[发明专利]基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法

权利要求书

1.一种基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用太赫兹时域光谱系统分别测量无等离子体时的参考时域光谱和有等离子体时的样品时域光谱；

S2、对参考时域光谱和样品时域光谱分别进行傅立叶变换，得到对应的参考频谱和样品频谱，以及相应的相位；

S3、根据样品频谱与参考频谱的相位差和频谱幅度之比，结合等离子体的厚度，确定等离子体的介电常数的实部；

S4、基于等离子体的介电常数的实部，计算等离子体密度；

所述步骤S3中，确定等离子体的介电常数的实部时，先根据等离子体的厚度d、样品频谱与参考频谱的相位差Δφ，以及样品频谱与参考频谱的频谱幅度之比ρ，计算等离子体的折射率n和吸收系数κ，表达式为：

其中，c表示光速，ω表示探测的太赫兹波角频率；

再根据等离子体的折射率n和吸收系数κ，计算等离子体的介电常数的实部，表达式为：

ε_r＝n²-κ²；

所述步骤S4中，忽略非弹性碰撞，考虑弹性碰撞，将电子动量守恒方程进行线性化得到：

其中，n_e为电子密度，m_e表示电子质量，表示沿x轴向的漂移速度，e表示电子电荷量，表示沿x轴方向的电场矢量；

由此可得到如下速度与电场扰动幅值之间的关系：

净电流等于位移电流与传导电流的和，其中位移电流由时变电场引起，而电子的运动产生了传导电流：

其中，表示沿x轴向的传导电流，ε₀表示真空介电常量，为等离子体的特征响应频率，即电子等离子体频率；

将等离子体看成一种电介质，由上式可给出等离子体的介电常数表达式为：

可见为介电常数的实部ε_r，为介电常数的虚部ε_i；由此可知介电常数的实部ε_r与电子等离子体频率的关系为：

联合电子等离子体频率和电子密度的关系式

计算等离子体密度时，表达式为：

其中，n_e表示电子密度，ε₀表示真空介电常量，m_e表示电子质量，e表示电子电荷量，ν_m表示弹性碰撞频率，电子密度n_e等于等离子体密度；弹性碰撞频率ν_m的表达式为：

ν_m＝5.8×10¹²T^-1/2P

其中，T表示温度，单位为开尔文K，P表示压强，单位为标准大气压atm；

所述太赫兹时域光谱系统包括激光光源、分束镜、太赫兹发射器、太赫兹光路、硅片、电光晶体、1/4波片、聚焦透镜、渥拉斯顿棱镜和差分光电探测器；其中，

所述激光光源用于产生激光光束，通过所述分束镜分为泵浦光束和探测光束；

所述太赫兹发射器用于接收泵浦光束，以产生与探测光束同源的太赫兹波；

所述太赫兹光路用于传输太赫兹波，并在形成用于测量的聚焦测量点后，将太赫兹波透射过硅片；

所述硅片用于反射外来的探测光束，并将探测光束与穿过硅片的太赫兹波汇聚于所述电光晶体，形成太赫兹电场调制后的激光；

所述1/4波片用于对调制后的激光中的寻常光和非常光引入π/2的相位差；

所述聚焦透镜用于将引入相位差后的激光汇聚，输入渥拉斯顿棱镜；

所述渥拉斯顿棱镜用于使汇聚的激光中的寻常光和非常光分束，并分别汇聚于差分光电探测器；

所述差分光电探测器用于将接收到的太赫兹信号进行差分解调探测，获取透射过样品的太赫兹信号，得到太赫兹时域光谱；

所述太赫兹时域光谱系统中，所述太赫兹光路包括第一抛物面镜至第四抛物面镜；其中，

所述第一抛物面镜用于接收太赫兹波并使太赫兹波准直，准直的太赫兹波输入所述第二抛物面镜；

所述第二抛物面镜用于接收准直的太赫兹波，并将准直的太赫兹波聚焦，形成用于测量的聚焦测量点；

所述第三抛物面镜用于接收通过聚焦测量点后的太赫兹波，并将太赫兹波再次准直后输入所述第四抛物面镜；

所述第四抛物面镜用于接收再次准直的太赫兹波，并将太赫兹波汇聚，穿透所述硅片；

所述太赫兹时域光谱系统还包括第一反射镜至第五反射镜，所述泵浦光束经过第一反射镜、第二反射镜转向后，入射所述太赫兹发射器；所述探测光束经过第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜转向后，入射所述硅片，所述第四和第五反射镜之间还设有衰减器，所述衰减器用于调节探测光束的强度；

所述太赫兹时域光谱系统还包括气室，所述太赫兹光路设于所述气室内，且所述气室内充有干燥空气。