【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ,在裝置內(nèi)產(chǎn)生震蕩波或者孤子波,可以產(chǎn)生一定頻率的THz電磁場(chǎng)輻射。窄帶THz電磁波產(chǎn)生可以利用光學(xué)參量轉(zhuǎn)換光晶體的線光混頻方法。光學(xué)非線性晶體,例如LiNbO3，在近紅外區(qū)(),被較強(qiáng)的納秒脈沖激時(shí),產(chǎn)生受激極化散射現(xiàn)象。泵浦光頻率為Wp,當(dāng)它激發(fā)非線性晶體時(shí),產(chǎn)生一個(gè)頻率為Wi的閑置光。根據(jù)Wp=Wi+WTHz,產(chǎn)生THz電磁波?？梢酝ㄟ^(guò)Si棱鏡傳播出去。整個(gè)過(guò)程要求動(dòng)量守恒恒Kp = Ki + KTHz(圖6)。通過(guò)改變泵浦光的入射角可以得到不同頻率的THz電磁波。兩束激光(其中至少一個(gè)為連續(xù)可調(diào))在光導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行光混頻,可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為它們差值的光電流。若頻率在THz范圍內(nèi),光電流可以沿傳輸線或通過(guò)天線自由輻射,從而形成THz電磁波。圖6 利用光學(xué)參量產(chǎn)生THz場(chǎng) 太赫茲波的探測(cè) 如果THz信號(hào)很弱,探測(cè)則是相當(dāng)艱難的任務(wù),并且由于光子能量很低,外界熱的噪聲超過(guò)THz信號(hào),因此需要控制探測(cè)器的溫度使其在較低的情況下工作。超短電脈沖的光譜在THz范圍內(nèi), 主要有兩種探測(cè)方法。光導(dǎo)天線法和電光取樣法。光導(dǎo)天線利用光導(dǎo)偶極子天線和遠(yuǎn)紅外相干技術(shù)來(lái)探測(cè)自由空間傳播的THz電磁波。所探測(cè)的波形信號(hào)和所用天線的共振響應(yīng)函數(shù)有關(guān)。電光取樣利用被探測(cè)光場(chǎng)和THz場(chǎng)同時(shí)激發(fā)的電光晶體的線性電光效應(yīng)。兩場(chǎng)傳播方向相同,但偏振方向不同。 通過(guò)對(duì)探測(cè)光的偏振方向改變的分析,可以得到THz電磁輻射場(chǎng)的波形（圖7）。 圖7 超短THz脈沖信號(hào)探測(cè) (a)光導(dǎo)天線 (b)電光取樣 在低頻范圍內(nèi),光導(dǎo)天線法有很好的信噪比和靈敏度,隨頻率增加,電光取樣逐漸發(fā)揮作用。電光取樣可探測(cè)較寬的范圍,一般為100GHz～37THz,而光導(dǎo)天線僅為3T～4THz,這是由于天線參數(shù)的限制。 連續(xù)THZ場(chǎng)外差法探測(cè)：在微波、毫米波和THz頻率范圍內(nèi),最靈敏的探測(cè)器制作原理都以外差法原理為基礎(chǔ),它是由兩個(gè)信號(hào)混合而成,被探測(cè)的THz連續(xù)場(chǎng)信號(hào)和局部振蕩信號(hào)。局部振蕩信號(hào)有一個(gè)固定的輸出能量,且該能量大于接收信號(hào)。外差法的處理通過(guò)一個(gè)非線性設(shè)備進(jìn)行,稱為混合器。輸出信號(hào)的頻率和THz信號(hào)與局部振蕩信號(hào)差值成比例。通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的分析,可以得知THz信號(hào)的相關(guān)信息。一般說(shuō)來(lái)THz技術(shù)從產(chǎn)生到探測(cè)都離不開(kāi)超快激光技術(shù),所以設(shè)備龐大,價(jià)格昂貴。要想THz技術(shù)應(yīng)用到氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備等方面, 就必須使其小型化,低廉化、逐漸發(fā)展的納米技術(shù)等有可能使其從學(xué)術(shù)階段過(guò)渡到工業(yè)應(yīng)用方面[17]。3 太赫茲成像 太赫茲波和其他波段的電磁輻射一樣可以用來(lái)對(duì)物體成像，而且根據(jù)太赫茲波高透性、無(wú)損性以及大多物質(zhì)在太赫茲波段都有指紋譜等特性使太赫茲成像相比其他成像方式更具優(yōu)勢(shì)。1995年，Hu等在THzTDS系統(tǒng)中增加二維掃描平移臺(tái)，首次實(shí)現(xiàn)脈沖太赫茲時(shí)域光譜成像，并成功對(duì)樹(shù)葉、芯片等樣品成像。由于這種成像方法獲得的是樣品的光譜信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)成像，而且能夠?qū)崿F(xiàn)功能成像。隨著對(duì)太赫茲波新特性的深入了解，太赫茲成像技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，涌現(xiàn)出了許多諸如太赫茲二維電光取樣成像、層析成像、太赫茲啁啾脈沖時(shí)域場(chǎng)成像、近場(chǎng)成像、太赫茲連續(xù)波成像等，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、質(zhì)量檢測(cè)、安全檢查、無(wú)損檢測(cè)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 利用太赫茲成像系統(tǒng)把成像樣品的透射譜或反射譜的信息（包括振幅和相位的二維信息）進(jìn)行處理、分析，得到樣品的大赫茲圖像，太赫茲成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成與太赫茲時(shí)域光譜相比，多了圖像處理裝置和掃描控制裝置。利用反射掃描或透射掃描都可以成像，這主要取決于成像樣品及成像系統(tǒng)的性質(zhì)。根據(jù)不同的需要，可以采用不同的成像方法． 對(duì)于太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)，它所獲取的數(shù)據(jù)集合實(shí)際是三維時(shí)空的數(shù)據(jù)（二維空間(x，y)軸向和一維時(shí)間軸向）。利用該三維數(shù)據(jù)集合可得到一系列樣品的太赫茲圖像，即皮秒量級(jí)的電影．另外由于在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的太赫茲圖像所包含的信息量很少，所以通常要獲取整個(gè)三雛的數(shù)據(jù)集合。而太赫茲圖像的重構(gòu)通常就是基于太赫茲時(shí)域波形的特定參數(shù)或峰位的延遲時(shí)間。 目前對(duì)于樣品重構(gòu)的方法主要有以下5種： l)飛行時(shí)間成像：利用各像素點(diǎn)對(duì)THz信號(hào)的時(shí)間延遲信息成像，如圖8(a)中的a，b．c和d所示。其中，b為最大峰值時(shí)間成像，該成像方法反映了太赫茲在樣品的折射率。2) 時(shí)域最大值、最小值、峰值成像：利用備像素點(diǎn)THz域信號(hào)的最大值、最小值或最大值與最小值的差值成像，分別如圖8(a)中的A，B，C所示．其中，時(shí)城最大值成像反映了樣品對(duì)太赫茲波的消光系數(shù)。 3)特定頻率振幅（相位）成1像：利用各像素點(diǎn)THz領(lǐng)域信號(hào)在某一頻率的振幅（相位）值成像，如圖8(b)中的E所示。 4)功率譜成像：對(duì)各像素點(diǎn)THz頻域信號(hào)在某一段頻率范圍內(nèi)的振幅平方值積分的信息成像，如圖8(a)中的D所示。5)脈寬成像：利用太赫茲主峰值的脈寬成像，如圖8(a)中的所示，該成像模型主要反映物體的色散特性，它可以清晰地呈現(xiàn)物體的輪廓[18]。圖8 太赫茲成像的重構(gòu)方法。(a)時(shí)域成像；(b)頻域成像 太赫茲成像的像素信息太赫茲電磁波成像的基本原理是：利用已知波形的太赫茲電磁波作為成像射線，透過(guò)成像樣品（或從樣品反射）的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位包含了樣品復(fù)介電常數(shù)的空間分布，將透射的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位的二維信息記錄下來(lái)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理和頻譜分析，就能得到樣品的太赫茲電磁波的三維圖像，太赫茲波成像技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是信息量大，每一像源對(duì)應(yīng)一個(gè)太赫茲時(shí)域譜，通過(guò)對(duì)時(shí)域譜進(jìn)行傅里葉變換又可得到每一點(diǎn)的太赫茲頻率響應(yīng)譜。圖9 太赫茲成像的時(shí)域信息一般地，首先未加樣品時(shí)，利用Sampling方法得到THz波形，作為參考信息；然后加進(jìn)樣品，得出該像素的波形信息，傳統(tǒng)的透射型太赫茲成像，每個(gè)像素能給出的信息包括：歸一化峰值振幅信息，歸一化脈沖延遲信息，脈寬信息等，視具體情況去提取各種不同的信息，太赫茲成像的時(shí)域信息的情況見(jiàn)圖9：其中紅色波形是參考信號(hào)，白色波形是通過(guò)樣品后的信號(hào)，它包含有樣品的信息，具體的信息提取可用圖示的方程。經(jīng)過(guò)傅立葉變換后，我們得到頻域的信息，它包括：①某一頻率的振幅變化信息；②某一頻率的位相變化信息；③某一頻率范圍的強(qiáng)度積分信息；④某一頻率的In(a/n)值（同時(shí)考慮了振幅和位相）以及透射率，時(shí)間延遲，吸收率，折射率等，如圖10所示。圖10 太赫茲成像的頻域信息研究了焦點(diǎn)位置附近太赫茲波的橫模分布，目的在于了解系統(tǒng)中太赫茲波的橫向分布情況，為進(jìn)行太赫茲光譜和成像實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。通過(guò)太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像，對(duì)經(jīng)常被用來(lái)放置測(cè)試樣品位置附近的太赫茲波橫模分布情況進(jìn)行了定性的分析。利用“狹縫法”測(cè)量了太赫茲光束的束寬。結(jié)果表明，太赫茲波在焦點(diǎn)附近不同位置的橫向分布有較大差異，這說(shuō)明太赫茲波的聚焦有一定的限度。實(shí)驗(yàn)確定了系統(tǒng)中放置樣品的最佳位置，對(duì)開(kāi)展太赫茲光譜和成像研究有參考價(jià)值。目前世界上比較流行的利用飛秒激光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生太赫茲電磁波的光路有兩種，一種是反射式的，另一種是透射式的。前一種是靠飛秒激光激發(fā)半導(dǎo)體表面發(fā)射來(lái)產(chǎn)生太赫茲波，后一種是利用光導(dǎo)激發(fā)機(jī)制或光整流方法來(lái)產(chǎn)生太赫茲波。本文測(cè)得的是首都師范大學(xué)物理系太赫茲實(shí)驗(yàn)室中反射式光路所產(chǎn)生的太赫茲波在PM3，PM2兩拋物鏡的公共焦點(diǎn)附近的橫模分布情況，反射式光譜系統(tǒng)光路如圖11所示。圖11 反射式光譜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖M1 ～ M14 : 平面反射鏡。 CBS :分束鏡。 PM1 ～ PM4 : 拋物面鏡。PBS :偏振分束鏡。 HWP :半波片。QWP :1/ 4 波片。 L : 透鏡。Si :硅片。Stage :電動(dòng)平移 該實(shí)驗(yàn)室所使用的飛秒激光器是由光譜物理公司生產(chǎn)的鈦寶石飛秒脈沖激光器，其重復(fù)頻率為82MHz，中心波長(zhǎng)為810nm，脈寬為100fs，平均功率為980mW。由鈦寶石激光器(MaiTai Laser)發(fā)出的飛秒脈沖經(jīng)分束鏡(CBS)分為I和II兩束，半波片(HWP)可以調(diào)節(jié)兩束光的能量分配，光束I作為抽運(yùn)光，(Chopper)斬波再通過(guò)時(shí)間延遲后，以45。角入射到p型100)砷化銦(InAs)晶體上，激光脈沖激發(fā)InAs產(chǎn)生光生載流子，~(～)的脈沖。光束II為探測(cè)光束，它通過(guò)與抽運(yùn)光同樣的光程后，由電光晶體對(duì)太赫茲電場(chǎng)進(jìn)行取樣。InAs晶體上產(chǎn)生太赫茲輻射的位置正好處于拋物鏡PMi的焦點(diǎn)處，因此太赫茲電磁波經(jīng)拋物鏡PM1準(zhǔn)直后在PM1與PM2之間為平行光束，太赫茲波經(jīng)PM2會(huì)聚于焦點(diǎn)后又傳至PM3上，按圖1光路直至照射到電光晶體(ZnTe)上。PMPM3兩拋物鏡間距的中點(diǎn)，也即其公共焦點(diǎn)處是通常放置樣品的位置，測(cè)物質(zhì)的太赫茲譜或是對(duì)樣品進(jìn)行太赫茲成像，一般都將樣品放在此位置，足見(jiàn)此位置附近的太赫茲波橫模形狀及其大小的重要性。本文將對(duì)此位置附近的太赫茲波橫模分布情況進(jìn)行研究。該實(shí)驗(yàn)是在室溫（大約20℃），濕度為30%左右的空氣環(huán)境中進(jìn)行的。將三維電動(dòng)平移臺(tái)固定于PM2和PM3兩拋物鏡的公共焦點(diǎn)附近，然后將自制的小孔固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，利用電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)小孔的位置不同，通過(guò)小孔的太赫茲波的橫模部分也就不同，這樣就可以把太赫茲波橫模不同部分的信息（包括振幅和相位）記錄下來(lái)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就能得到太赫茲波橫模分布的圖像。用不同邊長(zhǎng)的正方形小孔和不同直徑的圓孔分別進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孔的形狀對(duì)所成像的形狀基本沒(méi)有影響，但孔的大小對(duì)所成像的大小有較大影響，這是由太赫茲波的衍射效應(yīng)所致，適當(dāng)調(diào)整小孔的大小，可以消除衍射效應(yīng)的影響。通過(guò)與“狹縫法”得到的橫模大小的結(jié)果進(jìn)行比較，選擇了邊長(zhǎng)為1mm的正方形小孔進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。圖12是用剃須刀片做成的邊長(zhǎng)為1 mm的正方形小孔。 圖12 邊長(zhǎng)為1mm的孔 圖13 采用“狹縫法”來(lái)精確測(cè)量橫模大小，將自制的狹縫固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，利用電動(dòng)平移臺(tái)分別在x，y，方向移動(dòng)狹縫，縫的位置不同，就把太赫茲波橫模不同部分通過(guò)狹縫的信息（包括振幅和相位）記錄了下來(lái)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就得到太赫茲波在x，y方向分布的曲線了。根據(jù)國(guó)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了避免縫的卷積修正，縫的寬度應(yīng)約為光束寬度的1/20，%的兩點(diǎn)之間的距離，從而測(cè)得太赫茲波的橫模大小。考慮到成像所得的橫模大小和縫的透過(guò)率，其中也用到了實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)值，焦點(diǎn)附近太赫茲波的光斑直徑在1～3 mm之間。 mm的縫。圖11實(shí)驗(yàn)裝置中，，PM3的公共焦點(diǎn)處太赫茲光