太赫兹光谱检测
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太赫兹光谱检测

太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹,介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。 近年来, 超快激光技术的发展促进了 THz 脉冲产生和探测技术的发展,相关技术及其应用研究也得到蓬勃发展。由于物质的THz 光谱包含丰富的物理和化学信息,对物质结构的探索具有重要意义,同时THz辐射还具有瞬态性、宽带性、相干性和光子能量低等特点,使得 THz 技术在基础研究领域和工业生产及军事应用领域有深远研究价值和重要的应用前景。目前,THz技术在基础领域的研究主要包括研究物质THz波段的光谱响应,对THz光谱进行理论解析, 探索凝聚态物质内部的声子、偶极子动力学过程及其结构性质。在应用领域的研究则涵盖了微电子学、光电子学、通信、天文学、化学、生物学、医学、农学等及由此带动的交叉研究, 如安全检测, 特别是对炸药、毒品等相关材料的检测研究已成为热点。


THz波的产生分为连续波的THz产生和THz脉冲的 产 生。 产 生 连 续THz波 的 方 法 主 要 有4 种:(1)通 过 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer) 使用热辐射源产生, 如汞灯和SiC棒;(2)是通过非线性光混频产生;(3)通过电子振荡辐射产生,如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生;(4)通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等,其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注,此外,还可以用半导体表面产生THz波。

太赫兹光谱用短脉冲太赫兹辐照来探测材料的性质。样品的辐射在MHz频率范围内检测和调制。由一个或多个激光器驱动的光学系统产生可以用锁相放大器测量和检测的斩波的THz脉冲。HF2LI锁相放大器用于太赫兹光谱仪器的连接图如下图一所示。


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                                                          图一 HF2LI锁相放大器连接到THz光谱仪系统

电光取样技术


电光取样测量技术基于线性电光效应:当THz脉冲通过电光晶体时,会发生电光效应,从而影响探测(取样) 脉冲在晶体中的传播。

当探测脉冲和THz脉冲同时通过电光晶体时,THz脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变,致使探测脉冲的偏振态发生变化。 调整探测脉冲和THz脉冲之间的时间延迟,检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到THz脉冲电场的时域波形。

自由空间电光取样THz探测原理如下图二所示。 图中的激光器为飞秒激光器,它所发出的飞秒激光脉冲经分束器之后,分为泵浦脉冲和探测脉冲。 泵浦脉冲用来激发THz发射极使其产生THz脉冲,然后该脉冲被离轴抛物面镜准直聚焦,经半透镜照射到电光晶体之上,由此改变电光晶体的折射率椭球。 当线偏振的探测脉冲在晶体内与THz光束共线传播时,其相位会被调制。 由于电光晶体的折射率会被THz脉冲电场改变,所以探测光经过电光晶体时,其偏振状态将会由线偏振转变为椭圆偏振,再经偏振分束镜(这里常用的是沃拉斯通(Wollaston) 棱镜) 分为 s 偏振和 p偏振两束,而这两束光的光强差则正比于THz电场。 使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差,从而探测到THz电场随时间变化的时域光谱。 利用机械电动延迟线可以改变THz脉冲和探测脉冲的时间延迟,通过扫描这个时间延迟可得到THz电场的时域波形。 为了提高灵敏度和压缩背景噪声,可以采用机械斩波器来调制泵浦光,而后利用锁相探测技术,即可获得THz电场振幅和相位的信息。


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                                                          图二  电光探测技术的太赫兹光谱系统

时域太赫兹光谱技术


THz- TDS系统是基于相干探测技术的太赫 兹产生与探测系统, 能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息, 通过对时间波形进行傅立叶变换, 能直接得到样品的吸收系数和折射率、透射率等光学参数.太赫兹时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽, 探测灵敏度很高, 可以广泛应用于多种样品的探测.
THz- TDS 系统可分为透射式、 反射式、 差分式、 椭偏式等, 其中最常见的为透射式和反射式THz- TDS 系统.典型的 THz- TDS 系统如下图三所示,它主要由飞秒激光器、 太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置, 以及时间延迟控制系统和数据采集与信号处理系统组成.目前, 在 THz- TDS 技术中常用来产生太赫兹脉冲的方法主要有 3 种: 光导天线、半导体表面辐射和光整流, 而相应的探测方法也主要有 3 种: 热辐射计、光导开关和电光取样


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                                                              图三  时域太赫兹光谱系统


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