太赫茲波的產(chǎn)生與檢測(cè)(編輯修改稿)
2024-09-11 21:58 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 領(lǐng)域引發(fā)新的革命 。 太赫茲的探測(cè) 對(duì)于在 THz時(shí)域光譜 (THzTDS)系統(tǒng)中的太赫茲脈沖測(cè)量，需要使用相干探測(cè)器 。 最常用的兩種方法基于光電導(dǎo)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(yīng)是低頻電場(chǎng) (太赫茲脈沖 )和激光束 (光學(xué)脈沖 )在探測(cè)晶體中的耦合。使用超短激光脈沖 (15fs)和薄的探測(cè)晶體30μ m)，可以進(jìn)行中紅外波段的電光信號(hào)探測(cè)。 在需要高的光譜分辨率的探測(cè)中，常用的是外差式探測(cè)器。 在這樣的統(tǒng)中，探測(cè)器中的振蕩器以太赫茲頻率振動(dòng)，并與接收到的信號(hào)混合，此頻率下轉(zhuǎn)換的信號(hào)就被放大和測(cè)量。高靈敏度的超導(dǎo)外差式探測(cè)器需要冷卻測(cè)量 . 對(duì)于更寬波段的測(cè)量是有極大吸引力。 光電導(dǎo)探測(cè)天線的幾何結(jié)構(gòu)是 由 Grischkowsky發(fā)明的 ， 如右圖所 示 。 它可以由藍(lán)寶石上輻射損傷的 硅 (RDSOS) 或低溫生長(zhǎng)的砷化鎵 (LTGaAs)晶片制造 。 具有自由空間電場(chǎng) ， 持續(xù)時(shí)間大的 T射線光斑給電極加上偏壓 。 飛秒探測(cè)脈沖控制電極產(chǎn)生瞬態(tài)光載流子 ， 形成瞬時(shí)電流 ， 被安培計(jì)探測(cè) 。電流正比于所加圖 PCA門控探測(cè)技術(shù)的 THz場(chǎng) 。 光束由分光鏡一分為二：未聚焦的較強(qiáng)光束照射光導(dǎo)發(fā)射器的表面，并被一機(jī)械斬波器調(diào)制；較弱的光束用做探測(cè)器的控制光，通過(guò)時(shí)間延遲平臺(tái)， 聚焦在偶極天線間的光導(dǎo)體上，約 5mm大小的光斑。 光電導(dǎo)取樣是和光電導(dǎo)天線 (PCA)發(fā)射器結(jié)合起來(lái)發(fā)展的 。 下圖是一常 用的實(shí)驗(yàn)裝置 。 泵浦光束 照射在 THz發(fā)射器上 (例如 PCA天線發(fā)射器 、 光整流發(fā)射器 )。 發(fā) 射器產(chǎn)生的輻射是短電磁脈沖 ， 持續(xù)時(shí)間在皮秒量級(jí) ， 頻率在 THz量級(jí) 。 輻 射通常有一個(gè)或幾個(gè)周期 ， 因此帶寬很寬 。 THz光束被一對(duì)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(cè)光束在晶體內(nèi)與 THz光束共線傳播 ， 它的相位被折射率調(diào)制 ， 而折射率已被 THz脈沖的電場(chǎng)改 變 。 相位改變又經(jīng)偏振器 (這里是 Wollaston棱鏡 )轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化 。 通常使 用一對(duì)平行探測(cè)器來(lái)壓縮普遍的激光噪聲 (在偏振器后面 )。 機(jī)械制動(dòng)延遲線 改變 THz脈沖和探測(cè)脈沖的時(shí)間延遲 ， 通過(guò)掃描此時(shí)間延遲而得到 THz電場(chǎng)波 形 。 為了提高靈敏度 ， 被 THz調(diào)制的探測(cè)信號(hào)由 鎖相放大器提取 。 近些年，很多自由空間技術(shù)都得到發(fā)展。下圖是自由空間電光取樣(FSEOS)THz測(cè)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(qiáng)光束 )和探測(cè)光束 (弱光束 )。 THz輻射光譜學(xué) 是一個(gè)典型的 THz時(shí)域光譜系統(tǒng) THz時(shí)域光譜系統(tǒng)，既可以做透射探測(cè)，也可以做反射探測(cè)，還可以在泵浦探測(cè)的方式下研究樣品的時(shí)間動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于不同的樣品、不同的測(cè)試要求可以采用不同的探測(cè)裝置。 利用 THz脈沖可以分析材料的性質(zhì) ， THz脈沖時(shí)域光譜系統(tǒng)是在 20世紀(jì) 90年代出現(xiàn)的 ， THz脈沖光譜儀利用鎖模激光器產(chǎn)生的超快激光脈沖 ， 產(chǎn)生和探測(cè) THz脈沖 。最常用的鎖模激光器是鈦寶石激光器 ， 它能產(chǎn)生 800nm附近的飛秒激光脈沖 。 THz時(shí)域光譜系統(tǒng)是一種相干探測(cè)技術(shù) ， 能夠同時(shí)獲得 THz脈沖的振幅信息和相位信息 ， 通過(guò)對(duì)時(shí)間波形進(jìn)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(xué)參數(shù) 。 THz時(shí)域光譜有很高的探測(cè)信噪比和較寬的探測(cè)帶寬 ， 探測(cè)靈敏度很高 ，可以廣泛應(yīng)用于多種樣品的探測(cè) 。 典型的 THz時(shí)域光譜系統(tǒng)如下圖所示 . 主要由飛秒激光器、 THz輻射產(chǎn)生裝置、 THz輻射探測(cè)裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。 飛秒激光器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過(guò)分束鏡后被分為兩束，一束激光脈沖經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲系統(tǒng)后入射到 THz輻射源上，產(chǎn)生 THz輻射，另一束激光脈沖 (探測(cè)脈沖 )和 THz脈沖一同入射到 THz探測(cè)器件上，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)脈沖和 THz脈沖之間的時(shí)間延遲探測(cè) THz脈沖的整個(gè)波形。 透射型 THz時(shí)域光譜系統(tǒng) 材料的 光學(xué)常數(shù)
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