、V1、V2、m）平移台快速V1移至起始位置N平移台在起始位置S1？Y采集循环总次数m平移台慢速V2移动单步长s单次循环采样点等待n=(S2-S1)/St=s/(V2*步距）查询锁相幅值数据？对m次采集循环取平均值显示时域波形FFT变换并显示频谱保存数据平移台返回至信号最大值位置结束图3-16运动控制和数据采集处理总程序流程图29\n华中科技大学硕士学位论文如图3-16所示的程序流程图，开始后需要进行联机状态查询，之后要设置相应的采集参数S1、S2、s、VI、V2、m等。设置完成后，程序将进入采集循环阶段。步长s的大小将决定采集数据的细致程度，s越小波形越细致。脉宽为一个皮秒的太赫兹脉冲对应的光程为300μm，由光学延迟结构原理可知，相应的平移台移动为150μm，当不知道THz脉冲信号的位置时，为缩短扫描时间，可选择较大步长，如50μm或者更大。当找到太赫兹信号之后，步长可设为1~15μm。快速V1用于非扫描运动，慢速V2用于扫描运动，速度V2的大小将决定采集所需花费的时间，V2越大采集时间越短，但速度越小平移台运动越平稳。配合加速度的选择，为使运动更加平稳，V2通常设为500Hz以下。首先程序将命令平移台以快速VI移至起始位置，当判断当前位移平台是位于起始位置后，程序才开始进入第一次数据采集循环。此时程序将命令平移台前进一个步长，当单步长完成后，发送命令至锁相放大器取得相应位置的幅值数据信息，然后再移动下一个单步长，再获取幅值信息，如此循环n次后，结束单次采集循环，进入下一次采集循环。当运行m次后，跳出循环。对m次采集循环取平均值，显示时域波形，进行傅里叶变换并显示频谱。保存数据信息，将平移台移至信号最大值位置。基于数据流的编程思想，将各个功能子程序按照如图3-16所示的流程顺序，从上到下，从左到右地编排，得到如图3-17所示的运动控制和采集循环总程序框图。（1）当“锁相OK”和“平移台OK”布尔显示灯都亮起，且当“开始采集”布尔控件为真时，连接在条件结构选择器端子上的布尔值才为真，执行该“真”分支，开始采集循环。否则将执行“假”分支，电机将“归零”。（2）采集循环包含两层“While循环结构”。数据流首先进入外层“While循环结构”，该循环结构内共有5帧“平铺式顺序结构”，第四帧通过调用子程序“SC103-X.vi”不断查询平移台当前位置，当到达绝对起始位置后，结束该循环，数据流才进入第5帧。当“当前次数”为“采集循环m”时，外层循环结束。（3）内层“While循环结构”内采用了3帧“平铺式顺序结构”。第二帧等待时间为平移台完成一个步长所需的时间。当平移台运动绝对终点位置时内层循环结束，也可以通过急停来控制内层循环的结束。30\n华中科技大学硕士学位论文图3-17运动控制和采集循环总程序框图31\n华中科技大学硕士学位论文3.3.2运动控制和数据采集处理总程序前面板设计程序的前面板直接面向用户，是用户操作和观察的窗口，前面板的合理布局和功能的完备可以让用户更加方便快捷的操作和观察，有利于提高实验效率。图3-18为本论文设计的运动控制和数据采集处理总程序前面板。图3-18运动控制和数据采集处理总程序前面板本论文根据实验实际任务的需要，来确定前面板的功能需求，并通过颜色渲染和增添线框的方法来区别不同功能作用的控件或按钮，最终从方便操作、方便观察的角32\n华中科技大学硕士学位论文度出发来确定前面板的布局。前面板主要包括以下三部分：（1）图形显示窗口：太赫兹时域波形图显示窗口，太赫兹频域波形图显示窗口，参考信号和样品信号时域波形同时显示窗口，参考信号和样品信号频域波形同时显示窗口。（2）参数设置面板：设备通信端口选择控件，电控平移台移动速度设置控件，绝对起始位置和绝对终止位置设置控件，平移台运动步长设置控件。数据存储路径设置控件。（3）数据采集面板：锁相放大器幅值实时显示控件及当前电控平移台位置的实时显示控件。太赫兹信号最大值显示控件，最大值对应的平移台位置显示控件。开始采集控制按钮，平移台归零、电机急停控制按钮，平移台移至信号幅值最大值处控制按钮。前面板使用时的操作方法如下：进行首次数据采集时，为了确定具体的扫描窗口范围，需要先进行参数设置，选择通信端口和数据存储路径，并进行速度设置，采集次数设为1。，因而“绝对起始位置”为0mm，“绝对终止位置”为50mm。然后运行程序，当“锁相OK”和“平移台OK”两个显示灯都亮起时证明通信成功，可进行数据采集了，按下“开始采集”控制按钮。再次运行程序，会显示“实时幅值”和“实时位置”，待全程扫描完后会显示信号最大值“Smax”以及对应平移台的位置“X(Smax)”。当“采集中”显示灯由变回熄灭状态时，程序结束。最后根据“X(Smax)”来设置扫描窗口范围。3.4程序正确性验证实验3.4.1证明时域波形数据采集程序的正确性验证利用搭建好的如图2-5所示的透射式太赫兹的GaAs天线产生和ZnTe探测光路系统，进行程序正确性验证实验。扫描速度V2=60Hz，绝对起始位置S1=30mm，绝对结束位置S2=35mm，步长s=0.0135mm，偏置电压为40V，频率为60KHz，泵浦光功率为45mW，泵浦光的脉宽为40fs左右。由LabVIEW运动控制和数据采集处理软件程序获得的时域信号波形图如图3-19所示。33\n华中科技大学硕士学位论文图3-19参考信号时域信号波形图欲验证程序的正确性，需首先验证被测信号为太赫兹信号。如图3-19所示，被测信号的脉宽在皮秒量级，初步证明所得信号为太赫兹信号。加入一片厚度为0.3mm的聚四氟乙烯样品，由于聚四氟乙烯具有阻高频通低频的特点，如果被测信号太赫兹波，加入了聚四氟乙烯后会增加泵浦光的光程，因而样品信号波形就会有明显的横向移动。图3-20时域波形对比图34\n华中科技大学硕士学位论文如图3-20所示，可以看出加了一个厚度为0.3mm的聚四氟乙烯后，时域波形有明显的移动，二者波形的延时大约为1.12ps，证明了光路系统的正确性，即被测信号为太赫兹波，同时证明了时域波形数据采集程序的正确性。3.4.2FFT程序的正确性验证为证明FFT程序的正确性，将图3-19获得的时域数据导入Oringin软件，对比显示与直接经过LabVIEW“FFT.vi”处理的频谱图。若图3-21所示，二者波形一致，则证明了所编写的FFT程序的正确性。从图3-21可以看出，本系统的带宽为2.75THz。(a.u.)(a.u.)幅值幅值频率(THz)频率(THz)图3-21LabVEIW和Origin的FFT变换对比图3.4.3利用双泵浦光产生高带宽太赫兹脉冲的实验为提高太赫兹时域光谱系统的有效带宽，增加信噪比，在已搭建好的如图2-5所示的太赫兹脉冲的GaAs天线产生和ZnTe探测光路系统的基础上，进行了如图3-22所示的双泵浦光产生太赫兹脉冲的实验。首先用如图3-22所示的1：1的分光片1将泵浦光分为两束，其中泵浦光1和泵浦光2经过的光学元件完全一样。延迟线1放置在电控步进平移台上，用来改变泵浦光和探测光的光程差；延迟线2由手动调节的千分尺精密平移台控制，用来改变泵浦光1和泵浦光2的光程差。然后泵浦光1和泵浦光2再由分光片2合为一束，最后经过反射后聚焦入射到光电导天线中，产生太赫兹脉冲。35\n华中科技大学硕士学位论文飞秒激光MM图3-22双泵浦太赫兹的GaAs天线产生和ZnTe探测光路系统手动调节延迟线2使泵浦光1和泵浦光2的光程相等，此时的千分尺读数为11.591mm。利用如图3-18所示的运动控制和数据采集程序，设定扫描窗口为35~40mm，扫描速度V2为60Hz，步长为0.0125mm，偏置电压为40V。保持泵浦光的脉宽40fs不变，泵浦光总功率为53.9mW，泵浦光1功率为27.2mW，泵浦光2功率为26.7mW，探测光功率为1.33mW。扫描得到的实验结果频谱图如图3-23、3-24所示。36\n华中科技大学硕士学位论文(a.u.)幅值频率(THz)图3-23双泵浦实验频谱图(a.u.)幅值频率(THz)图3-24双泵浦实验探测样品频谱对比图37\n华中科技大学硕士学位论文实验结果分析，光电导天线的有效带宽一般只能到3THz，但从图3-23和3-24可以观察到使用双泵浦的方法后，系统有效带宽达5.2THz。我们知道光电导天线产生的太赫兹脉冲的频谱宽度由泵浦光的脉宽和自由载流子的寿命决定。在实验中我们保持泵浦光的脉宽不变，因而双泵浦系统的带宽的提高可能和天线内部的自由载流子的寿命有关系。3.5本章小结本章主要介绍了运动控制和数据采集软件的编程思想和思路，首先根据功能需求设计了相关的子程序，然后根据数据流的编程思想合理有机的从上到下、从左到右地将子程序组织起来，最后以安装方便操作和方便观察的原则布局整个控制前面板。通过验证实验证明该运动控制和数据采集程序是可行的，是调试和优化THz-TDS光路系统的良好依据。38\n华中科技大学硕士学位论文4太赫兹时域光谱系统相关机械零件设计在太赫兹时域光谱系统光路的搭建过程中，根据实际需要设计了相关的机械零部件。本章主要介绍了相关主要机械零件的设计思想。4.145°反射镜镜架底座设计4.1.1设计目标在光路系统搭建中，在需要改变入射光线方向的场合，反射镜被广泛应用。反射镜的调节也是整个光路调节的重要部分。理想情况下，反射镜的安装如图4-1所示，镜面与入射光线的夹角为45°，即与光学平台水平方向的夹角为45°。45°光学平台图4-1反射镜的理想安装示意图将反射镜底座安装在平台上由两个步骤组成：定位和夹紧。定位的实质就是通过限制自由度来实现的。传统反射镜安装如图4-2所示，通过接杆将反射镜架与底座连接，再通过手动旋转圆形底座，调整好镜面与入射光线的的夹角后定住底座，最后通过叉式压板来夹紧底座。以垂直于光学平台面为Z轴方向，以光学平台的水平方向为X轴方向，以光学平台的垂直方向为Y轴方向，建立坐标轴。该圆形底座没有限制住绕Z轴方向的转动自由度、沿X轴方向的平动自由度和沿Y轴方向的平动自由度。因而该底座的定位属于不完全定位。经验证明，人为旋转圆形底座费时费力，随人为因素波动性很大，常常导致镜面与入射光线的夹角相对于45°偏离很大。39\n华中科技大学硕士学位论文Z反射镜架接杆X叉式压板Y底座图4-2传统反射镜架本设计的主要目标是设计一种反射镜架底座，可以很方便的通过调整底座来确定镜面与入射光线的45°夹角，可以基本忽略人为因素导致的安装夹角偏离。4.1.2设计理念若能方便快捷的通过定位底座实现镜面与光线的45°夹角，即可实现设计目标。根据实际情况需采用完全定位来定位底座。完全定位即六点定位，即限制x、y、z三轴的平动及其转动等6个自由度。欲保证反射镜是按照45°安装的，最主要的就是要限制[43]镜座绕Z轴的转动这个自由度。通常采用“一面两销”的方式来进行完全定位。如图4-3所示，它是以一个“基准面”为第一定位基准，根据要求以垂直于这个基准面相通的两个“基准孔”作为另两个基准的一种定位方式。一面两销，限制了全部6个自由度。一面，限制了3个自由度，沿Z移动、绕X转动、绕Y转动。两销必须是一个圆柱销与一个菱形销，否则会产生过定位的。由于2个定位孔的中心距是有公差（误差）的，与两销中心距不可能非常一致的，菱形销就是“让开”两者中心距误差、安装干涉的，限制绕Z转动的。菱形销的长轴必须垂直于两销孔的连心线。圆柱销是限制沿X、Y移动的。菱形销（限制Z）基准面(限制XYZ)圆柱销（限制XY）基准孔图4-3一面两销原理示意图40\n华中科技大学硕士学位论文若应用此原理来设计镜座，对镜座进行定位时，反射镜座应该以“一面两孔”定位，光学平台上对应的定位元件应该是“一面两销”。其三维模型如图4-4所示。3.镜座以“一面两孔”定位1.连接件（两个定位销）2.光学平台（一个定位面）图4-4镜座三维模型图4.1.3具体设计方案由于实验室的光学平台上的基准孔都是螺纹孔，固无法采用上述销钉定位的方法，反射镜座与光学平台的连接只能采用螺纹连接。螺钉是标准件在制造上公差就很松，固螺钉不能用来高精度定位。若采用螺钉连接则易产生很大的安装转角误差。图4-5螺钉固定产生转角误差图考虑到反射镜底座不仅需要定位，而且需要跟光学平台相连接。固采用铰制孔用螺栓进行定位并连接，反射镜座上孔用高精度铰刀加工而成，螺栓杆与孔之间一般采用基孔制过渡配合（H7/n6,H7/n6），靠螺杆精确固定45°反射镜座。如图4-6所示。理论上连接件和定位孔之间采用过渡配合，需用木锤才能将销钉敲进定位孔，将底座安装在平台上，安装上之后底座所有的自由度都受到限制。但实际上为了安装方便，同时满足基本定位，将配合由过渡配合改为间隙配合，使定位孔与螺栓的最小间隙为0。如图4-7所示。镜座安装之后就不会绕Z轴旋转了，基本忽略了人为因素安装41\n华中科技大学硕士学位论文镜座引起的45°夹角偏离误差。因此而产生的微小的转角误差，尽量通过在装配时将反射镜底座推向螺杆的一边以消除。如图4-8所示。铰制孔用螺栓图4-6铰制孔用螺栓连接剖面图铰制孔用M6螺栓定位孔螺栓的光杆部分图4-7铰制孔用螺栓间隙配合连接图图4-8间隙配合安装示意图如图4-9所示，本设计使反射镜面的初始安装夹角即为45°，然后只需通过微调装置调节反射镜的偏角，即可使入射光线和反射光线尽可能的横平竖直的走，从而大大减少光路调节工作量。实物图如图4-10所示，图中1为反射镜底座，2为铰制孔用螺栓，3为M6×0.75的光学平台。42\n华中科技大学硕士学位论文图4-9效果图图4-1045°反射镜镜架实物图43\n华中科技大学硕士学位论文4.1.4与“ABCD”THZ-TDS反射镜镜座的对比由于自行设计的45°反射镜底座与“ABCD”THZ-TDS上的反射镜底座的定位原理不同，因而造成了不同的安装效果。如图4-11所示。铰制孔用M6螺栓（间通用内六角圆柱头M6螺钉隙配合连接）（普通螺纹连接）45°ABCD反射镜镜座底45°反射镜镜座底面示意图面示意图M6x0.75光学平台NewportM6x1光学平台图4-11底座示意图对比（1）原理对比实验室“ABCD”THZ-TDS中的反射镜底座采用的是“三点定心”的原理。由于三个连接件与底座定位孔之间都有很大的间隙，因而该定位属于不完全定位，没有限制住绕Z轴的转动自由度、绕X轴和Y轴的平动自由度。固安装夹角随人为因素波动很大，很容易造成安装不正，如图4-12所示：ZXY图4-12ABCD上的镜座实际安装情况44\n华中科技大学硕士学位论文（2）相关零件尺寸的对比表4-1相关零件尺寸对比表零件名称自制的反射镜底座ABCD上的反射镜底座平台孔间距25±0.105mm孔间距25±0.4318mmM6×0.75螺孔M6×1螺孔连接件铰制孔用M6×0.75螺栓通用内六角圆柱头M6×1螺钉除了参照“一面两销”的定位原理忽略人为安装因素引起的误差以外，还通过提高平台和连接件的制造精度，尽一步减少误差。（3）安装及制造难易程度的对比表4-2安装及制造难易程度的对比表内容自制的反射镜底座ABCD上的反射镜底座安装误差基本可以忽略人为安装误差人为因素易造成安装不正安装方式需要借用一定的外力，如用外六角扳手安装螺栓容易，徒手即可安装制造精度要求较高一般4.2标高挡板零件设计在搭建和调整光路的时候通常需要将整个光路的高度调节到同一高度，根据实际经验，用目测的方法，有瞄不准的缺陷；用尺子量，又不方便。据此，设计出方便使用的一体化光路定高档光板，根据实际光路高度在光路调节档光板上画一条光高标线。[44，45]结构图如图4-13。图4-13光路调节档光板二维尺寸图45\n华中科技大学硕士学位论文4.3晶体盒装置设计4.3.1技术指标（1）装夹两块尺寸为0.3×10×10mm的GaP晶体，使二者的距离为1mm；（2）由于GaP晶体只有0.3mm厚，易脆，固在保证晶体被夹紧后，夹紧力不能过大；（3）保证晶体被装夹后，两晶体内侧应有一定的平行度，且与光轴有一定的垂直度；（4）晶体被装夹后，保证有适当的通光孔径。4.3.2具体实现方案（1）底座的设计为了实现两块GaP晶体的距离为1mm，被装夹后内侧有一定的平行度，且与光轴[44，45]有一定的垂直度，设计底座的结构图如4-14所示。图4-14底座尺寸结构图晶体可以装在如图所示的方槽中，由于晶体的尺寸为0.3×10×10mm，为方便装夹晶体，方槽的尺寸应略大于晶体尺寸，固方槽的三维尺寸设计为：(+0.2)(+0.2)()10×10×1.3±0.05mm。+0.1+0.1由于入射到晶体的光为聚焦后的光，固设计通光孔径为6mm，保证充分通光。（2）挡板的设计为了夹紧两块晶体，需要在底座的基础上，外加两块挡板，挡板结构图如图4-15所示。46\n华中科技大学硕士学位论文图4-15挡板尺寸结构图（3）垫圈的设计图4-16垫圈尺寸结构图根据底座和外挡圈之前的夹紧空隙，根据尺寸过渡配合的原理，设计垫圈的结构和尺寸如图4-16所示。4.3.3晶体盒加工方法和材料的选择根据实际情况，由于机械加工成本低，加工周期短，在保证加工精度的情况下选择机械加工。欲保证晶体被装夹后，两晶体内侧应有一定的平行度，且与光轴有一定的垂直度，固被装夹后不能变形，因而要求底座和外挡圈材料有一定的刚性和韧性。同时根据便于常规机械加工、加工后表面精度高、防氧化以及价格等方面综合考虑，选择铝合金材料作为底座和外挡圈的材料。由于GaP晶体只有0.3mm厚，易脆，固在保证晶体被夹紧后，夹紧力不能过大，应选择强度低、弹性大的材料，同时考虑便于加工、价格等方面的因素，选择工程塑料ABS作为垫圈材料。三维模型图见图4-17所示。47\n华中科技大学硕士学位论文螺钉晶体底座垫圈外挡圈紧固螺母图4-17晶体盒三维模型图4.4本章小结本章主要介绍了利用实验经验，根据实验需要设计的三个零部件的设计。在实际使用过程中，仍发现了一些需要优化的地方。就45°反射镜底座而言，目前反射镜安上去之后的镜面中心高度为53.5mm，但趟若使高度增加，势必会使装置变的很笨重，而且会使整体的加工误差变大。再者如图4-18所示，目前镜面处于A位置。应当改进装置，将镜子由位置A移动到位置B，使光线沿着螺纹孔的中心连线走，使光路调节更加方便。但同时会使结构复杂化。图4-18示意图48\n华中科技大学硕士学位论文5总结和展望本论文基于THz-TDS的基本理论，利用实验室仪器，主要搭建了透射式THz-TDS，并进行了运动控制和数据采集处理软件的设计以及相应的机械零部件的设计。主要工作成果包括：（1）参与到透射式太赫兹时域光谱系统的搭建中，深入了解系统工作需要，为编写LabVIEW运动控制和数据采集处理程序打下了良好的基础。（2）编写了LabVIEW运动控制和数据采集处理程序，将聚四氟乙烯样品的时域波形与参考波形对比，有一个1.12ps的延时，验证了运动控制和时域波形数据采集程序的正确性。将所测时域数据导入到Oringin软件中，得到的FFT频谱图与LabVIEW频谱图一致，证明了FFT程序的正确性。以得到的频谱图为依据来分析太赫兹脉冲的带宽，进行双泵浦光产生太赫兹波的实验，发现了带宽有明显增加。（3）根据实验需要，自行设计了45°反射镜镜架底座装置、晶体盒装置、标高挡板等机械零部件，在使用中反应良好。以上实验结果表明本论文编写的LabVIEW平移台控制和数据采集处理程序软件是正确可行的，是调试和优化系统的良好工具，但是程序的结构也存在一些不足，需要进一步的完善，例如使整个扫描过程中的等待时间减小到最小值。所设计的机械零部件是具有良好的实用价值的，但也需要进一步的完善，使结构更加合理，例如使45°反射镜镜架底座装置的高度可调，使之更具有通用性等。展望，今后将对基于LabVIEW的THZ-TDS运动控制和数据处理程序的功能进行完善，增添数据分析功能，以得到样品的折射率和吸收系数等光谱信息，为进一步优化系统的性能提供了更多更好的依据，以得到高信噪比高带宽高功率的太赫兹信号。49\n华中科技大学硕士学位论文致谢本论文的工作是在导师刘劲松教授的悉心指导下完成的。刘老师严谨的科研态度，深深的影响和教育着我。研究生阶段的学习和生活，不仅使我的专业知识有了提高，还使我学到了许多书本上无法学到的东西，这将使我受益匪浅。在此对导师表示最诚挚的谢意。感谢王可嘉老师，他在自己及其繁重的工作之余，认真指导了本论文的研究工作。在论文选题、实验操作和成果总结等各个阶段都付出了很多精力和时间，在专业知识以及课题研究上给予我无私的帮助和支持。感谢太赫兹团队的姚建铨院士、张希成教授、凌福日副教授、何健副教授、杨振刚老师、成晓老师、赵海涛老师等在学术科研工作以及实验中的指导。感谢邹锶博士，他在自己科研任务极其繁重的情况下，认真指导了本论文的研究工作。在光路系统搭建、软件编写和数据结果分析等各个阶段都付出了很多精力和时间，在专业知识以及课题研究上给予我无私的帮助和支持。感谢丁岚、蒋呈阅、左志高、戴厚梅等师兄师姐的帮助；感谢尤杨、潘爱琼、杨蔓、王平、朱德锋、周玉兰等同学在学习和生活上的关心。感谢何洪娟老师、韩道老师的关心和热心帮助。本论文引用了有关文献，有关的论述、数据和图表，在此向所有作者表示感谢。感谢我的家人，他们对我的支持和鼓励，是我不断进步的动力和源泉。最后感谢审阅此论文的专家学者们，谢谢您们为此付出的宝贵时间和精力。袁静武汉光电国家实验室2012年5月15日50\n华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]许景周,张希成.太赫兹科学技术与应用.北京:北京大学出版社,2007.1~7[2]周泽魁,张同军,张光新.太赫兹波科学与技术.自动化仪表.2006,27(3):1~2[3]牧凯军,张振伟,张存林.太赫兹科学与技术.中国电子科学研究院学报,2009,4(3):25~30[4]P.H.Siegel,Terahertztechnology.IEEETrans.MTT,2002,50(3):910~928[5]H.Rubens,S.B.W.OntheRefractionofRaysofGreatWavelengthinRockSalt,Sylvine,andFluorite.PhilosophicalMagazine,1893,35:35~45[6]BradleyFerguson,张希成.太赫兹科学与技术研究回顾.Physics,2003,32(5):286~292[7]张存林.太赫兹感测与成像.北京:国防工业出版社,2008.3~5[8]E.Piekwell,F.A.J.,B.ECole,etal.Simulatingtheresponseofterahertzradiationtobasalcellcarcinomausingexvivospectroscopymeasurements.J.Biomed.Opt,2005,10:064021[9]T.Loffier,T.Bauer,K.J.Siebert,etal.Trahertzdark-fieldimagingofbiomedicaltissue.OpticsExpress,2001,9(12):616~621[10]L.Thrane,R.H.Jacobsen,P.UhdJepsen,etal.THzreflectionspectroscopyofliquildwater.Chem.Phys.Lett.,1995,240:330~333[11]B.B.Hu,E.A.D.S.,WHKnox,etal.Identifyingthedistinctphasesofcarriertransportinsemiconductorswith10fsresolution.Phys.Rew.Lett.,1995,74:1689~1692[12]D.Grischkowsky,S.R.K.,MartinvanExter,etal.Far-infaredtime-domainspectroscopywithterahertzbeamsofdielecrisandsemiconductors.J.Opt.Soc.Am.B:Opt.Phys.,1990,7:2006~2015[13]MartinvanExter,D.Grischkowsky.Opticalandelectronicpropertiesofdopedsiliconfrom0.1to2THz.Applied.Phys.Lett.,1990,56:1694~1696[14]S.W.Smye,J.M.Chanberlain,A.J.Filzgerald,etal.Physicsinmedicineandbiology.Phys.Lett.,2001,46(9):101[15]王宏飞.改变未来世界技术的十大技术之一——太赫兹技术.全球科技经济瞭望,51\n华中科技大学硕士学位论文2005,(4):60~64[16]路洋,王鹏,姚建铨等.THz辐射研究和应用新进展.光电子·激光,2005,16(4):502~506[17]马晓菁,代斌,葛敏.太赫兹辐射的研究及应用.化工时刊,2006,20(12):50~53[18]姚思佳,熊平.太赫兹波科学技术及应用.中外健康文摘,2010,7(12):345~347[19]R.H.Woodward,C.B.,V.P.Wallace,etal.Terahertzpulsedimaginginreflectiongeometryofhumanskincancerandskintissue.PhysicsinMedcineandBiology,2002,47:3853~3863[20]A.J.Fitzgerald,BryanE.Cole,PhilipF.Taday.Nondestructiveanalysisoftabletcoatingthicknessusingterahertzpulsedimaging.J.Pharm.Sci.,2006,94:177[21]NobuoNishimiya,YokoYamaguchi,YoshinobuOhrui,etal.FrequencymeasuringsystemusingmirrorgapstabilizedFabry-Perotinterferometer.SpectrochimicaActaPartA,2004,60:493~504[22]MichaelR.Stone,MiraNaftaly,RobertE.Miles.Generationofcontinuous-waveterahertzradiationusingatwo-modetitaniumsapphirelasercontaininganintracavityFabry-perotetalon.JournalOfAppliedPhysics,2005,97:103~108[23]MasayoshiTonouci.Cutting-edgeterahertztechnology.NaturePhotonics,2007,l:97~105[24]吕乃光.傅里叶光学.北京:机械工业出版社,1991.24~32[25]S.P.Mickan,X.C.Zhang.T-raySensingandImaging.InternationalJournalofHighSpeedElectronicsandSystems,2003,(13):601~6[26]ZhaoG,R.N.Schouten,N.vanderValk,etal.DesignandperformanceofaTHzemissionanddetectionsetupbasedonasemi-insulatingGaAsemitter.Rev.Sci.Instrum,2002,73:1715[27]N.Katzenellenbogen,D.Grischkowsky,H.Harde,Terahertzcoherenttransientsfrommethylchloridevapor.Appl.Phys.Lett.,1991,58:222[28]A.Bonvalet,M.Joffre,J.L.Martin,etal.Generationofultra-broadbandfemtosecondpulsesinthemid-infraredbyopticalrectificationof15fslightpulsesat100MHzrepetitionrate.Appl.Phys.Lett.,1995,67:2907[29]M.Ashida,A.Doi,H.Shimosato,etal.Sensitivityofphotoconductiveantennafor52\n华中科技大学硕士学位论文ultrabroadbandterahertzradiation:Feasibilityofdetectionover100THz.QuantumElectronicsConference,2005.1471~1472[30]C.Kubler,R.Huber,A.Leitenstorfer.Ultrabroadbandterahertzpulses:Generationandfield-resolveddetection.Semieond.Sci.Technol.,2005,20(7):128~133[31]D.H.Anston,K.P.Cheung,P.R.Smith.PicosecondphotoconductingHeriziandipoles.Appl.Phys.Lett.,1984,45(3):284~286[32]Ch.Fattinger,D.Grischkowsky.THzBeams.Appl.Phys.Lett.,1989,54(6):490~492[33]N.Hozhabri,S.C.Sharma,R.N.Pathak.DefectsinmolecularbeamepitaxialGaAsgrownatlowtemperatures.JournalofElectronicMaterials,1994,6:519~523[34]戴冬东.基于史密斯-帕塞尔自由电子激光的紧凑型太赫兹源研究和设计:[博士学位论文].中国科学院研究生院,2010[35]Q.Wu,X.C.Zhang.Free-spaceelectro-opticssamplingofterahertzbeams.Appl.Phys.Lett.,1995,67(24):3523~3525[36]梁坤淼.数学物理方法.(第3版).北京:高等教育出版社,2007.88~103[37]坂本正文.步进电机应用技术.王自强译.北京:科学出版社,2010.60~80[38]吴猛,赵国忠,梁承森等.基于LabVIEW的太赫兹时域光谱数据处理.现代科学仪器,2009,2(2):9~11[39]林静,林振宇,郑福仁.LabVEIW虚拟仪器程序设计从入门到精通.北京:人民邮电出版社,2010.1~440[40]李江泉.刘恩博.胡蓉.LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战.北京:人民邮电出版社,2010.200~310[41]彭庆华.虚拟仪器软件LabVIEW的串行口通信编程.自动化仪表,2002,23(3):31~33[42]ModelSR830DSPLock-InAmplifier.Copyright1933byStanfordReasearchSystem1290-DReamwoodAvenueSunnyvale,CA940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