[發(fā)明專利]基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法

有效

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• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113038678B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發(fā)明（設計）人: 孫金海;蔡禾;朱先立;張旭濤;李進春;李糧生
• 申請（專利權）人: 北京環(huán)境特性研究所
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 北京格允知識產權代理有限公司 11609
• 代理人: 張莉瑜

1.一種基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)分別測量無等離子體時的參考時域光譜和有等離子體時的樣品時域光譜；

S2、對參考時域光譜和樣品時域光譜分別進行傅立葉變換，得到對應的參考頻譜和樣品頻譜，以及相應的相位；

S3、根據(jù)樣品頻譜與參考頻譜的相位差和頻譜幅度之比，結合等離子體的厚度，確定等離子體的介電常數(shù)的實部；

S4、基于等離子體的介電常數(shù)的實部，計算等離子體密度；

所述步驟S3中，確定等離子體的介電常數(shù)的實部時，先根據(jù)等離子體的厚度d、樣品頻譜與參考頻譜的相位差Δφ，以及樣品頻譜與參考頻譜的頻譜幅度之比ρ，計算等離子體的折射率n和吸收系數(shù)κ，表達式為：

其中，c表示光速，ω表示探測的太赫茲波角頻率；

再根據(jù)等離子體的折射率n和吸收系數(shù)κ，計算等離子體的介電常數(shù)的實部，表達式為：

ε_r＝n²-κ²；

所述步驟S4中，忽略非彈性碰撞，考慮彈性碰撞，將電子動量守恒方程進行線性化得到：

其中，n_e為電子密度，m_e表示電子質量，表示沿x軸向的漂移速度，e表示電子電荷量，表示沿x軸方向的電場矢量；

由此可得到如下速度與電場擾動幅值之間的關系：

凈電流等于位移電流與傳導電流的和，其中位移電流由時變電場引起，而電子的運動產生了傳導電流：

其中，表示沿x軸向的傳導電流，ε₀表示真空介電常量，為等離子體的特征響應頻率，即電子等離子體頻率；

將等離子體看成一種電介質，由上式可給出等離子體的介電常數(shù)表達式為：

可見為介電常數(shù)的實部ε_r，為介電常數(shù)的虛部ε_i；由此可知介電常數(shù)的實部ε_r與電子等離子體頻率的關系為：

聯(lián)合電子等離子體頻率和電子密度的關系式

計算等離子體密度時，表達式為：

其中，n_e表示電子密度，ε₀表示真空介電常量，m_e表示電子質量，e表示電子電荷量，ν_m表示彈性碰撞頻率，電子密度n_e等于等離子體密度；彈性碰撞頻率ν_m的表達式為：

ν_m＝5.8×10¹²T^-1/2P

其中，T表示溫度，單位為開爾文K，P表示壓強，單位為標準大氣壓atm；

所述太赫茲時域光譜系統(tǒng)包括激光光源、分束鏡、太赫茲發(fā)射器、太赫茲光路、硅片、電光晶體、1/4波片、聚焦透鏡、渥拉斯頓棱鏡和差分光電探測器；其中，

所述激光光源用于產生激光光束，通過所述分束鏡分為泵浦光束和探測光束；

所述太赫茲發(fā)射器用于接收泵浦光束，以產生與探測光束同源的太赫茲波；

所述太赫茲光路用于傳輸太赫茲波，并在形成用于測量的聚焦測量點后，將太赫茲波透射過硅片；

所述硅片用于反射外來的探測光束，并將探測光束與穿過硅片的太赫茲波匯聚于所述電光晶體，形成太赫茲電場調制后的激光；

所述1/4波片用于對調制后的激光中的尋常光和非常光引入π/2的相位差；

所述聚焦透鏡用于將引入相位差后的激光匯聚，輸入渥拉斯頓棱鏡；

所述渥拉斯頓棱鏡用于使匯聚的激光中的尋常光和非常光分束，并分別匯聚于差分光電探測器；

所述差分光電探測器用于將接收到的太赫茲信號進行差分解調探測，獲取透射過樣品的太赫茲信號，得到太赫茲時域光譜；

所述太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，所述太赫茲光路包括第一拋物面鏡至第四拋物面鏡；其中，

所述第一拋物面鏡用于接收太赫茲波并使太赫茲波準直，準直的太赫茲波輸入所述第二拋物面鏡；

所述第二拋物面鏡用于接收準直的太赫茲波，并將準直的太赫茲波聚焦，形成用于測量的聚焦測量點；

所述第三拋物面鏡用于接收通過聚焦測量點后的太赫茲波，并將太赫茲波再次準直后輸入所述第四拋物面鏡；

所述第四拋物面鏡用于接收再次準直的太赫茲波，并將太赫茲波匯聚，穿透所述硅片；

所述太赫茲時域光譜系統(tǒng)還包括第一反射鏡至第五反射鏡，所述泵浦光束經過第一反射鏡、第二反射鏡轉向后，入射所述太赫茲發(fā)射器；所述探測光束經過第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡轉向后，入射所述硅片，所述第四和第五反射鏡之間還設有衰減器，所述衰減器用于調節(jié)探測光束的強度；

所述太赫茲時域光譜系統(tǒng)還包括氣室，所述太赫茲光路設于所述氣室內，且所述氣室內充有干燥空氣。