【正文】 波段探測器，如基于等離子體場效應管已被證明可以達到 6 0 0 GH z 。 對于在 T H z 時域光譜 ( T H z ? T DS) 系統(tǒng)中的太赫茲脈沖測量，需要使用相干探測器。最常用的兩種方法基于光電導取樣和自由空間的電光取樣，它們都需要使用超快激光源。電光效應是低頻電場 ( 太赫茲脈沖 ) 和激光束 ( 光學脈沖 ) 在探測晶體中的耦合。簡單的張量分析表明，使用一塊 〈 1 1 0 〉 取向的閃鋅礦結構晶體 ( Z n T e ) 可以提供高的靈敏度。太赫茲的電場調制探測晶體的雙折射，進而調制了通過探測晶體的探測光束的橢偏度。從探測光束的被調制的探測 光束橢偏度中，可以得到包括施加電場的大小和相位在內的各種信息。使用超短激光脈沖 ( 1 5 f s ) 和薄的探測晶體 ( 3 0 μ m) ，可以進行中紅外波段的電光信號探測。 1 ．光電導取樣 光電導取樣是和光電導天線 ( P C A ) 發(fā)射器結合起來發(fā)展的。對于 T ? 射線探測，未加偏置的 P C A 放在T ? 射線光束的路徑上，由與泵浦光有可調節(jié)時間延遲關系的探測光脈沖進行門控。門控 ( 探測 ) 脈沖產生流過 P C A 的電流，并與安培表相連。 T Hz 的電場加在 P C A 上，因此探測電流與 T ? 射線場成比例。光探測脈沖的持續(xù)時間遠遠短于 T ? 射線脈 沖，所以通過改變兩光脈沖的時間延遲，取樣出時間軸上 T ? 射線的波形，探測的 T ? 射線信號是入射 T Hz 波形與 P C A 響應的卷積。在光譜實驗中，探測器和發(fā)射器的響應通過反卷積來解釋，或者將信號與參考脈沖正交化。 最早制作在低溫生長 Ga A s ( L T ? Ga As ) 上的 P C A 探測器，達到的最大帶寬約為 2 T H z 。近年來利用持續(xù)時間為 1 5 f s 的超快門控脈沖的實驗使得探測帶寬達到 4 0 T H z 。 電磁脈沖的光激發(fā)和相關探測包括鎖模 Ti ﹕ 藍寶石激光器，它是作為泵浦光束和探測光束的飛秒光脈沖的源，大孔 徑光電導發(fā)射器和作為電磁波接收器的光電導偶極天線，裝有硅透鏡來提高收集效率。圖 10 ? 4 是一常用的實驗裝置。光束由分光鏡一分為二：未聚焦的較強光束照射光導發(fā)射器的表面，并被一機械斬波器調制；較弱的光束用做探測器的控制光，通過時間延遲平臺，聚焦在偶極天線間的光導體上，約 5 m m 大小的光斑。各種放大的和不放大的飛秒激光器，包括碰撞脈沖鎖模 ( C P M ) 環(huán)狀染料激光器和自鎖模 Ti ﹕ 藍寶石激光器，都可用來作為光導偶極天線發(fā)射的 T H z 脈沖的相干產生和探測的光源。 光電導探測天線的幾何結構是由 Gr is c h k o w s k y 發(fā)明的，如圖 10 ? 5 所示。它可以由藍寶石上輻射損傷的硅 ( R D ? S OS ) 或低溫生長的砷化鎵 ( L T ? Ga A s ) 晶片制造。每一種材料都有極短的光載流子壽命，這是使探測器響應和探測信號波形的卷積最小所必須的。天線放置在 2 0 m m 長的共面?zhèn)鬏斁€的中間，傳輸線由兩條平行 5 μ m 寬的間距 1 0 μ m 的金屬線組成。聚焦的入射 T H z 輻射的電場在直接與鎖相放大器相連的光導天線兩極間 ( 5 μ m 的空隙 ) 產生瞬時偏壓。這個瞬時電壓的強度和時間相關性可以通過測量集電極電荷 ( 平均電流 ) 對入射 T H z 脈沖和光脈沖相對延遲而獲得，光脈沖通過驅 動限制在 5 μ m 天線間隙的光導開關來同步門控探測器。因此，輻射電場的時域波形可以通過激發(fā)和門控光脈沖時間延遲的不同取樣。這樣的儀器的信噪比可超過 103。由于 RD ? S OS 上的 1 0 0 μ m 偶極天線響應時間大約是 0 . 3 ～ 1 p s ，被測量輻射脈沖的帶寬受光導探測器的限制，其在幾百 GHz 頻率響應最大。最快的天線探測響應范圍從近 DC 到 5 T H z 。探測器的測量信號被鎖相放大器和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放大，取平均和數(shù)字化。 dttntEI?????? )()()( ?? ( 10 ? 1) 圖 10 ? 5 是一光電導偶極天線。具有自由空間電場，持續(xù)時間大的 T ? 射線光斑給電極加上偏壓。飛秒探測脈沖控制電極產生瞬態(tài)光載流子，形成瞬時電流，被安培計探測。電流正比干所加的T H z 場。 2 ．自由空間電光技術 近些年，很多自由空間技術都得到發(fā)展。下面將討論基于電光 ( E O ) 效應的自由空間 T H z 技術，包括非線性晶體光整流產生和利用 P o c k e ls 效應的 EO 取樣探測及其應用。 圖 10 ? 6 是自由空間電光取樣 ( F S ? E O S ) T H z 測量的常用裝置。超快激光脈沖被分束片分為兩束光：泵浦光 ( 強光束 ) 和探測光束 ( 弱光束 ) 。泵浦光束照射在 T H z 發(fā)射器上( 例如 P C A 天線發(fā)射器、光整流發(fā)射器 ) 。發(fā)射器產生的輻射是短電磁脈沖，持續(xù)時間在皮秒量級，頻率在 T H z 量級。輻射通常有一個或幾個周期，因此帶寬很寬。 T H z 光束被一對拋物面鏡聚焦到 EO 晶體上，它改變了 EO 晶體折射率的橢球面。線偏振探測光束在晶體內與 T Hz 光束共線傳播，它的相位被折射率調制，而折射率已被 T Hz 脈沖的電場改變。相位改變又經偏振器 ( 這里是 W o ll a s to n 棱鏡 ) 轉化為強度變化。通常使用一對平行探測器來壓縮普遍的激光 噪聲 ( 在偏振器后面 ) 。機械制動延遲線改變 T H z 脈沖和探測脈沖的時間延遲，通過掃描此時間延遲而得到T H z 電場波形。為了提高靈敏度，被 T H z 調制的探測信號由鎖相放大器提取。 關于 EO 取樣的討論建立在穩(wěn)定電場假設的基礎上。對于 T H z 脈沖瞬態(tài)電場，需要考慮相位匹配。探測脈沖對于 T Hz 脈沖具有不同的群速度 ( 所謂的群速度失配或 G VM ) ，常常不是對 T H z 脈沖的相同位置取樣而是掃描 T H z 脈沖，因而導致了測量波形的展寬。 GVM 可在時域討論，也可在頻域討論。因為介電常數(shù)在 T H z 范圍的色散，使頻域處理較精確。探 測的頻率響應函數(shù)與產生時的相同。圖 10 ? 7 ( b ) 描繪了幾種厚度的 Ga P 電光晶體頻率響應函數(shù)。圖 10 ? 7 ( a ) 描繪了探測光束群折射率和介電常數(shù)的色散。電光晶體越薄，頻率響應函數(shù)越寬。因此一旦材料給定，就應盡量使用薄晶體來得到寬頻帶。然而，厚度小意味著相互作用的距離短，靈敏度差，因而具體選擇可根據(jù)特殊應用。 3 ．光電導天線與 EO 取樣的比較 光電導天線和 EO 取樣都可用于自由傳播 T H z 脈沖的測量。對于低頻 T H z 信號 ( 小于 3 T H z ) 和低斬波頻率 ( k H z ) ， 光電導天線有較高的信噪比 ( S N R 約 2 個量級 ) 。然而，對于某高頻斬波技術， EO 取樣可以大大降低噪聲 ( 約 2 個量級 ) ，使兩種方法的 S N R 相當。對于大于 T H z 的頻率，光電導天線的可用性大大降低，而 EO 取樣仍有很高的靈敏度。 圖 10 ? 8 描繪了相同發(fā)射器產生由光電導天線和 EO 取樣探測的 T Hz 信號。 EO 感應器獲得的波形明顯比天線的窄，可知 EO 取樣的頻帶較寬。 E O 取樣需要的探測光束的能量比光電導天線低的多，這使得利用 EO 感應器實現(xiàn)并行測量成為可能。完成并行測量在空間上 和時間上都趨向于使用 EO 技術，但光電導天線實現(xiàn)并行測量是很困難的。存在的問題包括天線陣列的制作、線路、探測光束能量等。 EO 感應器的調節(jié)和穩(wěn)定性比光電導天線的容易且較好，但 EO 技術對激光噪聲的靈敏度較高。 10 ． 2 T H z 輻射光譜學 利用 T H z 脈沖可以分析材料的性質，其中 T Hz 時域光譜是一種非常有效的測試手段。 T Hz 脈沖時域光譜系統(tǒng)是在 20 世紀 90 年代出現(xiàn)的， T H z 脈沖光譜儀利用鎖模激光器產生的超快激光脈沖，產生和探測T H z 脈沖。最常用的鎖模激光器是鈦寶石激光器，它能產生 8 0 0 n m 附近的飛秒激光脈沖。 T H z 脈沖光譜儀的大小和費用主要取決超快激光器。 T H z 時域光譜系統(tǒng)是一種相干探測技術，能夠同時獲得 T H z 脈沖的振幅信息和相位信息，通過對時間波形進行傅里葉變換，能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等光 學參數(shù)。 T H z 時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬，探測靈敏度很高，可以廣泛應用于多種樣品的探測。 典型的 T H z 時域光譜系統(tǒng)如圖10 ? 9 所示，主要由飛秒激光器、 T H z輻射產生裝置、 T H z 輻射探測裝置和時間延遲控制系統(tǒng)組成。飛秒激光器產生的激光脈沖經過分束鏡后被分為兩束，一束激光脈沖 ( 激發(fā)脈沖 ) 經過時間延遲系統(tǒng)后入射到 T H z輻射源上，產生 T H z 輻射，另一束激光脈沖 ( 探測脈沖 ) 和 T H z 脈沖一同入射到 T H z 探測器件上，通過調節(jié)探測脈沖和 T H z 脈沖之間的時間延遲探測 T H z 脈沖的整個波形。 T H z 時域光譜系統(tǒng)分為透射型和反射型，既可以做透射探測，也可以做反射探測，還可以在泵浦探測的方式下研究樣品的時間動力學性質。對于不同的樣品、不同的測試要求可以采用不同的探測裝置。 10 ． 2 ． 1 透射型 T H z 時域光譜系統(tǒng) 材料的光學常數(shù) ( 實折射率和消光系數(shù) ) 是用來表征材料宏觀光學性質的物理量，是進行其他各項研究工作的基礎，但一般材料在 T H z 波段范圍內已測得的光學常數(shù)的數(shù)據(jù)比較少。利用 T H z 時域光譜技術可以很方便地提取出材料在 T H z 波段范圍內的光學常數(shù)。這里介紹 T ． D ． Do r n e y 和 L D ． Du v il l a r e t 等人提出的 T H z 時域光譜技術提取材料光學常數(shù)的模型。實驗中 T H z 時域光譜系統(tǒng)的響應函數(shù)是不隨時間改變的，同時要求所測的樣品結構均勻，兩平面拋光且保持平行。 一般地，可以利用復折射率jKnn ??來描述樣品的宏觀光學性質。其中 n 為實折射率，描述樣品的色散情況； κ 為消光系數(shù)，描述樣品的吸收特性，一般它們都是頻率的函數(shù)。消光系數(shù)與吸收系數(shù)之間的關系為 α = 2 ωκ ／ c ( 1 0 ? 2) 電磁波與物質相互作用時，在第一個端面邊界上振幅變化由反射系數(shù)和透射系數(shù)決定， F r e s n e l 公式給出了其數(shù)值關系，即 2112211212c os~c os~c os~c os~????nnnnrp??? ( 1 0 ? 3 ) 21121112c o s~c o s~c o s~2???nnnrp?? ( 1 0 ? 4 ) 2211221112c os~c os~c os~c os~????nnnnrs??? ( 1 0 ? 5 ) 22111112c o s~c o s~c o s~2???nnnrs??