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基于太赫兹时域光谱技术检测电介质材料特性的研究

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摘要

1 绪论

1.1 THz电磁波

1.1.1 THz波简介

1.1.2 THz波性质

1.2 THz时域光谱技术

1.2.1 THz时域光谱技术简介

1.2.2 THz波的产生和探测

1.2.3 THz时域光谱系统的性质

1.2.4 THz-TDS系统的应用

1.2.5 THz-TDS系统在检测物质方面存在的问题

1.3 THz时域光谱技术的研究现状

1.4 本文的选题依据和研究意义

1.4.1 利用THz时域光谱技术检测电介质材料性质的必要性

1.4.2 利用THz时域光谱技术检测电介质材料性质的可行性分析

1.5 研究XLPE电缆材料老化的重要性

1.6 本论文的主要工作

2 THz时域光谱技术探测样品的原理

2.1 THz时域光谱系统的光路设计

2.2 THz时域光谱系统的各部分组成装置

2.2.1 飞秒激光器

2.2.2 延迟装置与信号发射元件

2.2.3 探测装置与信号放大系统

2.2.4 数据采集装置及处理系统

2.3 THz时域光谱系统的搭建及优化

2.3.1 THz-TDS系统的搭建

2.3.2 THz-TDS系统的优化

2.4 利用THz时域光谱系统提取光学常数的原理

2.5 实验样品的制备

2.6.1 实验擞据的采集

2.6.2 实验数据的处理

2.7 本章小结

3.1 THz时域光谱系统的性能的表征

3.2 GaAs光电导天线对产生THz波的影响

3.2.1 偏置电压的影响

3.2.2 电极间隙的影响

3.3 激光脉冲参数对产生THz波的影响

3.3.1 激光照射位置的影响

3.3.2 探测光功率的影响

3.3.3 泵浦光功率的影响

3.3.4 入射激光波长的影响

3.4 入射激光波长对探测晶体的影响

3.5 本章小结

4.1 XLPE电缆的老化

4.1.1 XLPE电缆老化原因分析

4.1.2 现有的老化检测技术

4.2 XLPE电缆的光谱分析与讨论

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录

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摘要

太赫兹时域光谱系统是应用最广泛的光谱测量技术,是THz技术的典型代表。它直接记录了THz电场的振幅和相位信息,不需要经过复杂的克拉默斯-克勒尼希变换就能直接获得样品在THz波段的光学常数。它在物体成像、无线通信、材料的分析、化合物结构的判断和安全检测等方面显示出广阔的应用前景。对天文学、生物学、电磁学、材料科学、医学、工农业及反恐等领域也带来了深远的影响,在很多方面将成为远红外光谱技术和X射线的补充。本文围绕THz-TDS系统展开了一系列的工作,主要的内容及创新点包括以下两个方面:
  1、搭建了透射型THz时域光谱系统,并对搭建的好的系统进行优化,研究GaAs光电导天线的外加偏压、电极间隙、激光脉冲参数,如光斑在天线电极间的位置、泵浦光功率、探测光功率对天线辐射THz波的影响。重点分析了激光器的中心波长对Si-GaAs光电导天线辐射THz波的影响;研究表明:光电天线辐射THz波的强度、峰值功率、有效谱宽都随中心波长的改变而改变,在短波长和长波长下都比较小,波长为800nm时达到最高,并从相位匹配方面证明了波长为800nm时,ZnTe晶体的探测效果最佳。
  2、利用THz-TDS系统研究XLPE材料的老化程度。XLPE电缆在现今的高中低压输电系统中扮演着重要的角色,但是,由于其老化出现而引起的击穿事故屡屡发生,给人们的生活及经济带来了巨大的损失,所以研究其老化程度,抑制事故的发生就显得尤为重要。本文通过对不同老化条件下内、中、外三个不同位置的XLPE样品切片在THz波段的光谱分析及计算,得到XLPE电缆内部样品在THz波段的折射率和介电常数:实际运行一年的样品其折射率和介电常数最大,分别为1.539和2.37,而加速老化10和20天的样品的介电常数和折射率较小,对于中部和外部绝缘层而言有相同的变化规律。研究表明:电缆的老化程度与电缆材料在THz波段的介电常数和折射率有关,介电常数和折射率越大,样品的绝缘性能越好,则其老化程度越低,反之亦然。所以实际运行一年的电缆样品其老化程度较低,而加速老化10天和20天的电缆样品老化程度较高。

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