基于电光采样的THz自动平衡探测系统研究

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近几十年来,随着超快激光技术和半导体技术的迅速发展,使得THz技术得以飞速的发展。太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是一种宽带THz脉冲的相干测量技术,是研究THz成像、THz与物质相互作用的重要手段。它以相干THz电磁辐射脉冲作为探测源,利用电光取样或光电导取样的方法直接记录THz辐射场的振幅时间波形,通过傅立叶变换得到测量信号振幅和频谱分布,进而获得材料在THz波段的复折射率,即色散及吸收信息等,实现对样品材料的检测。THz时域光谱技术作为一种非接触测量技术,不仅信噪比高,还能够迅速地对测量样品成分的微细变化做出分析和鉴别,其灵敏度远远优于传统的远红外光谱技术,使得这一技术在很多基础研究、通信、天文、医学、无损检测、安全检测等领域有重大的科学价值和广阔的应用前景。本课题以THz-TDS技术理论为基础,采用线性电光效应耦合波理论,结合电子技术,设计了一种简便的基于电光采样的THz自动平衡探测系统,解决了THz-TDS中平衡探测过程的繁琐手动调节问题。  本课题主要从以下三个方面展开研究:  一、研究了THz-TDS中有关THz产生和探测相关原理,重点对THz-TDS中平衡探测部分的结构及原理进行了分析,提出了将一种新的线性电光效应耦合波理论应用到THz平衡探测过程中,并建立了一套新的THz平衡探测系统的理论方案。  二、根据线性电光效应耦合波理论,建立了一套基于单片机MSP430F1222控制的自动平衡探测系统。完成了PIN光电二极管差分探测电路和前置放大电路的设计,并通过实验测试选用具有相同光电响应灵敏度的高性能PIN光电二极管,有效的实现了对探测信号的放大输出和噪声抑制。同时对平衡探测系统中电机控制部分作了详细研究,引入了一种新的电机控制原理——H桥电机驱动控制原理,利用这一原理设计了一种基于L298N芯片的电机驱动电路,实现了对电机的精准控制。  三、根据优化设计后电路选取了相应参数的元器件,完成了平衡探测系统电路部分的制作,分别对系统各部分的电路进行了实验测试与改进,最后,对改进后的自动平衡探测系统进行了电路集成和实物封装,制作出了一套自动平衡探测系统,并对系统进行了性能分析并对整体实验测试,完成了THz自动平衡探测系统的设计工作。
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