CN105548722A - 一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***，该***包括：飞秒激光脉冲发生装置、分光装置、太赫兹光发生装置、两激光脉冲延时装置、起偏装置、样品架、磁场发生装置、检偏装置、弱光光电探测器，太赫兹聚焦装置、时序太赫兹光强检测装置以及测试控制装置，本发明在测量铁磁样品在太赫兹波段的反射率的同时测量了样品在太赫兹波段磁化强度，能够计算出铁磁材料在太赫兹波段的准确介电常数。

Description

一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***

技术领域

本发明涉及光学测量技术，特别是一种太赫兹波段的铁磁材料介电常数的测量***，用于测量铁磁在太赫兹波段的介电常数。

背景技术

目前测量材料高频介电常数方法有椭圆偏振法和光谱法，前者通过测量光波与物质相互作用前后偏振状态的改变来测定样品的光学常数，后者通过测量反射和透射率来测量材料的介电常数。这两者都是通过测量折射率来测量介电常数，利用了一个基本假设，即材料的相对磁导率等于1，而铁磁材料在太赫兹频段的磁导率不为1，测量到的折射率中的数据包含了磁导率的影响。

本发明设计一套能够同时测量在太赫兹频段的磁导率和折射率的***，从而可以测量出铁磁材料在太赫兹波段的介电常数。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足而提供的一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***，以实现对材料的介电常数变化的测量。本发明采用时序太赫兹反射和时序磁光克尔效应测量的方式，同时测量太赫兹光的相干电场强度以及样品中的瞬时磁化强度，利用麦克斯韦方程组以及在低频时的标准样品的磁化矫正数据，获得铁磁材料在太赫兹波段的介电常数和磁导率。目的是针对现有技术中的不足而提供的一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***,以实现对材料的介电常数变化的测量。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***，该***包括：

用于提供测试使用的飞秒激光脉冲的飞秒激光脉冲发生装置；

用于将飞秒脉冲光束分成不同光强的三束激光的分光装置，与飞秒激光脉冲发生装置光路连接；

用于将飞秒激光脉冲转换为太赫兹脉冲的飞秒脉冲激光触发的太赫兹光发生装置，与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于调节飞秒激光脉冲进行延时处理的激光脉冲延时装置，与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于装填铁磁样品并且置于磁场中间的样品架；

用于测试时校正克尔角与磁化作用关系的磁场发生装置；设于样品架***；

用于对飞秒光学短脉冲进行延时处理的飞秒脉冲延时装置，与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于产生线偏振光的激光起偏装置，设于激光脉冲延时装置与样品架之间，该装置包括偏振片以及聚光元件；

用于检测激光偏振状态发生变化的检偏装置，设于样品架与弱光光电探测器之间，该装置包括聚光元件以及高消光比偏振片；聚光元件将光束缩小成大小合适的平行光，通过高消光比偏振片。

用于检测弱光光强的弱光光电探测器，与检偏装置光路连接；

用于将太赫兹光进行聚焦的太赫兹聚焦装置，设于飞秒脉冲延时装置与样品架之间；

用于检测太赫兹光强的时序太赫兹光强检测装置，与太赫兹聚焦装置光路连接；

用于控制测试中各个变量变化的测试控制装置，通过电路连接飞秒脉冲延时装置、激光脉冲延时装置、磁场发生装置、弱光光电探测器以及时序太赫兹光强检测装置。

所述太赫兹光发生装置由太赫兹脉冲产生器件、激光滤光片、太赫兹光聚光元件、平面镜组成，太赫兹脉冲产生器件、激光滤光片、太赫兹光聚光元件和平面镜沿光束传播方向依次排列，前三者其光轴平行于光束方向。平面镜改变光束方向，光束以10-45度入射到样品表面。

所述太赫兹脉冲产生器件选自光导天线、ZnSe晶体、LiNbO₃晶体、LiTaO₃晶体、ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种。

所述激光滤光片是硅片或聚四氟乙烯片，对可见光不透明而对太赫兹有高透射率的材料；所述太赫兹聚光元件为聚四氟乙烯透镜或离轴非球面镜单个或多个联用。

所述时序太赫兹光强检测装置由光导天线或者电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成，电光晶体是ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种，当探测器由电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成时，当探测器由电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成时，三者沿激光传递方向依次排列，前两种光轴平行于激光传递方向，第三者的两个光电探测器接激光束。

所述太赫兹聚焦装置由中间带孔的离轴非球面镜或聚焦透镜和中间带空的平面镜组成；聚焦透镜和中间带空的平面镜依次排列，聚焦透镜的焦点在时序太赫兹光强检测装置中的光导天线或光电晶体上。

本发明中，由飞秒激光脉冲发生装置产生飞秒激光脉冲，进入分光装置分成三束激光，其中一束进入太赫兹光发生装置，触发太赫兹脉冲光束，聚焦的太赫兹光束入射到放置在磁场产生装置中间的样品架上的样品上。从分光装置出来的第二束脉冲激光通过激光脉冲延时装置、起偏装置和太赫兹光束入射到样品的同一个位置上。从样品上反射的激光脉冲通过检偏装置，进入弱光光电探测器。这一束激光用于检测太赫兹光波的磁效应引起样品的磁化强度的变化。样品反射的太赫兹光通过太赫兹聚焦装置，聚焦于时序太赫兹光强检测装置上；同时从分光装置中出来的第三束脉冲激光通过飞秒脉冲延时装置，和样品反射的太赫兹脉冲激光束同聚于时序太赫兹光强检测装置。测试控制装置通过电缆连接飞秒脉冲延时装置、激光脉冲延时装置、磁场发生装置、弱光光电探测器以及时序太赫兹光强检测装置。

本发明的有益效果：

本发明利用时序太赫兹和时序克尔磁光测量联用的办法，①、解决了电磁场在太赫兹频段中快速变化的测量问题；②、在交变的电磁场作用下，区分了电场和磁场分别对材料的作用；③、测量出了太赫兹频段的磁导率和介电常数。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参阅图1，本发明包括：飞秒激光脉冲发生装置1、分光装置2、太赫兹光发生装置3、激光脉冲延时装置4a、起偏装置5、样品架6、磁场发生装置7、检偏装置8、弱光光电探测器9，太赫兹聚焦装置10a、飞秒脉冲延时装置4b、太赫兹聚焦装置10b、时序太赫兹光强检测装置11以及测试控制装置12。其中，飞秒激光脉冲发生装置1产生飞秒激光脉冲，进入分光装置2分成三束激光，其中第一束进入太赫兹光发生装置3，触发太赫兹脉冲光束，进行滤光，聚焦到放置在磁场发生装置7中间的样品架6上的样品上。从分光装置2出来的第二束脉冲激光通过激光脉冲延时装置4a、起偏装置5和太赫兹光束入射到样品的同一个位置上。从样品上反射的激光脉冲通过检偏装置8进入弱光光电探测器9。第二束激光用于检测太赫兹光波的磁效应引起样品的磁化强度的变化。样品反射的太赫兹光通过太赫兹聚焦装置10a，聚焦于时序太赫兹光强检测装置11上；同时从分光装置2中出来的第三束脉冲激光通过飞秒脉冲延时装置4b，和样品反射的的太赫兹脉冲激光束同聚于时序太赫兹光强检测装置11；测试控制装置12通过电缆控制延飞秒脉冲延时装置4b、激光脉冲延时装置4a、磁场发生装置7、弱光光电探测器9以及时序太赫兹光强检测装置11。

本发明太赫兹光发生装置3由太赫兹脉冲生产器件、激光滤光片以及太赫兹光的聚光元件以及平面镜组成，其太赫兹脉冲生产器件选自光导天线、ZnSe晶体、LiNbO₃晶体、LiTaO₃晶体、ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种，激光滤光片可以是硅片、聚四氟乙烯等对可见光不透明而对太赫兹电磁波有高透射率的材料；太赫兹的聚光元件为聚四氟乙烯透镜、离轴非球面镜单个或多个联用。

本发明起偏装置5包括偏振片以及聚光元件；

检测激光偏振状态发生变化的检偏装置包括聚光元件以及高消光比偏振片。

太赫兹聚焦装置10a、10b可以是离轴非球面镜，或聚焦透镜和中间带空的平面镜组成。

时序太赫兹光强检测装置11由光导天线或者电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成；电光晶体可以是ZnSe晶体、ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种。当探测器由电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成时，激光和太赫兹光同聚于光电晶体，激光通过光电晶体后，进入偏振分光镜分成两束，进入差分光电探测器中。

本发明是这样工作的：

由飞秒激光脉冲发生装置1产生一束激光，经过分光装置2后分成三束光，一束光进入太赫兹光发生装置3后产生太赫兹脉冲，同时太赫兹脉冲与激光同时入射到样品架6上的样品上，样品是铁磁材料。在做参数矫正时，在样品位置放入标准反射镜作为参考信号用以计算。太赫兹聚焦装置中的10a对样品反射的太赫兹脉冲进行聚焦，到达太赫兹聚焦装置中的10b对太赫兹脉冲改变方向，使其聚焦于时序太赫兹光强检测装置11上；同时从分光装置2中出来的第三束脉冲激光通过飞秒脉冲延时装置4b和太赫兹脉冲激光束同聚于时序太赫兹光强检测装置11。由于电光效应对探测激光的调制，得到太赫兹脉冲的电场强度大小，用以计算介电常数的变化，其中计算方法：

$R=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{samp}}{{\mathrm{\Φ}}_{ref}}$

其中R即为太赫兹光反射率，Φ_samp正比于测得的太赫兹电场信号的平方，Φ_ref为标准反射件的探测能量大小，对于不同方向的偏振光，根据菲涅尔公式，R_s与R_p分别代表s偏振与p偏振光的反射率。

$R_s=|\frac{Z_2{\mathrm{cos\θ}}_i-Z_1{\mathrm{cos\θ}}_t}{Z_2{\mathrm{cos\θ}}_i+Z_1{\mathrm{cos\θ}}_t}{|}^2,$

$R_p=|\frac{Z_2{\mathrm{cos\θ}}_t-Z_1{\mathrm{cos\θ}}_i}{Z_2{\mathrm{cos\θ}}_i+Z_1{\mathrm{cos\θ}}_i}{|}^2,$

其中：

$Z=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}}$

Z为光阻抗，为材料的磁导率对介电常数的一阶导数，在静态下可以认为是除商，μ为磁导率，ε为介电常数。

由于太赫兹电磁波的影响，材料的磁导率同样对反射率有贡献，第二路激光测量其磁导率变化，第二路激光通过激光脉冲延时装置4a后进入起偏装置5之后以一个略小的角度入射至样品架6的样品后，由于磁光克尔效应，偏振光发生小角度偏转，经过检偏装置8后进入弱光光电探测器9，根据弱光光电探测器9中的光强变化，算出材料中的磁化强度，同时根据太赫兹光的入射强度，计算太赫兹光的磁场强度，从而计算出材料的磁导率，再从Z中计算出介电常数。

Claims (6)

1.一种铁磁材料太赫兹介电常数的测量***，其特征在于该***包括：

用于提供测试使用的飞秒激光脉冲的飞秒激光脉冲发生装置；

用于将飞秒脉冲光束分成的三束激光的分光装置，与飞秒激光脉冲发生装置光路连接；

用于将飞秒激光脉冲转换为太赫兹脉冲的飞秒脉冲激光触发的太赫兹光发生装置,与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于调节飞秒激光脉冲进行延时处理的激光脉冲延时装置，与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于装填铁磁样品并且置于磁场中间的样品架；

用于测试时校正克尔角与磁化作用关系的磁场发生装置；设于样品架***；

用于对飞秒光学短脉冲进行延时处理的飞秒脉冲延时装置，与分光装置的其中一束激光光路连接；

用于产生线偏振光的激光起偏装置，设于激光脉冲延时装置与样品架之间，该装置包括偏振片以及聚光元件；

用于检测激光偏振状态发生变化的检偏装置，设于样品架与弱光光电探测器之间，该装置包括聚光元件以及高消光比偏振片；

用于检测弱光光强的弱光光电探测器，与检偏装置光路连接；

用于将太赫兹光进行聚焦的太赫兹聚焦装置，设于飞秒脉冲延时装置与样品架之间；

用于检测太赫兹光强的时序太赫兹光强检测装置，与太赫兹聚焦装置光路连接；

用于控制测试中各个变量变化的测试控制装置，通过电路连接飞秒脉冲延时装置、激光脉冲延时装置、磁场发生装置、弱光光电探测器以及时序太赫兹光强检测装置。

2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于所述太赫兹光发生装置由太赫兹脉冲产生器件、激光滤光片、太赫兹光聚光元件及平面镜组成，太赫兹脉冲产生器件、激光滤光片、太赫兹光聚光元件和平面镜沿光束传播方向依次排列，前三者其光轴平行于光束方向，平面镜改变光束方向，光束以10-45度入射到样品表面。

3.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于所述太赫兹脉冲产生器件选自光导天线、ZnSe晶体、LiNbO₃晶体、LiTaO₃晶体、ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于所述激光滤光片是硅片或聚四氟乙烯片，对可见光不透明而对太赫兹有高透射率的材料；所述太赫兹聚光元件为聚四氟乙烯透镜或离轴非球面镜单个或多个联用。

5.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于所述时序太赫兹光强检测装置由光导天线或者电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成，电光晶体是ZnTe晶体、InP晶体和GaAs晶体中的任意一种；当探测器由电光晶体、偏振分光镜和差分光电探测器组成时，三者沿激光传递方向依次排列，前两者光轴平行于激光传递方向，第三者的两个光电探测器接激光束。

6.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于所述太赫兹聚焦装置由中间带孔的离轴非球面镜或聚焦透镜和中间带空的平面镜组成；聚焦透镜和中间带空的平面镜依次排列，聚焦透镜的焦点在时序太赫兹光强检测装置中的光导天线或光电晶体上。